修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究

分析了框架板式无砟轨道板角离缝原因,建立了含维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,研究了维修材料弹性模量对无砟轨道受力和变形的影响规律,提出了板角离缝维修材料建议。研究结果表明,施工因素、服役环境和长期列车荷载作用是导致单元框架板式无砟轨道发生板角离缝的主要原因;钢轨和轨道板的垂向位移、CA砂浆层压应力随板角离缝面积的增大而增大,轨道板的拉应力则先增大后减小;正温度梯度作用下轨道板的拉应力随维修材料弹性模量的增大而增大,轨道结构位移则随维修材料弹性模量的增大而减小;当维修材料弹性模量从50 MPa增加至1 000 MPa时,列车荷载作用下维修材料的压应力增大了3.25倍;从维修材料受力角度考虑,建议框架板式无砟轨道板角离缝维修材料采用树脂材料,且弹性模量宜为100～300 MPa。     

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。     

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。     

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.     

CRTSⅠ型板式无砟轨道板角离缝原因与治理措施

为了研究轨道板板角离缝的形成原因及治理措施,选取一高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道结构,对其砂浆变形、板面高程、轨道板不同部位温度等指标进行24 h连续测试,并对测试结果进行分析。结果表明:轨道板板面与板底温差的周期性变化是导致轨道板周期性变形的主要原因;轨道板板面高程随时间变化呈现大致规律的波动变化;相对板面中心,板角在夜间翘起明显,板角离缝宽度与离缝值在夜间同步增大;充填层CA砂浆横向和竖向变形遵循热胀冷缩规律,其变形量较小,不是板角离缝产生的主因;不同涂层对混凝土表面温度具有降低作用,可用于改善板角因温度翘曲而产生的离缝程度。     

宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损对无砟轨道-简支梁桥结构受力性能影响

基于弹性地基梁体理论,考虑宽窄接缝与轨道板之间界面开裂与CA砂浆脱空耦合伤损,建立伤损状态下的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-简支梁桥结构有限元模型,分析宽窄接缝与CA砂浆不同伤损型式和不同位置耦合伤损尺寸在正温度梯度荷载作用下对无砟轨道-简支梁桥结构受力及变形的影响。研究结果表明:宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损较宽窄接缝界面开裂或CA砂浆脱空单一伤损型式对结构受力与变形更为不利;当耦合伤损面积超过0.975 m×0.765 m,长度超过0.975 m或宽度超过0.51m时,轨道板拉应力超过其抗拉强度,影响结构的正常使用;随耦合伤损尺寸的增加,轨道板和CA砂浆的垂向位移均显著增大,底座板和桥梁的垂向位移呈微弱减小趋势;宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损位于轨道板板边对结构受力和变形影响最大,耦合伤损位于板端次之,耦合伤损位于板角影响最小。     

严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道底座板混凝土粉化的影响

哈大高速铁路部分线路上出现了无砟轨道现浇底座板混凝土粉化、强度等级降低的问题。本文建立底座板混凝土粉化分析模型,对无砟轨道整体受力及底座自身受力进行分析。结果表明:底座板混凝土强度等级降低对桥梁段及路基段轨道板受力与变形的影响较小,基本在5%以内;但对底座板自身受力影响较大,在降温荷载以及列车荷载作用下,桥梁段底座板裂纹宽度尚在限值以内,路基段底座板混凝土强度等级低于C20时,底座板裂纹宽度超限。建议对底座板粉化严重区域及时采取加强措施遏止底座板继续劣化。     

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。     

温度梯度荷载作用下CRTS Ⅱ型无砟轨道层间离缝分析

运营期间的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在温度梯度荷载不断的作用下,轨道板与砂浆层之间会脱粘开裂,出现离缝,是无砟道床伤损形式之一。选择华东地区一高速铁路路基段设置测试工点,对轨道结构温度梯度及气温进行监测,并计算轨道板温度梯度极值。计算结果表明,测试期间出现的最大正温度梯度超过设计规定值。基于此,采用有限元方法建模并计算分析温度梯度荷载作用下轨道板与砂浆层间离缝的特征。结果表明,90℃/m正温度梯度荷载作用下,离缝由板端开始产生,并随温度梯度增大逐渐向板中心区域扩展。这与现场调研情况吻合。华东地区高速铁路线路高温季节出现过大的正温度梯度是轨道板与砂浆层间离缝产生和发展的主要原因之一。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板机理及整治措施深化研究

