桥墩温度梯度对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

针对桥墩温度梯度引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向附加力与变形, 以梁-板-轨相互作用原理和有限元法为基础, 建立了多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型, 详细考虑了钢轨、轨道板、CA砂浆、底座板及桥梁等主要结构和细部结构的空间尺寸与力学属性; 采用单位荷载法计算了桥墩纵向温差作用引起的墩顶纵向位移, 分析了墩顶位移影响下桥上无砟轨道无缝线路纵向力与位移的分布规律。分析结果表明: 当各墩顶发生均匀位移时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力分布规律及其最大值一致, 且随着墩顶均匀位移的增加而线性增大, 轨板相对位移峰值均出现在两侧桥台、台后锚固结构末端以及第2跨和最后一跨固定支座墩顶处; 当墩顶均匀位移为5 mm时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上钢轨最大纵向力分别为79.62和79.54 kN, 最大纵向位移分别为4.94和4.91 mm, 轨板最大相对位移均为0.23 mm; 当各墩顶发生不均匀位移时, 钢轨纵向力及轨板相对位移均在邻墩位移存在差异处发生突变, 多跨简支梁桥上固结机构纵向受力大于大跨连续梁桥; 对于高墩桥梁, 需重点关注相邻墩身高差最大处的轨板相对位移、底座板与桥梁相对位移及固结机构的纵向受力。      

桥上Ⅱ型板式无砟轨道纵向力智能分析系统

为实现桥上Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路纵向受力与变形分析的智能化，考虑了桥梁结构、轨道板以及钢轨之间的相互作用，利用有限元法建立了多跨简支梁和大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路精细化有限元模型；采用C#语言对ANSYS进行二次开发，研发了集参数输入、有限元建模、荷载施加、自动计算、数据提取及数据智能处理于一体的纵向力智能分析系统。通过与已有文献对比，验证了智能分析系统的通用性和可靠性,可为桥上Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路的设计提供参考。     

列车荷载下桥上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道挠曲力与位移

针对中国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道在运营阶段的受力变形问题, 以梁-板-轨相互作用原理为基础, 考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土层及底座板等细部结构的空间尺寸与力学属性, 运用有限元法建立了高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型; 计算了列车荷载作用下轨道及桥梁结构的挠曲力与位移, 分析了不同列车荷载作用长度、桥上扣件纵向阻力及墩台顶固定支座纵向刚度对挠曲力与位移的影响。研究结果表明: 在全桥加载情况下, 多跨简支梁桥上钢轨挠曲力在支座处表现为拉力, 跨中表现为压力, 大跨连续梁主桥上钢轨挠曲力在两侧边跨表现为拉力, 中间跨表现为压力, 单线加载时2种桥上有载侧钢轨挠曲力分别达到了38、53 kN, 约为双线加载时的1/2;轨道、桥梁结构纵向力与位移最大值不同时出现在同一工况下, 需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度, 并将ZK活载中的集中力设置在跨中位置; 采用小阻力扣件可以改善钢轨受力与变形, 简支梁桥和连续梁桥上钢轨最大挠曲力分别减小了35%和22%, 钢轨纵向位移分别减小了7%和5%, 但轨板相对位移分别增大了26%和30%, 需加强观测以控制钢轨的爬行; 从轨道及桥梁结构的安全性与耐久性角度考虑, 建议将墩台顶纵向刚度控制在设计值的1.0~1.5倍范围内。      

刚构桥上无砟轨道无缝线路静力特性分析

针对刚构桥上无砟轨道无缝线路的受力与变形进行研究，以梁-板-轨相互作用原理为基础，分别建立刚构桥上CRTSⅢ型板式和CRTSⅠ型双块式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，计算伸缩、挠曲、制动、断轨工况下轨道结构和桥梁纵向力及位移，并对两种轨道结构静力特性进行对比分析，为刚构桥上无缝线路轨道结构设计提供参考。结果显示：在温度荷载、列车荷载作用下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时钢轨纵向力更小，但轨板相对位移增幅明显，可能产生安全隐患；在列车制动荷载工况下，采用CRTSⅢ型板式轨道结构时钢轨纵向力与轨板相对位移均更小；在断轨工况下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时断缝值超过了规范容许限值。建议在刚构桥上采用CRTSⅢ型板式无砟轨道。     

CRTS Ⅱ型板断裂条件下桥上无缝线路伸缩力特性

为了研究桥上CRTSⅡ型轨道板断裂条件下轨道、桥梁结构纵向受力变形规律及其影响，基于有限元法和梁-板-轨相互作用机理，建立桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，分析不同轨道板断缝位置、断缝宽度、裂缝深度及轨道板、底座板伸缩刚度对断板条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力分布规律的影响. 研究结果表明:在计算轨道板断裂条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力时，应根据不同检算部件选取最不利的断板位置，建议将轨道板断缝宽度和深度分别取2 mm和200 mm、轨道板、底座板伸缩刚度折减至10%～50%，计算结果是偏安全的且不失一般性；轨道板断裂增加了断缝处CA （cement asphalt）砂浆层及底座板断裂的风险，断板侧的钢轨纵向位移及轨板相对位移均在断缝处急剧变化.      

