地震作用下桥梁-CRTSⅡ型无砟轨道相互作用规律

为研究地震对桥梁纵连板式无砟轨道相互作用的影响,以沪昆高铁某16~32 m简支箱梁桥-CRTSⅡ型板式无砟轨道系统为研究对象,建立充分考虑轨道结构层间非线性约束的三维动力仿真模型,探讨ElCentro波和Taft波2种常见地震激励对结构受力变形的影响,对比3种不同烈度的ElCentro波对系统动力特性的影响程度。研究结果表明:地震波的频谱特性与结构动力响应紧密联系,ElCentro波对结构纵向受力与变形影响较大;地震作用下,钢轨、桥墩和端刺承受着较大纵向力;扣件、滑动层和砂浆层各向位移均在梁缝处出现峰值,扣件和砂浆层纵向位移最大值出现在端刺附近;滑动层通过底座板滑移耗能,大幅度提高了系统的抗震性能;随着地震烈度的增加,各关键构件受力变形大幅增长。     

制挠工况下高铁大跨连续梁桥上无砟轨道受力研究

为探明高速铁路长联大跨度连续梁桥上CRTSII型板式无砟轨道制挠工况下受力特性,选取某高铁跨径(60+3×100+60)m的连续梁桥为工程实例,建立考虑梁轨各构件的空间有限元模型,计算分析单侧制挠工况下各层轨道结构纵向附加力分布规律;分析轨道关键结构参数变化对其纵向附加力影响规律,研究结果表明:在单侧制挠工况下,钢轨纵向附加力最大值出现位置随着加载区域的变化而变化,最大附加拉力及附加压力分别出现在加载区域后端点、前端点;轨道板和底座板纵向附加力分布趋势一致;3层轨道结构中,轨道板在制挠工况下纵向附加力最大;连续梁固定支座右侧300 m范围加载制动力为轨道结构相对最不利工况;道床板伸缩刚度以及滑动层摩擦因数对轨道结构附加力影响较大;CA砂浆层对轨道结构附加力影响较小;建议增大大跨连续梁两端无砟轨道结构强度,改进CRTSII无砟轨道CA砂浆层的设置。     

列车荷载对CRTSⅠ型板式轨道疲劳损伤的影响研究

为研究CRTSI型轨道板及CA砂浆层在列车疲劳荷载作用下的疲劳损伤,按照轮轨力的正态分布规律及疲劳荷载编谱方法中的单参数计数法将列车荷载简化为2种疲劳荷载谱,通过建立的弹性地基梁-体模型计算了列车疲劳荷载作用下轨道板及CA砂浆应力值,采用Miner线性准则及以应力为基础的疲劳寿命计算方法,分别计算了轨道板混凝土及CA砂浆在60年服役期内的疲劳损伤。理论分析结果表明:仅考虑列车疲劳荷载作用时,轨道板混凝土及CA砂浆材料在60年服役期不会发生疲劳破坏;不同的疲劳荷载谱对轨道板及CA砂浆的疲劳损伤几乎没有影响。     

砂浆刚度和阻尼对高速列车-板式轨道时变系统竖向振动的影响

利用横向有限条与板段单元模拟板式轨道。考虑轮轨竖向位移衔接条件,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-板式轨道时变系统竖向振动矩阵方程;分析了CA砂浆的刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。计算结果表明,合理的CA砂浆刚度为1.0~1.5 GPa/m,尽量采用大阻尼的CA砂浆垫层将有利于降低轨道板的振动。     