CRTSⅡ型板式无砟轨道在高温季节起拱、胀板,危害运营安全。基于运营及养护维修实践,分析得出温度荷载是轨道板胀板的主要因素,其中整体升温荷载引起结构纵向伸缩变形,温度梯度荷载引起轨道板翘曲变形。另外,轨道板与CA砂浆层间受到水、温度荷载、列车荷载等外部因素作用,导致结构分层,轨道板与底座板不能共同受力,削弱了纵连轨道结构体系的整体抗压刚度、竖向约束和稳定性能,是胀板病害进一步发展恶化的次要因素。为了有效防止CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板,在不破坏设计结构的前提下,提出轨道板预先植筋加固处理的整治措施,并在实践中取得了良好的效果。后续可根据胀板机理,进一步开展隔热涂层、CA砂浆改性等方面的研究。     

简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道伸缩力影响因素分析

桥上无砟轨道受力比较复杂,桥上无砟轨道无缝线路的稳定性直接影响高速列车的行车平稳与安全。基于有限元法和梁轨相互作用理论,建立了6×32 m混凝土简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究温度荷载作用下钢轨、轨道板及底座板的受力变形特性,并对相关影响参数进行分析。结果表明:在温度荷载作用下,钢轨伸缩力的峰值出现在桥梁墩台及跨中,钢轨的纵向位移呈现先增后减的趋势,在中间两跨达到最大值,钢轨和轨道板的纵向伸缩趋势基本一致,表明扣件起到了很好的约束作用;桥上采用小阻力扣件可改善桥上无缝线路梁轨相互作用,但要充分考虑轨板相对位移不能过大,保证钢轨在桥台处的爬行能够得到有效控制;从减小桥上轨道结构伸缩力及纵向位移考虑,桥梁墩台固定端纵向刚度不宜过大。     

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。     

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。     

CRTSⅠ型板式无砟轨道凸形挡台树脂离缝成因分析

针对目前在桥梁地段CRTSⅠ型板式无砟轨道凸台周围树脂离缝,建立CRTSⅠ型板式轨道力学模型,采用可压缩超弹单元模拟树脂层,分析不同扣件阻力、轨道板与CA砂浆间的摩擦阻力条件下的填充树脂层受力。结果表明:在纵向荷载作用下,一旦树脂层发生塑性变形,随着荷载消失和温度下降,树脂层将无法完全回弹,因而产生离缝,并在梁端转角和列车振动荷载作用下进一步发展;在扣件纵向阻力较大时,树脂层会从轨道板下表面与树脂层相接触的位置剪切破坏;轨道板与CA砂浆层之间的摩擦阻力对树脂层的压缩位移和剪切应力的影响不大。     

CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂对轨道受力的影响分析

为分析CRTSⅡ型板式无砟轨道假缝开裂对轨道受力性能的影响,以桥上Ⅱ型板式无砟轨道为例建立模型,应用有限元法,计算分析不同数量和不同深度的假缝裂缝在不同荷载作用下对Ⅱ型板式轨道受力性能的影响。结果表明,对比列车荷载和温度梯度的影响,正温度梯度作用下,假缝开裂对轨道结构的受力影响最大,裂缝深度小于200 mm时,裂缝处混凝土会发生局部受压破坏;裂缝深度达到200 mm时,开裂会导致底座板和砂浆层的连带破坏;随着开裂数量的增加,砂浆层和底座板的应力峰值减小。不同荷载作用下,假缝开裂都会导致裂缝处纵连钢筋应力的突变,但不会导致纵连钢筋的屈服破坏。     

