Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.      

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。      

大跨桥上纵连板式轨道受压稳定性

为探讨大跨桥上纵连板式轨道的受压稳定措施,根据大跨桥上纵连板式轨道的结构和纵向受力特点,以某跨径为94 m 168 m 84 m的预应力混凝土连续刚构桥为例,建立了轨道板-桥梁-墩台的有限元模型,并确定纵连板和底座板最不利段.将列车荷载作用下纵连板和底座板向上的挠曲作为初始弯曲缺陷,按照第二类稳定问题对纵连板式轨道的受压稳定性进行了分析.结果表明,对大跨桥上的纵连板式无砟轨道,在列车荷载和温度压力的共同作用下,纵连板和底座板可能发生竖向失稳,可设置"倒L"型双向挡块以增加稳定性;当纵连板和底座板的最大允许温升为30℃时,该桥"倒L"型双向挡块的间距不宜大于16.7 m.     

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.      

遂渝线板式轨道混凝土凸形挡台受力分析

随着现代高速铁路和城市轨道交通的快速发展，以少维修或不维修为特点的板式轨道得到了较快发展。板式轨道结构主要由轨道板、水泥沥青砂浆（CA砂浆）和混凝土基础三大部分组成。钢轨铺设在轨道板上，CA砂浆作为轨道板的弹性垫层，同时可以通过再次灌注CA砂浆对轨道板进行一定程度上的调整。     

移动荷载下设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构受力分析

为了改善水泥混凝土路面面层和基层间的不良接触状况,提出了在面层和基层间设置水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆)功能层的措施,借助CA砂浆功能层的材料特性,改善面层和基层的不良受力状况,延缓水泥混凝土路面结构的早期破坏。为了更好地分析路面结构的实际受力状态,有必要进行路面结构在移动荷载作用下的力学响应分析。将运动的车辆荷载等效简化为匀速移动的面荷载,建立路面结构三维有限元模型,分析设置CA砂浆功能层前后路面结构所受荷载应力的变化,探讨CA砂浆功能层的作用。     

基于综合指数法的无砟轨道配筋方案检算与分析

为优化无砟轨道配筋后结构受力的均衡性,基于综合指数法提出了轨道配筋检算评估方法,选取形状改变能密度与高斯曲率作为评价分量构造了量化的配筋检算指标;建立了无砟轨道配筋检算有限元模型,以CRTSⅢ型普通板式无砟轨道板配筋为例,研究了不同钢筋排布方式对无砟轨道板整体受力性能的影响. 研究结果表明:相较传统应力变形指标,构建的综合指数指标能够凸显轨道板的不均匀受力区域;配筋时在轨下位置额外密布钢筋能够提升轨道板抵抗垂向车辆荷载的能力;局部配筋过于集中的方案会降低轨道板适应温度荷载的能力;在升温荷载作用下其轨道板端部的综合指数较最优工况时至少增大了1倍;综合来看,钢筋直径较大、排列稀疏的方案受力均衡性较差,无砟轨道板应选择钢筋直径较小、排列密布且轨下位置适当加密的配筋方案.      

温度荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道材料参数对界面损伤的影响

高速铁路板式无砟轨道在施工和服役过程中,结构材料参数可能发生改变,并与其工程设计值有较大差别,这种改变对轨道板与砂浆层之间界面的损伤有何影响,目前还缺乏较深入的研究。本文建立了CRTS Ⅱ型板式无砟轨道有限元模型,采用内聚力模型模拟界面的损伤行为,分析了在90℃/m极端温度梯度荷载作用下,轨道板弹性模量、砂浆层弹性模量和界面黏结强度对轨道板与砂浆层界面损伤的影响。结果表明:轨道板和砂浆层弹性模量对界面损伤的影响规律基本一致,高弹性模量恶化了界面受力情况,将加大界面损伤程度和损伤区域;界面黏结强度对界面损伤有显著的影响,当黏结强度小于其设计值时,界面损伤随黏结强度降低而快速恶化。     

石武客专CRTSⅡ型轨道板精调和CA砂浆灌注施工技术

结合施工实践,从轨道板精调前作业准备、轨道板精调、轨道板和底座润湿、封边及排气孔设置、轨道板压紧、CA砂浆灌注等方面阐述了CRTSⅡ型轨道板精调和CA砂浆灌注施工技术。     

超薄白色罩面(UTW)脱空应力分析

采用ANSYS软件对UTW路面结构的脱空进行了分析,探讨了板底未脱空时板受力特性及板分别出现不同程度的纵缝边缘脱空、横缝边缘脱空和板角脱空情况下的混凝土板受力特性,并结合直道疲劳试验的应变观测及芯样观测结果对有限元分析的结论进行验证,指出在设计及施工时应采取措施切实保证UTW层间粘结,保证UTW在荷载下不过早破坏.     

