CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角裂缝成因分析

针对京沈铁路客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂的普遍现象,采用现场调研、理论分析和仿真计算相结合的方法,并利用ABAQUS有限元仿真软件建立底座凹槽四角开裂分析模型,从温度变化和混凝土收缩两方面对其进行了研究,得出了在温度梯度和混凝土收缩作用下底座凹槽四角的应力分布情况,揭示了其开裂的原因(当负温度梯度超过25℃时,即底座顶面温度低于底面温度5℃时,凹槽四角处应力就达到混凝土抗拉强度标准值,且混凝土收缩对底座凹槽四角开裂也有一定的促进作用),从而确定了相应的防控措施(加强底座养护以控制温差和混凝土收缩、优化底座凹槽四角形状减少应力集中、掺加合适的纤维提高混凝土抗拉强度等),取得了良好的控制效果,以期为同类工程提供参考和借鉴。     

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。     

自密实混凝土性能劣化对CRTS Ⅲ型板式轨道荷载效应的影响

充填层是CRTS Ⅲ型板式轨道的核心部件,由于板式轨道是典型的“三明治”结构,充填层易受环境的影响而出现性能劣化,从而对轨道结构不利。为探究充填层自密实混凝土性能劣化对板式轨道荷载效应的影响,采用ABAQUS软件并结合已有的充填层混凝土损伤研究结果,建立充填层整体损伤工况和更接近实际使用情况的充填层梯度损伤工况的轨道结构有限元模型,计算轨道结构在不同工况的列车荷载和温度荷载下,轨道板、充填层和底座板的应力与位移变化情况,分析充填层疲劳损伤对轨道结构整体性能的影响。结果表明,充填层混凝土的整体损伤将导致充填层刚度显著下降,在列车和温度荷载下,轨道板和充填层组成的复合板易出现各方向的位移,使轨道结构出现局部磨耗增加和轨道不平顺等现象;充填层受荷时各向应力均大幅减小,轨道板的总体应力上升且易出现应力集中,底座板应力相较于其上部结构受充填层性能变化的影响较小。充填层出现四周梯度损伤时,不同荷载作用下,从损伤区至未损伤区应力和位移表现为连续变化,未出现明显的应力集中和应力突变;不同荷载作用下,轨道结构出现损伤的区域应力明显下降,但未发生损伤的板中部区域应力上升,加速了板中部区域的动载疲劳效应,...     

施工早期CRTSⅢ型无砟轨道底座板凹槽角裂纹萌生原因分析

针对CRTSⅢ型无砟轨道在施工阶段底座板凹槽角出现开裂的问题,通过建立考虑水化热、浇筑温度和混凝土收缩的无砟轨道有限元模型,计算施工期间不同浇筑温度影响下凹槽的应力场,并与混凝土抗拉强度进行对比,假定应力值超过混凝土抗拉强度就会有开裂的可能,从而得到不同浇筑温度对底座板凹槽角开裂的影响。结果表明:浇筑温度大于22℃时,底座板凹槽角存在开裂的可能,应尽量避免在该温度范围施工;控制浇筑温度和采取降温措施是避免底座板凹槽角发生开裂的有效手段。     

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。     

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道连续性结构施工技术

以京沈高铁三棱山隧道为工程背景,借鉴既有高铁CRTS Ⅲ型板式无砟轨道技术研究与应用经验,对施工技术进行再创新。取消隔离层土工布、自密实混凝土轨道板与底座形成牢固的复合结构,底座设置为素混凝土,取消底座钢筋、限位凹槽弹性缓冲垫层,并对优化设计的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道进行试验性施工;通过线下大量工艺性揭板试验总结最佳浇筑方式,实现了2块轨道板自密实混凝土的同时浇筑;通过钢筋或网片整体绑扎使钢筋连续,且每隔2块轨道板设置1道横隔带以方便混凝土浇筑,实现了多块轨道板下自密实混凝土连续形成整体。连续性无砟轨道具有更好的经济性,可简化施工工艺,改进施工工装,降低工程投资。     

双块式无砟轨道轨枕与道床交界面损伤特性分析

CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道道床板为现浇混凝土部件结构,轨枕为预制结构部件,在新、旧混凝土交界处存在界面易开裂的问题。建立CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道有限元模型,用cohesive内聚力单元模拟运营阶段轨枕与道床交界面,研究运营阶段在列车荷载和温度荷载作用下轨枕与道床交界面力学特性。结果表明:整体降温作用下,道床与轨枕交界面长边先出现损伤,并扩展到轨枕角处的交界面;交界面短边沿道床深度界面损伤逐渐变小,底部损伤只发展到轨枕角;在正温度梯度作用下,交界面主要不利受力区域为4个轨枕角及长边中上部区域,易出现损伤;在负温度梯度作用下,交界面长边受拉破坏,轨枕角交界面上部发生破坏;仅列车荷载作用下,不会造成界面破坏。     