纵连底座板断裂对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道受力的影响

考虑纵连底座板断裂建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁纵向相互作用的力学模型,采用有限元法求解力学模型,确定了无砟轨道关键参数。以某大跨度连续梁桥为例,降温幅度分别为10、20、30、40、50℃时,纵连底座板在连续梁上7个代表性位置发生断裂后,分析了钢轨、轨道板、砂浆和桥梁墩台的纵向力与位移。分析结果表明：降温幅度为30℃时,纵连底座板在连续梁上发生断裂时,钢轨和轨道板的最大纵向附加力分别为155．75、233．21 kN,断板对钢轨和轨道板纵向附加力有较大影响;降温幅度不大于10℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置发生断裂,轨道板与底座板的纵向相对位移均小于0．5 mm,砂浆不会开裂;降温幅度为50℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置断裂引起的固定支座纵向附加力最大为196．12 kN,不会直接造成桥梁固定支座破坏;建议在维修作业时,锯切纵连底座板与其铺设时的温度差应不大于10℃,并检算钢轨的强度是否能满足要求。     

桥上单元板式无砟轨道无缝线路的适应性

为研究适应连续梁桥上单元板式无砟轨道的最大温度跨度,采用有限元方法建立了线-板-桥-墩一体化计算模型,分析了在不同轨温变化幅度下,桥梁伸缩、墩顶水平位移及列车制动荷载对桥上单元板式无砟轨道无缝线路温度跨度限值的影响.研究结果表明:温度跨度限值随轨温变化幅度的增加而降低;为保证钢轨强度、横向压弯变形及钢轨与轨道板相对位移等满足要求,当考虑桥梁伸缩时,以轨温变化40 ℃为例,其适应的温度跨度限值为271 m;随着墩顶水平位移的增加,桥梁温度跨度限值显著降低,当墩顶位移为30 mm时,温度跨度为237 m,当高墩桥梁墩顶位移超过30 mm时,应结合实际墩顶位移计算温度跨度限值;制动荷载下线路坡度对温度跨度限值影响较小,当线路坡度为20‰时,桥梁温度跨度限值为258 m.      

桥梁温度跨度对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的影响

为探索桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的桥梁温度跨度的合理限值,运用线板桥墩一体化模型计算了不同温度跨度下钢轨制动力和伸缩力,基于弹性点支承梁理论分析了桥梁温度跨度对钢轨强度的影响,运用屈曲有限元分析了桥梁温度跨度对无缝线路稳定性的影响,根据钢轨与轨道板的相对位移分析了桥梁温度跨度对扣件耐久性的影响。结果表明,为保证无缝线路强度、稳定性及扣件耐久性,桥梁温度跨度的合理限值为482 m。     

特大型长联连续梁桥上无缝线路铺设方案研究

桥上无缝线路由于梁、轨的相互作用,钢轨会受到附加纵向力的作用,尤其在特大型长联连续梁桥上钢轨受到的纵向附加力更是不容忽视。本文建立了以轨道、桥梁、支座、墩台、基础为整体结构的纵向附加力计算空间有限元模型,计算了某特大型长联连续梁桥上钢轨的温度力。分析了：小阻力扣件铺设位置、铺设长度对钢轨伸缩附加力的影响;钢轨伸缩调节器铺设位置对钢轨温度力的影响。综合分析结果提出了该特大型长联连续梁桥上无缝线路的铺设方案。     

考虑桥梁伸缩的纵连底座板配筋计算方法

为优化桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵连底座板配筋设计,推导了纵连底座板刚度折减计算方法.分析了纵连底座板上的纵向力,提出其配筋设计应考虑伸缩力,并确定了伸缩力的组合系数.基于极限状态法,建立了考虑伸缩力的纵连底座板配筋计算方法,并给出了大跨度连续梁桥纵连底座板配筋的算例.研究结果表明:考虑伸缩力的纵连底座板配筋计算方法对提高其耐久性更有利,特别是对大跨度连续梁桥.      

