30t轴重重载铁路轨道刚度研究

重载铁路轨道的刚度由钢轨、支点间距和轨下支承刚度共同决定,合理的轨道刚度对延长轨道结构的使用寿命、减少现场养护维修工作量、提高线路的经济效益有着重要的实际意义。本文结合大秦线重载铁路扣件弹性垫层的使用情况,探讨了在30 t列车轴重作用下,不同钢轨类型及不同道床支承状态所对应的弹性垫层刚度范围。分析认为:30 t轴重重载铁路轨道宜使用68 kg/m钢轨或75 kg/m钢轨;对于新建重载有砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为120~160 kN/mm;对于既有有砟轨道重载改造线路弹性垫层刚度选取范围为100~140 kN/mm;对于刚性道床重载无砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为40~60 kN/mm。     

35～40 t轴重重载铁路有砟轨道结构方案及试验研究

基于国外重载铁路现状,并结合前期研究成果,提出了35～40 t轴重重载铁路有砟轨道结构方案。在高速铁路轨道技术国家重点实验室铺设了有砟轨道实尺模型,通过轨道结构刚度试验、荷载垂向传递试验获得了35～40 t轴重有砟轨道的轨道刚度、枕上支点压力、枕下0.55 m和0.95 m位置基床压应力;通过钢轨倾翻试验得知轨道结构在垂向荷载400 kN、横向荷载165 kN同时作用下,重载扣件安全可靠,轨道结构稳定,验证了该轨道结构具有良好的防钢轨倾翻性能;通过轨枕荷载弯矩试验验证了重载轨枕在垂向荷载单独作用、垂向和横向荷载耦合作用等不同的荷载组合工况下,轨下截面弯矩以及枕中截面弯矩均有一定的安全余量,轨枕强度能够满足35～40 t轴重铁路的承载要求。     

30 t轴重重载铁路有砟轨道道床结构设计研究

重载铁路因列车重量和长度增加、机车和车辆轴重提高,大幅增加了作用于线路上的荷载,对铁路道床有更高的要求。结合路基结构设计,提出了我国30 t轴重重载铁路有砟轨道道床可采用单层和双层2种结构。综合理论计算和室内试验给出了道床断面关键参数:道床厚度350 mm,砟肩宽度500 mm,砟肩堆高150 mm,道床边坡1∶1. 75。针对提出的道床结构在瓦日线重载铁路铺设了试验段,开展了30 t轴重列车实车试验。试验结果表明:实测脱轨系数最大值为0. 27,轮重减载率最大值为0. 21,轮轴横向力最大值为37. 1 kN,可满足列车运营安全性要求;实测横向阻力为13. 7 kN/枕,能够保证无缝线路横向稳定性;道床厚度采用350 mm相比300 mm可降低道床底面应力38. 8%。     

山西中南部铁路通道隧道内铺设无砟轨道适应性研究

对30 t轴重重载铁路隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道和弹性支承块式无砟轨道静力学、动力学特性进行了系统对比分析。结果表明:CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构整体性较强,施工工艺简单,经济性较好,但道床板与轨枕新老混凝土结合面易产生裂纹,裂纹控制较困难,施工质量受工具轨、扣件等影响;弹性支承块式无砟轨道对于大轴重的适应性好,可修复性好,对隧道口温度梯度的适应性好,橡胶套靴能够有效地保护轨枕和道床,减振效果好。推荐重载铁路隧道内采用弹性支承块式无砟轨道结构。     

重载铁路用道砟垫设计研究

有砟轨道桥隧段线下基础刚度大,在30 t轴重重载列车作用下道砟快速破碎,使道床弹性降低,加剧轮轨冲击,增加养护维修工作量。在重载铁路桥上采用道砟垫可以减缓道砟破碎,增加道床弹性,减少养护维修工作量。本文对重载铁路用道砟垫结构及参数进行了研究,研究结果表明道砟垫采用鞋钉式结构,表面用帘子布防止破损,在1 250万次疲劳试验后未发现有明显的破损,道床道砟粉碎率很小,轨道弹性保持能力较好,累积变形与有砟轨道类似。     

