路基冻胀对CRTSⅢ型板式轨道变形的影响研究

研究目的:严寒地区高速铁路路基冻胀变形时常出现,局部冻胀变形不仅影响无砟轨道的平顺性,还可能导致层间离缝发生。为此,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统有限元模型,以分析不同路基冻胀波长和路基冻胀幅值下轨道结构的变形特征。研究结论:(1)路基冻胀作用下轨道结构各层的上拱变形与路基冻胀波形基本一致,轨道结构各层的变形受路基冻胀位置影响较大;(2)轨道结构各层的变形、轨道结构层间离缝以及轨道结构各层的上拱波长均随路基冻胀幅值的增大而增大,且底座板与路基表层的离缝远大于自密实混凝土与底座板间的离缝;(3)随着冻胀波长的增加,轨道结构各层的位移、轨道结构层间离缝随之减小,但轨道结构各层的上拱波长逐渐增大;(4)冻胀波长增大对轨道结构变形和减小层间离缝有利,路基冻胀幅值限值应根据冻胀波长来确定;(5)本研究成果可为路基冻胀变形控制提供参考。     

基于高速铁路路基冻胀的无砟轨道受力特征

研究目的:季冻区高速铁路路基冻胀变形较为普遍,局部冻胀变形会给无砟轨道受力带来较大影响,甚至有可能带来结构层开裂。为此,本文建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型,以路基冻胀变形曲线作为冻胀变形的输入条件,分析路基冻胀变形波长和幅值对不同类型无砟轨道结构受力的影响,同时对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板凹槽限位优化为凸台限位方案以及下部设置沥青混凝土封闭层的影响进行分析。研究结论:(1)路基冻胀变形幅值越大,冻胀波长越小,无砟轨道结构层应力均越大;(2)双块式无砟轨道在路基冻胀下道床板和支承层应力较大,易产生开裂,不宜应用于季冻区;(3)底座板限位凹槽是CRTSⅢ型板式无砟轨道在基础冻胀变形下的受力薄弱环节,将其优化为凸台后,能够较大程度降低结构在基础变形下受力;(4)在CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板下设置沥青混凝土层时,轨道板及底座板应力均有降低趋势,沥青混凝土层弹模越低,应力降低幅度越大;(5)本研究结论可为基础冻胀变形控制标准的制定和季冻区高速铁路无砟轨道的选型提供参考。     

路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

纵连式无砟轨道在路基冻胀区域极易产生轨道结构断裂破坏及结构层离缝等病害。为研究纵连式无砟轨道在路基冻胀状态下的损伤机理,文章建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型,对路基冻胀状态下轮轨动力响应特征、轨道结构动力响应特征及影响因素进行分析。结果表明:路基冻胀波长为10 m时,双块式无砟轨道各动力特征达到最大值;冻胀波长大于20 m时,各动力特征逐渐趋于稳定;列车荷载在层间离缝位置处使得轨道结构反弯,轨道结构层顶部纵向拉应力增大;20 m以下冻胀波时,拉应力超过或接近设计强度值;无砟轨道各动力响应特征最大值随冻胀幅值的增加显著增大,季冻区施工及运营期间应控制冻胀幅值增加。     

高速铁路路基不均匀沉降对CRTS Ⅲ板式轨道受力变形的影响

应用有限元方法建立土质路基上CRTS III型板式无砟轨道系统空间耦合模型,研究路基不均匀沉降作用下板式轨道的受力和变形特性,以及路基发生不均匀沉降时底座板和路基表层之间接触应力和脱空区域的变化规律。结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在重力作用下会发生跟随性变形;轨道板、自密实混凝土和底座板在路基沉降作用下的应力受路基沉降波长和幅值的综合影响,路基沉降幅值越大,轨道各层受力越大,波长为20~30 m的路基沉降对轨道应力的影响较大;底座板和路基表层间的接触应力和脱空区域随着路基沉降幅值的增大而增大,随着路基沉降波长的增大出现先增大后减小的变化趋势。由此可见,路基不均匀沉降会对轨道结构的受力和变形产生明显影响,严重时会造成轨道脱空,对行车安全舒适性产生较大影响,应加以严格控制。     

严寒地区路桥过渡段无砟轨道结构变形及损伤

以路桥过渡段CRTS Ⅲ型板式无砟轨道为研究对象,采用ABAQUS软件,建立非线性分析模型,基于混凝土塑性伤损理论,研究严寒地区路桥过渡段无砟轨道结构的变形及损伤.结果表明:过渡段冻胀变形对底座板损伤影响较大,而过渡段沉降变形对复合板(轨道板与自密实混凝土结合体)和底座板损伤均有影响;当过渡段长度较短时,冻胀变形导致的...     