地震作用下高速铁路FPS隔震桥梁无砟轨道力学特性参数研究

为了准确分析地震作用下高速铁路FPS隔震桥梁无砟轨道的纵向力学特性,以一典型5跨FPS隔震简支梁桥为对象,建立基于CRTSⅡ型板式无砟轨道的线桥一体化模型;应用非线性时程方法分析无砟轨道的纵向力学特性并进行参数研究。研究结果表明:地震作用下,梁端的轨道纵向力要大于梁中间位置;滑动层与剪力齿槽的设计能减小底座板与梁面的纵向相互作用,且道床板纵连能分散从梁面传来的纵向力,使CA砂浆及扣件的纵向力降低;FPS摩擦系数、支座半径、滑动层摩擦系数、剪力齿槽刚度对轨道纵向力有较大影响,在高速铁路FPS隔震设计时,应综合考虑各参数对Ⅱ型板纵向地震受力的影响,在保证正常运营的同时,减小Ⅱ型板纵向地震受力,防止轨道发生纵向破坏。     

地铁减振型无砟轨道CA砂浆应力匹配研究

地铁减振型无砟轨道结构中,CA砂浆层位于轨道板和隔振垫之间,起着支承、传载和调整的功能。由于隔振垫的存在,CA砂浆层极易发生破坏,因此需要全面地研究轨道结构参数对CA砂浆的应力影响规律。基于弹性地基梁体模型,研究轨道板的混凝土等级、CA砂浆弹性模量、隔振垫刚度及轨道板长度4个轨道结构参数对CA砂浆应力的影响规律,并通过应力匹配图得到合理的轨道结构参数匹配。得到的结论是CA砂浆弹性模量是对CA砂浆应力影响最敏感的参数;轨道板的混凝土等级、CA砂浆弹性模量、隔振垫刚度及轨道板长度4个轨道结构参数对CA砂浆最大拉应力的影响远大于对CA砂浆最大压应力的影响;通过应力匹配图,提出较为合理的轨道结构参数匹配:轨道板使用C80等级的混凝土、CA砂浆取中低弹模3 000 MPa、隔振垫刚度取0.04 N/mm~3、轨道板长度取4.097 m。     

CA砂浆层破坏对无砟轨道结构受力特性影响

CA砂浆层掉块破坏是无砟轨道结构运营过程中最突出的病害之一,其破坏程度对无砟轨道结构运营的安全性与适用性具有重要影响。通过采用修正Burgers模型转换Prony级数表征CA砂浆的黏弹性,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道结构三维有限元模型,通过模拟CA砂浆层在板端和板中不同区域薄层掉块,研究车轮荷载作用下不同掉块位置、不同掉块大小对无砟轨道结构动力特性和结构位移的影响,分析掉块处轨道结构损伤演变规律和趋势,给出破坏界限建议值,为无砟轨道结构的养护维修提供理论依据和指导。研究结果表明：无论板端还是板中掉块,CA砂浆层破坏造成轨道板垂向加速度、垂向位移和纵向拉应力增幅明显,CA砂浆层掉块边缘位置的压应力急剧增大,而底座板垂向位移及受力逐渐减小;车轮荷载作用下,CA砂浆层板端薄层掉块达到0.912 5 m,板中掉块达到1.25 m时,轨道板的垂向振动和CA砂浆的压应力将会显著增大,应及时对轨道结构进行检修,避免轨道结构破坏快速扩展。     

浸水条件下减振型板式无砟轨道系统性能试验研究

为研究在浸水条件下减振型板式无砟轨道系统的减振性能和CA砂浆充填层的力学性能随不同疲劳强度的演变规律,开展浸水后减振型板式无砟轨道系统的疲劳加载试验。研究结果表明:在浸水条件下,减振型板式无砟轨道系统在疲劳加载500万次后,各部件功能稳定,系统疲劳性能良好;钢轨→承轨台→轨道板→地面的加速度衰减较为明显,加速度传递率保持稳定不变,轨道系统减振性能保持良好; CA砂浆充填层劣化程度与表面受荷情况有关,CA砂浆充填层受荷越大,其疲劳后抗压强度和抗折强度越低。     