32.5t轴重货车作用下重载铁路轨道的合理刚度

针对以往轨道刚度计算方法只能得出轨下垫板静刚度的取值范围或下限值,而不能确定轨道整体刚度的问题,运用大型轮轨动力学软件NUCARS建立32.5t轴重货车—轨道系统耦合动力学模型,采用动力敏感系数分析方法,通过分析轨道结构各种部件刚度组合情况下的车辆、轨道系统动力特性,研究32.5t轴重货车作用下重载铁路轨道的合理刚度。结果表明:钢轨垂向位移、道床压力和垫板压力对垫板刚度较为敏感;轨枕垂向位移、轨枕垂向加速度、道床压力对道床刚度较为敏感;以轨道动力特性的综合效应最小为目标建立目标函数,筛选得出32.5t轴重货车作用下重载铁路轨道结构的部件刚度最优匹配方案是轨下垫板刚度为140kN·mm-1,道床刚度为150kN·mm-1;最优部件刚度匹配方案所对应的轨道结构整体刚度为82kN·mm-1。     

移动列车荷载下桥上有砟轨道偏心研究

为研究列车作用下有砟轨道中线与桥梁中线偏心发展机理,以石太线上行多跨连续钢筋混凝土上承式拱桥为例,建立考虑轨道结构层间相互作用及轨道与桥梁弹性耦合效应的轨道-桥梁模型,研究桥上有砟轨道结构参数对有砟轨道-桥梁偏心影响规律.研究结果表明:增加轨下扣件横向刚度能显著减小线梁偏心,轨枕-道床横向支撑刚度对偏心影响较小,而散体道床横向剪切刚度及梁轨界面横向刚度的影响可以忽略;随着道床厚度的减小,线梁偏心减小;外轨超高对偏心有一定影响;随着有砟轨道中心与桥梁中心初始均匀偏心增加,线梁偏心呈较快发展趋势.     

30t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展

论述国内外重载铁路总体现状和国内外重载铁路轨道结构现状及发展,以及新建山西中南部铁路通道概况。从有砟轨道、无砟轨道和重载道岔方面阐述和分析30 t轴重重载铁路轨道结构技术创新,提出我国30 t轴重重载铁路轨道结构技术发展思考。根据对30 t轴重重载铁路轨道结构体系的技术创新实践,提出加强对科研成果的总结和凝练,通过优化形成完善的30 t轴重重载铁路轨道结构技术标准体系等建议。     

山西中南部铁路通道试验段无砟轨道设计

结合30 t轴重无砟轨道结构设计原则,通过不同的试验数据、理论计算等,得到30 t轴重重载无砟轨道设计参数,提出适用于山西中南部铁路通道工程30 t轴重重载铁路隧道内无砟轨道设计方案,并结合既有无砟轨道调研病害情况,提出具体的优化建议措施;优化后的重载无砟轨道试验及开通后运营良好,为试验段重载无砟轨道结构在山西中南部铁路通道隧道内及其他重载铁路的扩大试用奠定了基础。     

重载铁路隧道内无砟轨道动力响应

研究目的:采用少维修的无砟轨道结构是重载铁路长大隧道地段的必然选择,本文通过建立车辆-轨道耦合动力学模型,对不同车速、不同轴重、不同轨道结构、不同过渡形式下的系统动力响应进行对比,以确定出最佳轨道类型和过渡段类型,进而为无砟轨道在重载铁路隧道中的设计提供理论依据。研究结论:(1)车速增加对轨下结构的振动加速度影响较大;(2)随着轴重增加,除轮重减载率以外,其他各项指标均随轴重的增加而增大,且增幅较大;(3)长枕套靴式无砟轨道道床垂向应力较小,但脱轨系数大,道床垂向位移较大;双块式无砟轨道钢轨垂向位移小,但道床垂向应力、钢轨垂向力均较大;弹性支承块式无砟轨道脱轨系数和轮重减载率较小,道床垂向应力适中,利于重载铁路环境下铺设使用;(4)将有砟与无砟过渡段设置在路基上时,车辆运行的安全性指标控制得较好,并且因冲击而产生的钢轨加速度明显减小,且扣件的支反力也明显减小;(5)本研究成果对开展重载铁路无砟轨道结构设计具有参考价值。     