复杂地形条件下桥上CRTSⅡ型轨道系统地震响应

为了研究复杂地形对桥上CRTS Ⅱ型轨道系统地震响应的影响, 以沪昆高速铁路线16~32 m简支梁桥为例, 考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、桥梁、固结机构、端刺与挡块等部件, 建立了多跨简支梁桥-双线CRTS Ⅱ型轨道系统非线性动力学仿真模型, 研究了桥上CRTS Ⅱ型轨道系统纵向力分布特征; 设置了4种典型地形工况, 分析了不同墩高条件下桥上CRTS Ⅱ型轨道系统地震响应规律。分析结果表明: 与非纵连轨道结构相比, 桥上CRTS Ⅱ型轨道结构最大钢轨应力相对较小, 约为138.8 MPa, 应力包络曲线呈反对称, 线形平滑; 轨道板和底座板共同承受纵向力, 其最大值均出现在桥台附近, 最大拉应力分别达到25.2、27.1 MPa, 将在地震中发生开裂; 在地震中, 端刺承受着巨大的纵向力, 可达14~20 MN; 底座板与桥面之间相对位移超过24 mm, 对系统有隔震耗能作用; 地形对钢轨、轨道板和底座板纵向力的影响约为30%左右, 对墩底剪力影响较大, 在地形发生突变处, 墩底剪力增幅达4倍; 靠近桥台处的滑动层横向变形较大, 可达2.7 mm, 随着墩高增大, 扣件与滑动层纵横竖变形增大; 在地震作用下, 滑动层普遍存在着较大的竖向变形, 桥台附近滑动层竖向变形可达43.5 mm; 在地震中, 挡块与底座板之间存在着频繁的碰撞现象, 桥台附近挡块碰撞力可达38 MPa, 挡块将发生损坏。      

桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔力学特性

为研究桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的力学特性,根据桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的特点,采用有限元方法,建立桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的纵-横-垂向空间耦合计算模型.以铺设在桥上的客运专线18号无砟轨道无缝单渡线为例,研究轨道板/底座板伸缩刚度、摩擦板长度、桥梁形式对桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔力学特性的影响.结果表明:减小轨道板/底座板伸缩刚度,对轨道结构变形影响较小,但下部结构受力明显降低,最大降幅约为90%;增加摩擦板长度,有利于控制桥上无缝道岔的受力与变形,可减小下部结构受力,当摩擦板长度由50 m增至100 m时,端刺受力可减小约18%;桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔宜铺设在连续梁上.     

道床阻力区域分布及退化对钢轨纵向力的影响

为深入探索有砟道床阻力演变对桥上无缝线路力学行为的影响,针对路基地段与桥上道床纵、横向阻力开展试验研究.以一座铁路常用双线特大连续梁桥为例,获得了桥上线路阻力分布特征,并提出实际道床在服役过程中存在局部阻力退化现象.在此基础上,建立了可考虑道床阻力非均匀分布与退化效应的桥上无缝线路纵向力学行为分析模型,开展了道床阻力分布及退化对大跨桥上无缝线路力学行为的影响分析.研究结果表明:桥上道床纵向阻力区域分布差异显著,桥跨中部纵向阻力值最大,阻力值为31.8 k N/枕,梁缝附近道床纵向阻力相对较小,阻力值为21.7 k N/枕,阻力退化效应明显;桥上道床横向阻力分布同样表现出一定区域分布特征,但退化效应并不明显,桥跨中部与梁缝处阻力值分别为31.7、25.5 k N/枕;由于受到温度荷载作用下梁体伸缩、列车动荷载作用下桥梁产生振动变位和梁端转角的影响,散体道床始终处于拉伸压缩的动态变化过程中,道床阻力表现出明显的退化特性;考虑道床阻力退化效应时,温度荷载作用下的钢轨伸缩附加力、钢轨位移、梁轨相对位移值有一定衰减,当桥梁温度跨度为140 m时,钢轨纵向附加力最大值减小约11.7%,且衰减率随着温度跨度的增加近似呈线性增长,按现有规范计算方法得到的梁轨相互作用结果偏大.     

高速铁路长大桥梁无缝线路附加挠曲力计算分析

根据高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路梁轨相互作用原理,结合京沪高铁实际情况,建立了京沪高铁整桥双线有限元模型,以10跨32 m混凝土简支箱梁桥为例,用有限元法计算分析了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路附加挠曲力及附加挠曲位移的分布。计算结果表明,列车在双线简支箱梁上单线运行时,其附加挠曲力值较小,4根钢轨的附加挠曲力值有所差别,但差别不大。钢轨附加挠曲力在桥台处较大,钢轨纵向位移则在桥梁中部较大,在桥台处较小。     