考虑轨道系统的高速铁路连续梁桥结构系统参数对纵向地震响应的影响

为研究无砟轨道系统约束作用下的高铁连续梁桥纵向地震响应,以某组合桥跨布置高铁桥梁结构(2×32m简支梁+(48+80+48) m连续梁+2×32 m简支梁)为例,针对CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道系统的结构特点,建立考虑轨道系统结构层间相互作用的叠合梁模型,研究轨道系统约束作用、地震波激励、滑动层摩擦因数、底座板刚度和制动墩抗推刚度对桥梁结构纵向地震响应的影响。分析结果表明:轨道系统对桥梁结构的约束作用可减弱结构纵向地震响应;在不同频谱特性的地震波激励下,桥梁结构地震响应明显不同,当地震波卓越频率与结构自振频率接近时,将放大结构地震响应;随着轨道系统滑动层摩擦因数增加,连续梁桥纵向地震响应减小,简支梁桥纵向地震响应增强;底座板刚度变化对桥梁纵向地震响应影响较小;增加连续梁桥制动墩抗推刚度,将增强制动墩地震内力响应,需要根据不同抗震需求合理设计桥墩抗推刚度。     

制动力作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道层间剪切破坏规律研究

层间剪切破坏是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一。根据CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,建立钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、宽窄接缝三维有限元模型,采用双线性黏结滑移模型模拟CA砂浆层与轨道板间的黏结关系,根据轴距和车辆定距确定轮载与制动力加载位置,研究制动力作用下,不同制动力率、界面参数下轨道板和CA砂浆层间剪切破坏的影响机理。结果表明,制动力率对于界面剪切应力与界面伤损分布影响较小,界面的黏结性能对于制动力作用下的界面剪切应力与界面伤损分布影响较大;制动力对扣件四周的轨道板与CA砂浆界面黏结破坏作用较大,对于板中间位置界面黏结基本无影响;相同制动力作用下,起始伤损位移越小,界面越容易发生伤损;过大的剪切刚度会对层间界面的黏结产生不利影响。     

极端温度作用下桥上CRTSⅡ型无砟轨道受力特性

为研究极端温度作用下高速铁路简支梁桥与CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道相互作用,以5～32 m简支梁为例,建立考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、摩擦板、端刺,以及梁体、墩台等构件的桥上CRTSⅡ型无砟轨道系统精细化仿真模型,研究高温和严寒等极端温度条件下系统的受力与变形特征,探讨不同轨道伸缩刚度、滑动层摩擦因数和砂浆黏结力对系统受力与变形的影响.研究结果表明:在高温条件下,轨道板代替钢轨承受了更多伸缩力,轨道板轴向力最大值出现在主端刺处,易导致上拱破坏;正温度梯度作用下,轨道板上、下表面最大纵向应力差达10.1MPa,将引起翘曲变形导致端部砂浆层脱黏;在极寒条件下,轨道板最大纵向拉力出现在右端刺处,最大值达3.9 MPa,轨道板易发生断裂;底座板初始裂缝对轨道板及底座板的受力分布与变形产生不利影响;滑动层可有效减小梁轨之间的相互作用,适当增大砂浆黏结力有利于减小轨道板-底座板离缝和砂浆脱黏等病害的发生几率.     

砂浆伤损对轮轨系统动力特性的影响研究

CRTSⅠ型板式无砟轨道的CA砂浆产生伤损后,容易形成轨道板板底脱空,造成轨道刚度局部突变,不利于轨道结构受力和行车安全。通过对框架型板式轨道砂浆层伤损进行现场试验,评估砂浆伤损对轨道系统动力特性的影响。基于轮轨系统动力学原理,建立车辆-框架型板式轨道垂向耦合振动模型,研究分析不同形式、尺寸的砂浆伤损对轮轨系统动力特性的影响。现场试验和理论研究表明:宽度小于0.2m的砂浆伤损对行车的影响有限,列车轴重对砂浆伤损的影响明显;轨道板端砂浆伤损形式对轮轨系统振动的影响较大,当砂浆伤损沿纵向宽度超过0.6m时,车辆和轨道系统各部件动力响应明显增大;从动力学的角度出发,砂浆伤损沿轨道纵向宽度不宜超过0.6m,沿轨道横向宽度不宜超过0.2m。     