40 t轴重重载铁路轨枕关键设计参数研究

研究目的:重载列车轴重的增加使轨枕的服役环境大大恶化,为探究运行40 t轴重列车的轨枕关键设计参数,本文建立更为精确的三维轮轨接触与轨道有限元模型,分析轨枕应力变化规律,并提出提升轨枕承载能力的措施,以期为我国未来大轴重轨道结构设计提供数据支持。研究结论:(1)当40 t轴重重载列车以120 km/h的速度通过时,轨枕承轨槽处的最大应力达9.21 MPa,但仍小于C60混凝土12 MPa的抗压限值;(2)轨枕的承载能力由轨枕提供的抗正弯力矩控制,速度达到120 km/h时,轨枕最大正弯矩极值增加至18.99 kN·m,非常接近Ⅲ型轨枕的抗弯限值19.05 kN·m;(3)通过加宽或加长改进的Ⅲ型轨枕,重量增加至350 kg以上,可满足运行40 t轴重重载列车的要求;(4)考虑到建造成本和道床限界等因素,优先考虑加宽轨枕,加宽10 cm后的轨枕至少可承受23.52 kN·m和-22.87 kN·m的最大正、负弯矩;(5)该研究结果可为40 t轴重重载铁路轨枕设计提供参考。     

27t轴重条件下轨道结构劣化规律和适应性分析

针对既有轨道结构在27 t轴重条件下的劣化问题,在北同蒲(大同—蒲州)线、大秦(大同—秦皇岛)线选择有代表性区段建立跟踪观测试验段,在试验段内铺设了强化型扣件进行长期跟踪观测,并结合仿真计算和现场测试,研究27 t轴重条件下轨道结构的劣化规律和适应性。研究结果表明:目前使用的U78CrV在线热处理钢轨、Ⅲ型混凝土轨枕及配套的弹条Ⅱ型扣件、道床基本适应27 t轴重车辆运营需求,但建议小半径曲线区段更换为加强型扣件或Ⅳ型混凝土轨枕,以提高线路稳定性和承载能力。     

山西中南部铁路通道重载线路道床施工技术

山西中南部铁路通道是我国第一条30 t轴重重载铁路,有砟轨道占全线长77%,道床施工质量控制对于重载线路的运营安全和经济性尤为重要。文章结合山西中南部铁路道床施工,对重载线路道床施工工序、关键工序质量控制标准、施工组织和机具配备以及道床施工质量和安全控制措施进行了介绍。施工效果良好,能满足重载线路有砟轨道状态要求。     

高速铁路桥上有砟轨道结构力学特性分析

在京沪高速铁路济南黄河大桥有砟轨道开展了系统性的动力试验,内容包括列车运行安全性指标和轨道结构稳定性参数等。测试结果表明:京沪高速铁路时速250～350 km动车组通过桥上有砟轨道时,实测脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力均在相应安全限值以内;钢轨横向位移、轨枕横向位移、动态轨距变化量与列车运行速度均呈现出正相关的关系;采用弹性轨枕有利于改善高速铁路桥上有砟轨道的弹性,但会降低道床横向阻力和轨枕支承刚度,应重点关注弹性轨枕区段道床横向稳定性;既有标准中对轨枕支承刚度的规定对高速铁路桥上铺设弹性轨枕的有砟轨道区段不完全适用,建议提出相应的验收标准。     