高速铁路特大桥上无缝线路纵向附加力计算

将轨道结构、桥梁及墩台基础作为一个整体系统，建立了桥上无缝线路纵向附加力计算的有限元模型，以京沪高速铁路中两座特大桥为例，研究了桥上无缝线路钢轨温度附加力、挠曲附加力的分布及其对桥梁墩台的传递规律，同时还分析了断轨力和制动附加力的影响．计算结果符合桥上无缝线路的基本原理。编制的计算软件(BCWR)，可用于高速铁路特大桥上无缝线路的设计．     

CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析

无砟轨道具有整体稳定性强、刚度均匀性好、线路平顺度高、耐久性强的突出优点,满足客运专线和高速铁路对轨道性能的要求,以板式无砟轨道为例,分别介绍了CRTSⅠ型板式无砟轨道与CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构组成、板型分类、断面尺寸和对线下工程设计要求,对两种轨道系统的技术特点进行了分析,Ⅰ型轨道板比Ⅱ型轨道板制造简单、造价稍低,Ⅱ型板式无砟轨道比Ⅰ型板式无砟轨道几何精度高、结构整体性和纵向连续性好。     

考虑界面初始黏结缺陷的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度变形

针对中国高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道界面初始黏结缺陷导致轨道结构温度变形进一步增大的现象, 基于电荷耦合器件(CCD)工业相机与计算机图片处理技术, 建立了板式无砟轨道界面空隙率试验检测系统, 测试了3块CRTSⅡ型板式无砟轨道板与水泥沥青(CA)砂浆界面的初始空隙率; 在有限元模型中以界面空隙率定量表征了界面的黏结状态, 即根据界面空隙率检测结果, 考虑界面存在一定量值的初始空隙率, 并假设这些空隙均匀分布在整个界面上, 系统分析了界面初始黏结缺陷对板式无砟轨道温度变形的影响。研究结果表明: 3块轨道板样本界面的初始平均空隙率为22.3%, 界面四周的初始黏结状态明显差于轨道板界面中心; 在正、负竖向温度梯度作用下, CRTSⅡ型板式无砟轨道分别呈现中心上拱和四周翘曲的温度变形模式; 正温度梯度作用下轨道板最大温度变形与不考虑界面初始黏结缺陷相比增大了7.8%~10.1%, 且随着界面初始空隙率的进一步增大, 轨道板最大上拱温度变形呈线性增大趋势; 负温度梯度作用下, 界面空隙率的增大对轨道板温度变形的影响不大; 在分析CRTSⅡ型板式无砟轨道温度变形时应适当考虑轨道板与CA砂浆的界面初始黏结缺陷, 研究结果可为分析CRTSⅡ型轨道板上拱温度变形机理提供参考。      

大跨系杆拱桥上道岔纵向耦合及列车走行性分析

针对大跨系杆拱桥上铺设无缝道岔的工程需求,根据岔-桥相互作用原理和列车-道岔-桥梁耦合动力学原理,分别建立了纵向耦合与垂横向耦合振动仿真分析模型.以某新建客专205 m连续梁桥为例,结合3种桥型共9种布置方案,对其岔桥耦合特性和列车走行性进行综合分析研究,结果表明:温度跨度对此类桥上无缝道岔纵向受力变形影响较大,不同桥跨形式的伸缩附加力规律相同,大小不同,其中尼尔森刚架拱方案伸缩附加力、道岔尖轨尖端和心轨尖端相对基本轨的位移、钢轨断缝的最值最小,大跨连续梁拱桥最大;就大跨系杆拱桥上无缝道岔而言,转辙机处基本轨与桥梁相对位移是影响桥垮选型的重要因素;尼尔森拱桥因主跨跨度较大导致桥梁动位移相对较大,存在轮重减载率瞬时超限的问题,而小跨连续梁拱桥梁动位移仅1.33 mm,列车走行安全性和舒适性表现良好,车体横向振动加速度最大仅0.035g.     

客运专线桥上CRTSⅠ型板式无砟道床施工技术

结合石家庄至武汉铁路客运专线CRTSⅠ型板式无砟轨道板铺设施工工程实践,介绍了桥上CRTSⅠ型板式无砟道床的底座砼浇筑、凸形挡台施工、轨道板铺设及填充层施工等关键技术及施工工艺,可供同类工程参考。     

连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移计算

将钢轨和梁体视为杆单元,轨枕视为梁单元,扣件阻力、道床阻力和桥墩刚度视为弹簧单元,建立了计算连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移的有限元力学模型,根据变分原理和“对号入座”法则建立了模型求解的非线性方程组,分析了道岔设计参数对桥上无缝道岔伸缩力和位移的影响。研究结果表明:伸缩调节器布置在道岔的后端,连续梁固定墩的纵向力可降低43.2%;增加连续梁固定墩纵向刚度有利于减小钢轨位移;连续梁固定支座的位置对系统的受力与变形有双重影响,实际设计时应综合考虑。