某线框架板式轨道CA砂浆伤损动力试验研究

为进一步明确无砟轨道部件伤损对轨道结构受力和行车安全的影响,需要对典型病害类型展开现场动力学试验。本次现场试验主要针对框架板式轨道CA砂浆伤损进行动力测试试验,从而分析CA砂浆伤损(碎裂、掉块等)修复前后钢轨及轨道板的动力学响应,评估CA砂浆伤损对轨道结构受力和行车安全的影响,以及针对现场CA砂浆碎裂等病害的现有修复技术加以评估。     

轨道板与砂浆粘结试验及内聚力模型参数研究

研究目的:目前轨道板与CA砂浆层离缝损伤是我国CRTSⅡ型板式无砟轨道主要损伤形式,本文为研究砂浆层离缝损伤机理,制作混凝土和砂浆复合试件进行劈拉和剪切模型试验,采用数字图像相关(DIC)技术得到加载过程的层间应变场分布,分析得到内聚力模型参数,并采用有限元软件计算内聚力模型参数且与试验结果进行对比验证,得到轨道板与砂浆层间力学特性及其破坏模式。研究结论:(1)DIC技术能较好地描述复合试件的层间应变场分布,以及层间损伤、裂纹萌生、扩展及破坏的全过程;(2)轨道板与砂浆层间粘结破坏属脆性破坏,层间法向和切向张力-位移关系均表现为双线性关系;(3)轨道板与砂浆层间参数可取法向内聚强度1.792 MPa、界面刚度708.485 MPa/mm、临界断裂能0.025 2 mJ/mm~2,切向内聚强度0.956 MPa、界面刚度63.039 MPa/mm、临界断裂能0.018 mJ/mm~2;(4)本研究成果可用于分析轨道板与砂浆层间损伤开裂行为,可为Ⅱ型板式轨道结构的设计及维修提供理论依据。     

CRTS Ⅰ型板式轨道在地震荷载作用下的动力响应

借助有限元软件ANSYS,建立了板式轨道、路基的三维有限元模型,并结合遂渝线CRTS Ⅰ型板式轨道进行地震荷载时程分析,模拟地震荷载作用下板式轨道结构中轨道板、底座板、CA砂浆和圆形凸台的动应力、动位移的响应.结果表明,在地震荷载作用下,轨道结构横向应力和纵横向位移响应随烈度增加1度而增加1倍;竖向应力响应由于受初始应力影响,压应力较大,总体来说,轨道结构各向最大动应力较小,不会使轨道结构破坏;轨道结构横向位移响应大于竖向位移响应,轨道结构位移响应对轨道几何形位有一定影响,建议地震后对列车行驶速度限制;在路基稳定的情况下,板式轨道结构本身的变形和受力很小,不是导致轨道结构破坏或变形的原因.     

基于动刚度的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道CA砂浆层病害评估方法

以CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构CA砂浆层为研究对象,采用冲击荷载作用下轨道板的动刚度变化指数作为评估指标,进行CA砂浆层粉化和局部脱空病害评估研究。提出CA砂浆层病害分步评估方法,首先利用轨道板上少量测点初步定位病害,然后通过在初步定位病害区域密布测点对病害进行精细化评估。运用数值模拟方法分析CA砂浆层病害位置和程度对动刚度变化指数的影响规律,确定对应关系,据此提出用于CA砂浆层病害状态评估的建议准则,即将CA砂浆层病害状态分为AA,A1,B和C共4级,对应的动刚度变化指数分别为≥0.5,[0.2,0.5),[0.1,0.2)和0.1。对1个实际轨道结构进行现场试验,并应用所提方法和准则对CA砂浆层的病害进行评估,评估结果和实际病害状况一致,证明所提方法的可靠性。     