板式无碴轨道垫层CA砂浆研究与进展

CA砂浆是板式无碴轨道结构弹性调整层的核心。从板式无碴轨道CA砂浆材料物理力学性能、耐久性及耐候性等多方面阐述了其组成、结构及其与性能之间的相互影响,指出当前板式无碴轨道CA砂浆的冻融、老化等破环机理,并提出其防治措施。     

冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响

以哈大高速铁路路基冻胀区板式无砟轨道为研究对象,开展了快速冻融循环作用下C60、C40混凝土和砂浆材料标准立方体试件轴心受压和劈裂抗拉破坏试验,研究了冻融循环作用下材料性能劣化规律;在此基础上,建立了考虑限位凸台、环形树脂和层间黏结接触性能的CRTS Ⅰ板式无砟轨道-路基冻胀冻融空间有限元模型,研究了冻融损伤后轨道的静力特性,揭示了底座板的受力状态与损伤特征。研究结果表明:提高混凝土强度等级可显著减缓冻融循环对材料的劣化剥蚀作用,冻融循环加剧会导致结构界面接触状态显著恶化;随着冻融循环作用次数的增加,砂浆层和底座板材料性能劣化显著,弹性模量、层间黏结强度和轴心抗拉强度均大幅减小;与未冻融工况相比,300次冻融循环后,C60、C40混凝土和砂浆的峰值抗压强度降幅分别为14.7%、34.6%和29.9%,C60混凝土与砂浆胶结界面轴心抗拉强度降幅达到90.6%,C60、C40混凝土和砂浆轴心抗拉强度降幅均超过56%;在典型冻胀条件(冻胀波长为10 m,冻胀峰值为8 mm)下,冻胀中心处轨道各结构层上表面均受最大拉应力,在冻胀波脚处出现最大压应力;随着冻融循环次数的增加,轨道板和底座板所受最大拉应力亦不断增加。可见,在设计寒区板式无砟轨道时,底座板为主要控制性构件,底座板中部冻胀为最不利工况。      

干湿循环对CA砂浆质量与变形的影响

CA砂浆（cement and emulsified asphalt mortar）服役环境湿度因气候、天气因素的影响产生显著变化,会引起其质量和体积的变化,进而对轨道结构的几何尺寸产生影响. 为了解服役环境中湿度变化对CA砂浆质量、尺寸的影响,设计了6种干湿循环制度,测试了不同干湿循环制度下CA砂浆质量、长度变化;并采用低场核磁共振（NMR）及综合热分析（TG-DSC）对其孔结构和物相组成进行了分析,以揭示其变化机理. 研究结果表明:随着循环次数的增加,CA砂浆湿质量迅速增加并达到最大值,随后下降,并在140 d左右趋于稳定,干质量的变化很小;而其长度随循环次数的增加先减小后增加. 干湿循环中,CA砂浆质量与长度的变化均小于持续干燥、水浸泡条件下的变化. 在短周期干湿循环中,在约140 d前,CA砂浆湿质量与变形呈二次函数关系,而在约140 d后,质量与变形呈线性关系;在长周期中,二者相关性不强. NMR与DSC的分析结果表明,CA砂浆质量与长度变化是干湿循环过程中毛细孔水分的迁移、水泥水化、碳化以及孔结构变化等因素共同作用的结果.      

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.      

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。      

基于探地雷达的高铁无砟轨道结构层病害检测

为了检测高速铁路(高铁)无砟轨道混凝土结构内部在施工过程中产生的缺陷,避免在高速列车荷载作用下发展成路基病害,运用探地雷达技术对高铁无砟轨道结构进行了二维正演模拟分析.基于有限差分法,在时间域上推导了探地雷达二维正演模拟方程.针对易形成高铁无砟轨道病害缺陷的多种复杂工况,建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道的地电模型,分别对CA砂浆层不同填充程度、CA砂浆层硬化过程进行了二维正演数值模拟,分析了探地雷达二维正演模拟图像的特征.模拟结果表明,二维正演模拟可以清楚地分辨板式无砟轨道结构内不同介质层的分界面,以及钢筋的数目和位置.