地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响分析

为揭示地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响规律,通过建立路基上板式无砟轨道-路基有限元实体模型,充分考虑无砟轨道和路基的特性及其之间的接触方式,改变轨道结构层厚度和粘结方式,以此来进行地面沉降幅值、轨道结构层厚度和结构层间离缝对轨道不平顺的影响的研究。结果表明:地面发生沉降时,无砟轨道会发生跟随性的沉降,从上到下各层沉降值依次增大,且地面沉降幅值越大,轨道不平顺越明显;轨道结构层厚度越大,地面沉降对轨道平顺性的影响越小;轨道结构层间离缝对轨道平顺性有很大影响,尤其是无砟轨道与道床之间出现离缝时。     

季冻区CRTS Ⅲ型板式轨道非线性损伤机制研究

基于混凝土塑性损伤本构,建立CRTSⅢ型板式轨道冻胀分析模型,计算不同冻胀位置、波长和幅值影响下的轨道非线性损伤行为,确定结构最不利受荷下冻胀位置,进一步分析冻胀波长、幅值变化时轨道结构的损伤发展规律.研究结果表明:冻胀的波峰位置离底座板板缝越远,对轨道结构损伤的影响范围及程度越大;不同的冻胀波长对轨道结构伤损的影响范围与程度不同,波长越短,轨道结构损伤程度越大;轨道结构的冻胀损伤可分为微裂纹萌生阶段、微裂纹急速扩展阶段、二次损伤开裂阶段等3个阶段,为保证轨道结构安全,减少材料损伤的影响,建议将损伤阶段I右端点相对应的冻胀量作为维修管理控制指标;当冻胀波长10 m时,建议控制冻胀量在4 mm以下.研究成果可为季冻区轨道结构的维修提供理论依据.     

CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究

基于列车—轨道耦合动力学理论,考虑无砟轨道各部件间及无砟轨道与路基间接触状态非线性,建立列车—板式无砟轨道—路基三维非线性有限元耦合动力学模型,进行自重荷载、轨道中长波随机不平顺、轨道短波随机不平顺、路基不均匀沉降荷载、无砟轨道板温度梯度荷载共同作用下,高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基不均匀沉降限值研究。结果表明:无砟轨道板温度梯度荷载对无砟轨道各部件受力均有较明显的影响,因此在进行无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究时有必要同时考虑无砟轨道板温度梯度荷载的影响;路基上CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路的路基不均匀沉降限值由底座板疲劳破坏控制,路基不均匀沉降幅值达到7mm时无砟轨道底座板的最大拉力达到疲劳破坏限值1.674MPa,因此建议高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基的不均匀沉降限值为7mm/20m。     

基于动力分析的CRTSⅢ板式无砟轨道路基冻胀控制标准研究

哈大高速铁路的冬季运营经验表明,严寒地区高速铁路路基冻胀问题比较普遍。路基冻胀引起的轨道静、动态不平顺影响高速列车运行平稳性,有必要制定高速铁路路基冻胀控制标准。本文应用有限元方法建立车辆-轨道-路基冻胀分析模型,分析路基冻胀作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道变形规律及车辆-轨道结构的动力响应特征。计算结果表明:冻胀主要影响列车垂向动力学性能;随着冻胀量的增加,车辆运营平稳性明显下降,其中波长较短冻胀的影响更剧烈;当冻胀达到10m波长、15mm冻胀量时,底座板动态拉应力超出其抗拉强度。基于动力学分析结果绘制冻胀控制标准临界曲线,对路基不均匀冻胀进行划分。     

红层泥岩路基上拱无砟轨道传力杆性能研究

在川中红层泥岩地区CRTS Ⅲ型板式无砟轨道会设置传力杆限制沿线路纵向路基上拱变形,但传力杆对上拱地区无砟轨道的影响规律尚不明确。为了探究传力杆的性能,建立无砟轨道-路基上拱-传力杆有限元模型,在路基底部施加余弦型上拱波形位移作为外部条件,同时在底座板接缝处设置传力杆。将传力杆布置方式、直径、间距作为影响因子,设置无传力杆对照组进行对比分析。针对红层泥岩路基上拱,研究结果表明：1)设置传力杆与不设置传力杆复合板与底座板最大离缝分别为1.14 mm和4.82 mm,底座板与路基最大离缝分别为3.16 mm和5.29 mm,表明传力杆的设置能较好降低最大层间离缝,尤其是复合板与底座板轨道结构之间的层间离缝。2)传力杆布置方式1(中性层均匀布置1排)下底座板板端应力为1.13 MPa,为传力杆布置方式2(上下2层、交错布置)下底座板板端应力2.98 MPa的37.9%,底座板板端应力较小,应力分布均匀。3)复合板与底座板最大离缝、底座板与路基最大离缝及底座板应力在传力杆直径为30 mm时分别为0.82 mm、1.66 mm、3.16 MPa,达到相对较小值。4)随着传力杆布置间距减小、传力杆...     

