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。     

无砟轨道弹性地基梁板模型

根据无砟轨道的结构和受力特点,采用弹性点支承梁模拟钢轨、板壳单元模拟无砟轨道各结构层,建立无砟轨道弹性地基梁板模型,进行无砟轨道各结构层的荷载弯矩计算,并与弹性地基叠合梁模型及弹性地基梁体模型进行对比.结果表明:弹性地基梁板模型更符合无砟轨道结构的受力特点,能够有效地反映承载层的空间弯曲变形;在该模型的钢轨上施加轮载可直接得到无砟轨道各承载层的纵、横向弯矩,既克服了弹性地基叠合梁模型忽略无砟轨道纵、横向变形协调条件,将纵、横向弯矩分开计算而造成的较大计算误差的缺点,也克服了弹性地基梁体模型层间约束强且计算繁琐的缺点.弹性地基梁板模型计算的结果与遂渝线实测结果基本吻合,验证了模型的合理性和有效性.     

实测温度下大跨度桥上纵连无砟轨道受力研究

研究目的:既有桥上纵连板式无砟轨道研究多考虑桥梁整体温度变化而忽略温度梯度的影响,为探明高速铁路大跨度桥上纵连板式无砟轨道系统受力规律,本文基于长期实测温度场数据,利用统计方法获得结构具有概率保证的非线性温度模式,建立考虑钢轨-轨道板-底座板-梁体-桥墩的空间一体化有限元模型,选取沪昆客运专线某大跨连续梁桥工程实例,计算分析实测非线性温度模式下桥上各层轨道结构相对位移以及钢轨纵向附加力的分布规律。研究结论:(1)只考虑轨道板及底座板实测温度模式时,钢轨附加应力基本为0;(2)桥梁温度梯度会引起梁缝处钢轨附加应力的急剧增大,在研究桥上纵连板式无砟轨道时需考虑桥梁温度梯度的影响;(3)大跨度连续梁桥固结机构处水泥沥青砂浆变形会超过其实测极限变形位移,建议在连续梁固结机构上方同样设置剪力钢筋;(4)无砟轨道断板会导致钢轨附加应力急剧增大,因此应严格限制纵连板式无砟轨道断裂的发生,若需更换轨道板及底座板时,应在合龙温度范围进行更换;(5)本研究结果可为大跨度桥上纵连板式无砟轨道的设计与改进提供参考。     

高铁长大桥上不同无砟轨道无缝线路受力研究

研究目的:为对比桥上铺设不同无砟轨道时对应无缝线路受力规律,本文基于有限元方法及梁轨相互作用原理,分别建立大跨度桥上纵连板式、单元板式及双块式无砟轨道有限元模型,分析实测温度工况及制挠力耦合作用下,不同无砟轨道对应的无缝线路受力规律及桥梁理论最大温度跨度,并比较制动墩墩顶刚度、扣件阻力等参数对无缝线路受力及最大温度跨度的影响。研究结论:(1)相同桥梁温度跨度下,双块式无砟轨道钢轨附加应力最大,纵连板式无砟轨道钢轨附加应力最小,且纵连板式无砟轨道钢轨附加应力远小于铺设单元板式或双块式无砟轨道时对应钢轨附加应力;(2)采用常阻力扣件时,当制动墩墩顶刚度由1 500 k N/cm增大到8 000 k N/cm时,单元板式无砟轨道最大温度跨度由93.3 m增大到105 m,双块式无砟轨道最大温度跨度由60 m增大到75.8 m,而纵连板式无砟轨道钢轨附加应力受墩顶刚度的影响很小;(3)纵连板式无砟轨道对应桥梁最大温度跨度需同时考虑钢轨附加应力及墩顶纵向位移限值;(4)扣件阻力大小对单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力影响较大,采用小阻力扣件后,两者对应最大温度跨度分别增大约1.5、2.0倍,小阻力扣件可以有效的减小单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力;(5)本研究成果可为不同无砟轨道应用及对应桥梁跨度设计提供参考。     