CRTS Ⅰ型CA砂浆劣化对其疲劳寿命的影响分析

研究目的:CA砂浆脱空是板式轨道的典型伤损,在列车荷载作用下,CA砂浆劣化将降低其疲劳寿命。为研究CA砂浆劣化对其自身疲劳寿命的影响,本文建立CRTSⅠ型板式轨道有限元模型,以Miner线性疲劳累计损伤准则为基础,研究CA砂浆在不同劣化情况下的应力和疲劳寿命,从而为无砟轨道的养护维修提供参考。研究结论:(1)仅考虑CA砂浆性能劣化50%时,列车荷载作用下CA砂浆所受的应力及疲劳寿命均减小,但仍能满足60年的使用寿命;(2)仅考虑CA砂浆层脱空和同时考虑CA砂浆层脱空与性能劣化50%时,CA砂浆层的压应力显著增大,疲劳寿命显著降低;(3)CA砂浆层板端脱空长度达到1.225 m时,CA砂浆的疲劳寿命不再满足60年的使用寿命;(4)建议CA砂浆的脱空长度应小于1.225 m,且在CA砂浆的服役寿命内加强养护维修,防止CA砂浆发生疲劳破坏;(5)本研究成果可为板式轨道CA砂浆的养护维修提供指导。     

CA砂浆脱空对框架型轨道板翘曲的影响分析

CA砂浆填充层作为框架型板式轨道关键结构层,长期暴露于自然环境中,受列车荷载冲击、温度循环以及水的侵害等作用,砂浆层与轨道板间易产生脱空,劣化轨道结构受力状态。基于无砟轨道弹性地基梁体模型,分析了正常状态和砂浆层与轨道板间出现脱空时框架型板式轨道在温度梯度荷载作用下的受力情况,并针对板端横向全部脱空和板边纵向全部脱空两种常见脱空形式进行分析。结果表明,较低的砂浆弹性模量可减小轨道板翘曲和缓解列车荷载冲击作用;对于脱空状态,在正温度梯度作用下,轨道板受力和板角翘曲变形受脱空程度影响较大,而对砂浆层受力影响较小;在负温度梯度作用下,轨道板和砂浆层受力状态受脱空程度影响均不明显。     

高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道快速升降温模型试验研究

为深入系统研究高速铁路桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道温度场分布规律,制作无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁1/4缩尺试验模型,通过开展快速升降温试验,分析CRTSⅡ型无砟轨道二维温度场分布规律,提出轨道系统横、竖向温度三维分布形式。研究结果表明:高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度及温差分布呈三段式阶梯形;横向温度分布呈抛物线形;CA砂浆层是影响轨道系统横、竖向温度场分布的最主要因素;轨道系统竖向负温差主要产生于轨道板;轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度最为显著,最高达4.5℃/cm;横向最大负温差为-4.4℃,最大正温差为5.5℃,分别产生于底座板上部和中部;轨道系统横、竖向温度三维分布呈三段式阶梯形曲面。研究结果可为高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度效应设计和研究提供参考。     

CRTSI型板式无砟轨道用CA砂浆流变特性研究

流变性能是新拌CA砂浆重要性能之一,其对砂浆流动性和稳定性有显著影响。文章采用流变剪切仪分别研究了CRTSⅠ型板式无砟轨道用CA砂浆的剪切应力、粘度系数与剪切速率的关系,分析了CA砂浆的流变类型,进而建立了其流变方程。并采用粘度计研究了CA砂浆固液相体积分数与其表观粘度的关系。研究结果表明:新拌CA砂浆在0.1~1 s-1的低剪切速率区域剪切应力与剪切速率为非线性关系,其流变方程为指数型;在1~300 s-1的高剪切速率区域剪切应力与剪切速率为线性关系,其流变方程为宾汉姆型;而在较粗略的情况下,CA砂浆的流变方程可简单表示为宾汉姆型或牛顿型。在相同剪切速率下,CA砂浆表观粘度随固相体积分数的增加而增大,二者呈指数关系。