城市轨道交通路基沉降与无砟轨道轨面不平顺映射关系

路基沉降会影响轨面不平顺,为了分析路基沉降与无砟轨道轨面不平顺间的映射关系,基于温克尔弹性地基耦合梁理论和有限元方法,建立考虑层间接触非线性整体道床轨道梁-体空间有限元模型,对轨道自重荷载和设计列车动荷载作用下轨面不平顺与路基沉降间映射关系展开研究,并在此基础上,提出城市轨道交通无砟轨道线路路基不均匀沉降的安全限值。分析结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在自重荷载和列车动荷载作用下发生跟随性沉降变形,且各层沉降幅值从上到下依次增大;路基沉降幅值越大轨面不平顺越明显,20 m沉降波长条件下,沉降幅值超过25 mm时轨道结构与路基间易形成脱空;轨面不平顺对路基沉降波长也极为敏感,20 mm沉降幅值条件下,当沉降波长超过25 m时路基与轨道结构间脱空现象明显缓解,此时轨面不平顺基本可与路基变形保持一致。     

高速铁路路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,开展高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对高速轮轨系统的动力学影响研究,分析不同程度的路基不均匀冻胀变形对高速车辆-轨道耦合系统振动响应的影响规律。研究结果表明:路基的不均匀冻胀变形会加剧轮轨动态相互作用,对行车安全性和乘车舒适性产生不良影响,同时易引起较强的轨道结构振动,进而影响轨道结构的长期服役性能;随着路基不均匀冻胀变形波长的减小和冻胀变形幅值的增大,高速车辆-轨道耦合系统的垂向振动动力学指标均出现增大趋势,研究发现应重点关注波长20 m以内的路基不均匀冻胀变形及其幅值的增大;对于路基不均匀冻胀变形较严重地段,可通过适当降低车辆的运行速度,以有效降低轮轨系统的动态相互作用,从而减小路基不均匀冻胀变形对高速行车安全性的影响,但是,限速措施对于改善高速乘车舒适性的效果并不明显。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构缝对路基应力分布特征影响

无砟轨道结构缝位置的路基面动应力存在集中效应，是产生底座/支承层-路基离缝，进而引发路基翻浆的重要因素。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点及层间接触条件，建立设有混凝土结构缝的轨道-路基空间有限元模型，分析转向架双轴荷载作用于无砟轨道结构连续、轨道板缝、底座缝三种位置下路基面列车荷载分布特征，结合现场实测数据，提出考虑结构缝影响的路基面简化荷载模式。研究表明：路基面列车荷载纵向分布范围与混凝土层间接触条件相关，随摩擦系数增加呈非线性增大趋势，实测摩擦系数对应的纵向计算长度与测试值吻合；结构缝对路基面列车荷载沿纵向分布形态有显著影响，转向架双轴荷载作用于底座结构缝正上方为最不利位置，路基面应力分布模式由连续结构位置的梯形转化为应力较为集中的三角形；底座缝断面的基床应力大于结构连续位置，应力增幅由路基面的33%随深度逐渐衰减至基床底面的8%。     

组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

在车辆荷载和温度作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道由于自密实混凝土层与底座板间产生离缝,发生应力集中和局部变形,对无砟轨道服役状态和使用寿命造成明显影响。基于ABAQUS有限元模型,计算车辆与温度不同荷载组合下,层间离缝横向和纵向发展对无砟轨道结构受力变形的影响,探究伤损演变规律和维修限值。研究结果表明:层间离缝宽度小于1.5m,轨道结构受力和变形的影响很小;离缝发展至两侧钢轨正下方后,轨道结构变形和应力均增大明显;离缝长度大于1.2m,对轨道板出现受拉裂缝和无离缝端上翘;正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵横拉应力以及负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵横拉应力均有叠加放大效应。     

高速铁路减振型无砟轨道扣件弹条疲劳损伤差异性研究

为研究高速铁路减振型无砟轨道扣件弹条疲劳损伤的差异性,以减振型双块式无砟轨道为例,建立车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算168块单元式道床板板端、板中与板尾扣件弹条的疲劳损伤,并对其进行概率统计分析。结论为:(1)板端扣件弹条最大应力较板中扣件增加12 MPa,弹条最小应力较板中扣件减小6 MPa;(2)弹条应力循环中存在两个幅值较大的循环、两个幅值中等的循环和数量较大而幅值较小的循环,板端错台使得板端扣件弹条大循环的应力幅值较板中扣件增加18%,除此之外,还增加一些幅值在10～40 MPa的应力循环;(3)板中扣件弹条疲劳损伤平均值为1.3×10~(-8),板端扣件弹条疲劳损伤平均值为2.0×10~(-7),约为板中扣件的15.4倍,板尾扣件弹条疲劳损伤平均值为4.3×10~(-8),约为板中扣件的3.3倍,需采取措施减小板端、板中和板尾扣件弹条疲劳损伤的差异性。     