重载列车作用下CRTSⅢ型板式轨道结构力学特性试验研究

通过建立CRTSⅢ型板式无砟轨道结构1:1足尺试验模型,开展30 t轴重列车作用下轨道结构力学特性试验,获得800万次疲劳试验后轨道结构力学性能演化特征。研究结果表明:疲劳荷载作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道各层动力响应基本呈逐渐增加之势;800万次疲劳荷载作用后,扣件竖向动、静刚度分别增加24.77%和23.94%,竖向动静刚度比变化不明显;隔离层竖向动、静刚度分别增加152.27%和136.11%,动静刚度比减小6.4%;底座竖向加速度最大值增加67.4%;底座混凝土板中处拉、压应力最大值分别增加55.6%和26.3%。研究成果对于开展重载铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构研究具有参考价值。     

30t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究

结合我国重载铁路的运营特点,在前期研究成果的基础上,开展了30 t轴重重载铁路混凝土轨枕的设计、试验研究工作,并按照北美铁路工程和维修协会(AREMA)的相关规定进行对比分析。研究结果表明:新型重载轨枕能够满足30 t轴重线路的承载性能要求,同Ⅲ型枕相比,轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩承载能力分别提高了18.5%和23.3%;新型重载轨枕能够满足国内标准及AREMA的相关试验要求,且具有较大安全余量,表明其达到北美重载线路用混凝土轨枕的承载水平。     

35.7t轴重重载铁路轨道关键设计参数研究

我国面临着发展重载铁路和承担海外重载铁路的设计任务,美国、加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重普遍达到35.7 t,结合海外项目,以35.7 t轴重货车为例,对此轴重条件下的轨道结构主要设计参数进行研究。轴重的提高对重载铁路轨道部件提出更高的要求。采用商业有限元软件ANSYS,建立轨道-路基系统有限元模型,主要研究钢轨类型、轨下垫板刚度、道床状态、路基基床参数对35.7 t轴重货车的轨道结构静力学特性的影响,为轴重35.7 t轨道结构的关键参数选取提供建议。     

弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。     

40 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究

我国具有25 t和30 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕的设计和运营经验,但对于40 t轴重重载铁路混凝土轨枕仍缺乏相关技术储备。为配合我国重载铁路"走出去"战略,本文基于对国内外混凝土轨枕设计标准的对比分析,开展了40 t轴重重载轨枕的设计研究。研究结果表明:对于40 t轴重重载铁路典型工况,按照北美地区混凝土轨枕的设计标准计算出的轨下截面正弯矩显著高于按照欧洲和中国标准的计算结果;按照中国混凝土轨枕的设计标准设计完成的40 t轴重重载轨枕轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩承载能力分别为35.6,22.3 kN·m,与适用于25,30 t轴重重载铁路的Ⅲa型、Ⅳa型轨枕相比,该轨枕在质量提高相对不大的情况下,满足设计承载要求。然后按照北美地区轨枕标准的规定进行了一系列室内试验验证,试验结果均满足标准要求。     

带减振扣件的整体道床轨道横向稳定性分析

为分析列车制动力和温度荷载对小半径曲线上带减振扣件整体道床轨道横向力学特性的影响,为小半径曲线上无砟轨道设计提供理论依据。参考贵阳地铁1号线带减振扣件的整体道床结构形式,简化钢轨-桥梁-墩台垂向耦合力学模型,应用有限单元法,计算分析不同列车制动力和温度力对小半径曲线桥梁轨道结构横向力学特性的影响。计算分析结果表明：从无砟轨道稳定性角度出发,对于在有小半径曲线桥梁上的带减振扣件的承轨台整体道床轨道,建议当圆曲线半径为450 m时,扣件横向刚度要大于5×107 N/m;当扣件横向刚度为5×107 N/m时,圆曲线半径要大于450 m;当扣件横向刚度为1×108 N/m时,圆曲线半径要大于350 m。当圆曲线半径为450 m时,为减小制动力对曲线钢轨的影响,建议尽量减小曲线长度,缩小钢轨横向位移值。