无砟轨道层间离缝对时速400 km高速铁路车辆-轨道系统动力特性影响

CRTSⅢ型板式无砟轨道在我国高速铁路中得到了广泛应用,在长期列车荷载与温度等因素共同作用下,轨道板与自密实混凝土层的脱黏与离缝已成为该种轨道结构的典型病害。为研究时速400 km条件下,板边层间离缝对于车辆-轨道系统动力特性的影响,通过建立高速车辆-无砟轨道空间动力学模型,系统分析不同离缝程度对行车系统动态响应的影响。研究结果表明：离缝主要影响轨道结构振动,对车体振动和车辆运行平稳性影响不大;离缝扩张使得轨道板振动位移和振动加速度幅值显著增大,速度提高时其影响更为明显;离缝劣化容易提高轮重减载率,导致轮对振动加速度幅值增大,随着离缝继续扩展至轨下区域,轮轨接触状态逐渐恶化,严重时将危及高速行车的安全性。综合分析表明,既有高速铁路维修标准对时速400 km高速铁路具有一定适应性。     

CRTSⅡ型板式轨道施工过程中轨道板受力特性分析

无砟轨道早期病害是影响其长期服役寿命的重要因素。应用 CRTSⅡ型板式轨道有限元计算模型,对轨道板铺设过程中的受力特性进行了分析。计算结果表明,在轨道板起吊和精调过程中,其板面最大拉应力可能发生超过或接近混凝土抗拉强度的情况,将会引起横向裂纹;轨道板灌注 CA 砂浆层后,纵连前板角区域温度翘曲应力超过 CA 砂浆层抗压强度,容易出现离缝;轨道板纵连后温度翘曲应力则大为降低。加强起吊过程控制、调整精调千斤顶位置与及时进行轨道板纵连是控制CRTSⅡ型板式轨道早期病害的重要手段。     

CRTS Ⅰ型水泥乳化沥青砂浆充填层服役现状

为考察CRTS Ⅰ型板式无砟轨道水泥乳化沥青(CA)砂浆充填层的服役现状,对严寒/高寒、寒冷及温暖地区的典型线路进行调研。调研结果显示:温暖和寒冷地区的高速铁路CA砂浆充填层性能良好,仅存在少量充填层板角离缝等问题;而严寒地区的高速铁路CA砂浆充填层向阳面的砂浆灌注袋破损比较明显,而且部分线路的CA砂浆充填层灌注口处或充填层纵向中部位置出现少量竖向裂纹。综合分析认为,运营线路所处的气候环境是影响CA砂浆充填层服役性能的关键因素。     

CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆疲劳寿命分析

根据CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构特征与受力特征,将钢轨假设为点支撑梁,扣件和基础的弹性假设为弹簧,轨道板、CA砂浆和底座板分别假设为实体,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道的有限元模型,以Palmgren-Miner线性疲劳累计损伤准则为基础,采用全寿命分析方法对CA砂浆在不同列车荷载作用下的疲劳寿命进行分析,得到CA砂浆层的疲劳寿命分布和危险点的寿命值。     

广珠城际轨道交通框架板式无砟轨道结构分析

研究目的：框架板式无砟轨道是一种新型轨道结构，广珠城际轨道交通采用框架板式无砟轨道，但目前国内尚未建立系统的设计方法。通过本文研究，建立框架板式无砟轨道计算模型和结构计算方法，掌握框架板式无砟轨道受力和变形的基本规律，为框架板式无砟轨道设计提供理论依据。 研究结论：框架板式无砟轨道具有良好的技术经济性，采用框架型板式轨道对于降低轨道板翘曲的影响是有利的。本文建立的无砟轨道计算模型和结构分析方法能够考虑列车荷载、温度荷载、路基不均匀沉降和桥梁挠曲等因素，可以系统地进行框架板式无砟轨道结构分析，进而掌握框架板式无砟轨道受力和变形的基本规律。通过设计参数（CA砂浆弹性模量、扣件刚度、基础不均匀沉降）对框架板式无砟轨道受力和变形的影响分析，可见轨道板和底座的受力和变形随着CA砂浆弹性模量的增加而减少，随着扣件刚度的增大而增大，随着不均匀沉降量的增大而增大。