不均匀沉降对无砟轨道路基动力特性的影响

为探讨不均匀沉降对高速铁路无砟轨道路基动力特性的影响,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统的三维动力有限元模型,计算并对比分析有病害和无病害条件下路基的竖向动应力、动位移及振动加速度在空间上的分布规律,结果表明路基不均匀沉降导致无砟轨道路基的动力响应幅值及其空间分布规律发生明显的改变,且主要集中在支承层宽度范围、路基面以下0~1.5m深度内。由不均匀沉降引起路基动应力幅值可达100kPa,为无病害路基的3倍以上,动加速度幅值为无病害路基的2倍以上,在列车循环荷载作用下沉降区域将加速扩大,对路基产生非常不利的影响。     

温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一,水泥乳化沥青砂浆具有支承、缓冲、传载等作用,离缝将影响无砟轨道的变形与受力。基于弹性地基梁体理论和有限元方法,建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型,分析在温度荷载和自重作用下不同离缝长度以及产生离缝后CA砂浆层参数对轨道结构的影响。结果表明:轨道板的翘曲位移及纵向应力均随着离缝长度增大而增加;当离缝长度超过1.95 m时,轨道板的翘曲变形及纵向应力都急剧增大,建议轨道板与CA砂浆层离缝长度不宜超过1.95 m。     

无砟轨道-路基结构相似模拟试验研究

基于量纲分析法,设计模型与原型比例为1:4的无砟轨道-路基变形相似模拟试验平台,采用中砂、细砂模拟路基材料,掺膨润土砂浆模拟无砟轨道混凝土材料。通过底部节段变形板的设置实现不同路基变形波长的模拟,通过竖向调整装置实现沉降、上拱等不同路基变形量的模拟。依据上述方法搭建的试验平台实测的变形曲线与仿真分析所得的计算曲线能够较好地重合。试验表明,波长较短时,沉降传递至上层时峰值衰减越明显,波长越长时,沉降峰值衰减越小。     

CRTSⅢ型无砟轨道基础结构冲击试验与数值分析

利用CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统实尺模型开展落轴冲击试验,同时运用Ansys/LS-Dyna软件进行轨道-路基落轴冲击动力有限元模拟分析,在试验结果和数值结果对比验证的基础上,系统研究落轴荷载作用下轨道和路基结构动应力分布规律,比较落轴高度和加载位置对动应力分布的影响。研究结果表明:试验结果和数值结果具有较好的一致性,两者可以相互验证,互为补充。轨道结构各层动应力均在钢轨正下方达到最大值,动应力幅值沿线路横向分布总体上呈驼峰形分布;沿线路纵向大致呈正态分布,自密实层应力幅值在板端附近有明显地回弹。路基动应力幅值底座板宽度范围内,沿横向分布比较均匀,在底座板宽度范围外快速衰减;沿线路纵向大体上呈正态分布;路基动应力幅值沿深度的衰减速度随着深度的增加而减小,在基床内衰减较快,基本呈线性或者分段线性衰减,在路基本体内衰减非常缓慢。轨道和路基动应力幅值总体上随落轴高度增加而线性增加,但沿线路纵横向分布规律不变。相对于板中加载,板端加载时轨道和路基各层面动应力幅值均有所增大,越靠近加载点增幅越明显,但是2种加载条件下轨道和路基结构应力幅值分布规律基本一致。     

新建隧道下穿施工引起既有铁路轨道变形的理论计算模型

新建隧道下穿施工将引起上覆既有铁路轨道产生不平顺，导致列车振动加剧，进而降低旅客乘车舒适性。为此，提出新建隧道下穿施工引起铁路钢轨变形的理论计算模型。首先，采用高斯分布公式预测新建隧道施工引起铁路路基顶面沉降；然后，将轨道视为无拉力弹性地基上的梁，推导路基沉降引起轨道挠曲变形计算式。通过与室内模型试验结果和现场监测数据比较，对提出的理论模型进行验证。探讨铁路线路与新建隧道间的水平夹角、钢轨抗弯刚度、路基顶面沉降槽宽度系数对钢轨挠曲变形的影响规律。该计算条件下，当路基沉降槽宽度系数小于2 m,新建隧道垂直下穿施工将导致上方有砟铁路轨枕产生局部空吊现象；增大钢轨抗弯刚度，可以减小钢轨挠曲变形幅值；增大铁路线路与隧道之间水平夹角，可以减小钢轨挠曲变形波长；增大路基沉降槽宽度系数，轨道挠曲变形幅值逐渐减小，并且波长逐渐增大。