高速铁路无砟轨道—路基变形计算模型的研究

基于高速铁路路基工后沉降产生于地基沉降变形的机理及无砟轨道各结构层间关系的处理,研究高速铁路无砟轨道—路基变形计算模型。以双块式无砟轨道为例,以下部边界分别为地基面和路基面,道床板与支承层间的关系分别按层间接触和层间结合良好考虑,构建不同条件下的无砟轨道—路基变形计算模型。采用ABAQUS软件进行模型的计算,结果表明,下部边界为地基面和层间关系按接触考虑的计算模型能够反映轨道长波不平顺产生于路基变形的机理,计算结果符合双块式无砟轨道实际的结构特点和受力特征;而下部边界为路基面和按层间结合良好构建的无砟轨道—路基变形计算模型,由于支承层直接承受输入的"强制性"变形荷载,改变了无砟轨道适应路基变形的协调关系,从而导致路基变形引起的无砟轨道层间离缝及支承层产生的拉应力计算值过大,不符合双块式无砟轨道的结构设计原理。由此验证了下部边界为地基面及无砟轨道各结构层按层间接触构建无砟轨道—路基变形计算模型的合理性和可靠性。     

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。     

桥上纵连板式无砟轨道无缝线路力学性能分析

基于有限元法,考虑钢轨、无砟道床、滑动层、桥梁等结构的相互作用关系,建立桥上纵连板式无砟轨道无缝线路纵-横-垂向空间耦合模型,进行滑动层摩擦系数、扣件纵向阻力、无砟道床伸缩刚度等对桥上纵连板式无砟轨道无缝线路的受力和变形影响规律的研究.结果表明:滑动层减弱了桥梁、轨道间的相互作用,当滑动层摩擦系数为0.1～0.5时,无缝线路伸缩力仅为22.821～55.361 kN,远小于一般桥上无缝线路结构;滑动层摩擦系数越小越有利于轨道和桥梁结构的安全使用;底座板/轨道板的伸缩刚度减小会明显增大部分轨道和桥梁的受力,伸缩刚度折减至10％时,伸缩力会增大近6倍,因此应该注意控制底座板和轨道板的开裂现象;扣件的纵向阻力变化对轨道和桥梁结构的受力和变形几乎没有影响,但为了防止钢轨爬行或断缝值超限,扣件阻力不宜太小.     

高铁单元板式无砟轨道大跨梁端适应性对比

研究目的:为研究不同类型单元式无砟轨道无缝线路在大跨桥上的适应性,本文建立无缝线路-无砟轨道-桥梁空间耦合分析模型,对温度荷载作用下CRTSⅠ型和CRTSⅢ型板式无砟轨道各层纵向受力与变形、层间错动位移以及限位结构受力进行对比分析,并对运营过程中可能出现的扣件纵向阻力增加对两种无砟轨道在大跨桥上的适应性进行比较。研究结论:(1)两种无砟轨道无缝线路在连续梁端处受力与变形最大,但二者之间的差异较小;(2)扣件纵向阻力的增加将带来连续梁端位置处无缝线路受力增加,变形量减小;(3)CRTSⅢ型板式无砟轨道层间限位刚度大于CRTSⅠ型板式无砟轨道,因此扣件纵向阻力增加导致的CRTSⅠ型板式无砟轨道层间错动位移增加更加明显;(4)梁端限位结构在升降温过程中纵向受剪明显,其中CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端半圆形凸台因单侧承力,纵向剪切效应更加显著,且随桥上扣件纵向阻力的增加而急速增加;(5)总体看来,两种无砟轨道的选用对大跨桥上无缝线路设计的影响基本无差异,但在轨道纵向几何形位保持以及大跨梁端限位结构受力方面,CRTSⅢ型板式无砟轨道表现出了较好的适应性;(6)本研究成果可为今后大跨度桥上板式无砟轨道的选型提供理论指导。     

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。     

接缝弱化后纵连板式无砟轨道温度效应研究

目前,纵连板式无砟轨道夏季高温胀板问题严重。高温产生的巨大温度应力导致轨道结构发生众多病害,其中,轨道板上拱尤为严重,已威胁高速列车的运营安全。为有效释放结构内部的温度应力,减少病害发生,通过建立设有弹性填充层的纵连板式无砟轨道计算模型,引入内聚力单元和混凝土损伤塑性本构,探讨两种节段长度及不同弹性模量下,整体温升作用时,宽窄接缝弱化对轨道结构应力、变形及损伤的影响。研究表明：(1)设置弹性填充层后,轨道板和接缝的纵向应力均得到一定程度释放,但会伴随着发生局部偏心和应力增加;(2)弹性填充层的设置会使接缝、轨道板和层间界面损伤产生的临界温升降低,结构损伤较大时,轨道板和接缝的应力释放会受到限制,并且弹性填充层附近也会产生一定上拱增量;(3)两种节段长度下,损伤和应力释放量均会随着弹性模量降低逐渐增大,因此,节段长度为4块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于1 775 MPa并低于3 550 MPa,节段长度为3块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于355 MPa并低于1 775 MPa;(4)两种节段长度下,随着弹性模量降低,轨道板和钢轨最大上拱增量逐渐增大,对于钢轨,两种节段长度下的...     