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CRTSⅢ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,冻胀变形导致的结构层间离缝在过渡段变形起始位置最严重;冻胀变形导致的结构层间离缝峰值较大,复合板与底座板、底座板与路基层间离缝的峰值分别为3.39和5.91 mm,而沉降变形导致的结构层间离缝范围较大;温度荷载与沉降变形共同作用导致底座板出现初始裂纹的沉降变形从沉降变形单独作用时的25.5 mm大幅减小到10.4~18.3 mm;温度荷载与冻胀或沉降变形共同作用复合板与底座板层间离缝峰值均发生在轨道板板缝处,分别为5.47和4.97 mm;当冻胀或沉降变形与在过渡段变形末端或变形起始点左侧的列车荷载共同作用时,底座板的损伤最为严重。     

桥上纵连板式无砟轨道初始状态特征统计分析

研究目的:目前,关于纵连板式无砟轨道可靠度的研究均基于假设的经验分布模型。为了探究依据实测数据统计分析纵连板式无砟轨道结构性能和状态的随机分布特征,本文依托肖家河特大桥工程实例,对华中地区简支梁桥上的轨道板、底座板及宽窄接缝强度大小和开裂情况进行现场测量和统计。研究结论:(1)现场无砟轨道结构强度大小近似呈高斯分布,其中,轨道板强度概率密度函数服从均值为54.56 MPa、方差为0.98的正态分布,底座板强度概率密度函数近似服从均值为36.58 MPa、方差为2.15的正态分布,相比现浇混凝土底座板,预制轨道板强度更接近于理论值,且离散性相对较小;(2)宽窄接缝强度概率密度函数近似服从均值为45.44 MPa、方差为1.52的正态分布,现场宽窄接缝的强度难以达到理论设计强度,为防止后期宽窄接缝开裂和破损,建议改进宽窄接缝施工技术或增加宽窄接缝混凝土标号;(3)曲线梁上,底座板超高侧裂缝宽度大小概率密度函数近似服从均值为0.11 mm、方差为0.07的正态分布,非超高侧裂缝宽度大小近似服从均值为0.07 mm、方差为0.04的正态分布,底座板超高侧裂缝数量及宽度大小均大于其非超高侧裂缝数量及宽度大小,桥上底座板早期裂缝数量及宽度大小均与距梁端距离无关;(4)本研究成果可为无砟轨道系统设计计算和可靠度安全分析提供参考。     

温度梯度荷载对CRTS Ⅱ型板式轨道层间损伤影响

研究目的:为探明温度梯度荷载对砂浆层和轨道板层间连接的影响,建立包含层间内聚力模型的CRTSⅡ型板式轨道有限元模型,分析正、负温度梯度荷载对层间离缝产生、发展及对轨道结构变形的影响,对比两种温度梯度荷载的影响差别.研究结论:(1)CRTS Ⅱ型板式轨道层间连接损伤区域和轨道结构变形均随温度梯度荷载的增加而增大,相同数值...     

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%。     

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。     

桥上CRTS Ⅱ型底座板疲劳时变可靠性研究

主要研究桥上CRTS Ⅱ型底座板在列车荷载、温度荷载、桥梁变形共同作用下的疲劳时变可靠性。为探讨列车荷载、温度梯度、桥梁变形的作用效应，依据CRTS Ⅱ型底座板混凝土、钢筋的疲劳性能，建立列车荷载、温度荷载、桥梁变形共同作用下的CRTS Ⅱ型底座板混凝土弯压和钢筋弯拉时的疲劳时变极限状态函数，分析混凝土疲劳强度、温度梯度、混凝土疲劳弹性模量、桥梁变形曲率、模型不确定系数、列车荷载产生弯矩的统计特征，采用PHI2方法开展底座板疲劳时变可靠性分析，并与传统时点可靠度方法的分析结果做对比，探讨底座板疲劳时变可靠指标对列车荷载、温度梯度、桥梁变形曲率的敏感性。研究结果表明：在底座板服役期内，底座板轨下截面处的混凝土弯压和钢筋弯拉的疲劳时变可靠指标均满足规范要求；传统时点可靠度方法求得的可靠指标偏大，给CRTS Ⅱ型轨道结构营运带来安全隐患；桥梁变形曲率的变化对疲劳可靠指标的影响最大，列车荷载的影响相对较小，温度梯度对可靠指标几乎无影响；荷载参数的均值大于变异系数对可靠指标的影响。研究成果可辅助确定CRTS Ⅱ型底座板养护维修的时间和方式，为高速铁路结构的运维提供理论参考。     

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。     

组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道疲劳特性

基于列车—轨道—桥梁耦合动力学理论、无砟轨道与桥梁间纵向相互作用理论及无砟轨道温度场和温度效应理论,建立考虑服役期间无砟轨道钢筋与混凝土的相互作用、无砟轨道混凝土的开裂与闭合效应、无砟轨道荷载时变特性共同作用的桥上纵连板式无砟轨道疲劳寿命预测方法。以高速铁路32m多跨简支箱梁桥上无砟轨道为例,运用该方法研究组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道的疲劳特性。结果表明:为了较准确地预测服役期间桥上纵连板式无砟轨道的疲劳特性,必须同时考虑列车荷载、温度荷载及温度梯度荷载的共同作用;桥上纵连板式无砟轨道的疲劳寿命由梁端处的轨道控制,梁端处轨道板底面混凝土和底座板顶面混凝土更易发生疲劳破坏;气候环境和无砟轨道裂缝间距对桥上纵连板式无砟轨道各部件的疲劳特性有很大影响,武汉地区无砟轨道的轨道板混凝土、底座板钢筋、底座板混凝土的疲劳寿命分别是哈尔滨地区的2.5,3.9和222.6倍,当裂缝间距由2倍扣件间距变为1倍时,无砟轨道钢筋的疲劳寿命增加10倍以上。     

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道温度梯度试验研究

根据现场监测数据,对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度变化规律、温度梯度与太阳日辐射强度、日最高气温等环境因素的相关性进行了统计分析。研究结果表明:复合轨道板最大正、负温度梯度分别为0.69,0.35℃/cm;日最大正温度梯度一般出现在14:00—15:00,日最大负温度梯度一般出现在5:00—8:00;春夏季复合轨道板的温度梯度较其他季节大;复合轨道板正、负温度梯度均呈非线性分布,10:00—12:00非线性分布特性更为显著;日最大正温度梯度与日太阳辐射总量、日最高气温相关性较好,可根据本文获得的回归方程推测不同地区复合轨道板的日最大正温度梯度。     

多物理场耦合作用下地铁双块式无砟轨道道床板疲劳损伤开裂行为研究

为研究复杂作用条件下的道床板损伤变化规律,以混凝土塑性损伤模型为基础,对其施加温度荷载以及地铁列车-轨道耦合动力学分析下得到的外部激励,建立地铁列车-轨道-路基耦合动力学模型并进行分析.结果 表明:当温度下降时,道床板会产生横向变形,其内部会产生裂缝,出现损伤并使刚度下降,混凝土材料出现软化,结构受拉承载力下降;而在随后的温度上升过程中,道床板损伤值保持不变,最终稳定在0.19左右.列车通行会加速混凝土道床板的裂缝发展,虽然当列车动荷载施加于道床板上时,其内部裂缝短暂闭合、刚度出现暂时性恢复,但由于裂缝周期性开合,最终导致混凝土道床板裂缝扩大,最后形成贯通裂缝.     

市域铁路路基地段双块式无砟轨道结构设计

我国市域铁路的建设尚处于起步阶段,需要对160 km/h速度的市域铁路设计标准和轨道结构进行相关研究。依托北京新机场线工程实践应用,着重研究了双块式无砟轨道结构在160 km/h市域铁路路基地段的稳定性和安全性,基于极限状态法计算了多种荷载组合下的受力情况,并对道床板和底座板进行了配筋设计和裂缝检算。研究表明:①160 km/h速度条件下,路基地段轨道结构各动力响应指标均在限值范围内,车体脱轨系数和轮重减载率指标数值均较小,能够保证轨道结构的稳定性和列车行驶的安全性。②温度作用对道床板和底座板的受力影响较大,在设计荷载中占据主导因素。③道床板和底座板底部纵向弯矩均在荷载偶然组合作用下达到最大值,配筋时应以裂缝宽度为控制指标进行设计。     

CA砂浆离缝对桥上CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的影响分析

我国高速铁路无砟轨道无缝线路发展迅速,但随着列车的运营,轨道板与CA砂浆层之间常会出现离缝,这将对无砟轨道的长期服役性能产生一定的影响。以高速铁路多跨简支梁上CRTS Ⅰ型板为例进行分析,研究板边、板端、板角、板中4种典型CA砂浆离缝病害对轨道几何形位及对无缝线路受力变形情况的影响。研究结果表明:离缝病害作用下,随着桥轨间温差变大,轨道水平偏差增幅较大,轨道高低偏差最值偏大,并且板端病害对离缝区平顺性影响大。在温度荷载作用下含病害的轨道结构伸缩受力更加明显,尤其体现轨道板、底座板上,其中板边位置的病害受力变形最为明显。在列车荷载作用下在离缝病害区域轨道结构挠曲受力情况变化较大,其中板角及板端病害影响大。根据计算结果建议在无缝线路养护维修时着重检查轨道板及底座板下表面的情况,及要注意检修钢轨正下方病害情况。     

蒸养混凝土轨道板劣化机理研究

采用现场调查、取样试验(电镜、能谱、X-衍射以及压汞)分析等方法对某城际铁路少数蒸养混凝土轨道板在使用中出现早期劣化的原因进行研究。结果表明:蒸汽养护对所研究的轨道板混凝土造成了一定的蒸养热伤损,热伤损导致轨道板表层混凝土结构疏松,孔隙率明显大于内部混凝土,且表层混凝土微裂缝增多。混凝土内部膨胀性产物主要为碱-硅酸凝胶和钙矾石。高速列车的长期动荷载作用加快了轨道板混凝土中微裂纹的变化发展,使更多的环境水渗入混凝土内部。混凝土内部骨料碱-硅酸凝胶吸水膨胀反应(ASR)和延迟钙矾石形成(DEF)的共同作用是轨道板开裂的主要原因。