温度力作用下单元板式无砟轨道钢轨横向变形研究

为了研究无砟轨道钢轨横向稳定性,以曲线上单元板式无砟轨道无缝线路为对象,建立包括钢轨、扣件、轨道板和限位部件的无砟轨道钢轨横向变形计算模型,结合不同轨道板长度分析钢轨在温度力作用下的横向变形特性,讨论不同、限位部件弹性和初始弯曲半波长对钢轨横向变形幅值和扣件横向抗力的影响。计算表明,巨大温度力可导致钢轨沿线路纵向产生以轨道板为波长的周期横向不平顺,在小半径曲线地段,应采用刚度较大且塑性变形小的弹性限位垫层材料,重视半波长过小的初始弯曲的治理,并加强对钢轨横向位移和板端扣件使用状态的监测。     

温度和列车动荷载作用下双块式无砟轨道道床板损伤特性研究

采用混凝土损伤塑性模型描述双块式无砟轨道道床板的力学行为,以变温作用下道床板最大损伤状态作为初始条件、车辆—双块式轨道耦合动力分析得到的各钢轨支点压力作为轨道路基的外部激励,进行变温和列车动荷载共同作用下道床板损伤的演变规律及道床板损伤对结构受力影响的研究.结果表明:在降温过程中道床板会发生横向弯曲变形,产生损伤,导致受拉承载力下降;在升温过程中由于降温导致的道床板拉伸损伤不可恢复,所以道床板损伤值不变,最终保持在0.23左右,但刚度出现恢复现象;车辆经过已损伤的道床板时,道床板内部裂纹交替张开与闭合,刚度出现短暂的部分恢复阶段,刚度退化系数最大幅值为0.057,而道床板损伤值不变,且道床板的位移和加速度幅值、支承层与基床表面的动应力幅值均比无损伤时增大,拉应力幅值减小;损伤塑性模型能很好地反映道床板混凝土的软化及刚度退化行为.     

Ⅰ型板式轨道上的扣件在曲线地段的调高调距分析

研究目的:Ⅰ型板式无砟轨道在曲线地段铺设时,由于轨道板是3～6m长的直线形混凝土板,板上扣件受扣件正矢、曲线超高等因素的影响,轨道板上的扣件会丧失一部分调高调距能力。为此,本文就扣件在曲线地段损失的调高调距能力进行详细、具体的计算分析。研究结论:在小半径曲线地段轨道板上的扣件调高调距能力丧失较多,Ⅰ型板式无砟轨道尽量铺设在曲线半径不小于1 600 m的地段;曲线半径越大,扣件正矢就越小,钢轨之间的轨距调整量的损失就越小,线路在运营养护阶段的轨距调整富余空间就大,同时轨道板上超高递减差就越小,这样既有利于施工,又有利于今后的养护维修。     

重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

为给孟加拉帕德玛大桥铁路连接线桥上无砟轨道结构选型提供依据,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析不同轴重货车通过桥上不同类型无砟轨道时的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,桥上无砟轨道部件的动力响应明显增大;从降低轨道结构位移的角度考虑,优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构;从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑,应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。重载铁路桥上无砟轨道选型应综合考虑桥上无砟轨道的动力特性、线路特点及其与相关专业的接口等因素综合确定,相关成果可为重载铁路桥上无砟轨道选型提供参考。     

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。     

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。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

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。     

梁体温差对桥上无砟轨道横向稳定性影响研究

随着桥上无缝线路在运营中出现各种病害,桥上无砟轨道的横向稳定性问题越来越引起重视。基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道横向稳定性分析模型,分别计算分析梁体在均匀温度和双向温度梯度下对无砟轨道结构横向变形的影响,有益于进一步深入研究桥上无砟轨道的横向变形机理。结果表明:与均匀温度荷载相比,双向温度梯度荷载对无砟轨道结构横向变形影响相对较小,但对钢轨轨距的影响较大,桥上无砟轨道结构的横向稳定性受梁体伸缩附加力与梁体几何形变的共同影响。因此建议在设计桥上无缝线路时,无论考虑哪种梁体温差荷载,都需要对桥上无砟轨道结构的横向稳定性进行检算。