列车荷载对CRTSⅠ型板式轨道疲劳损伤的影响研究

为研究CRTSI型轨道板及CA砂浆层在列车疲劳荷载作用下的疲劳损伤,按照轮轨力的正态分布规律及疲劳荷载编谱方法中的单参数计数法将列车荷载简化为2种疲劳荷载谱,通过建立的弹性地基梁-体模型计算了列车疲劳荷载作用下轨道板及CA砂浆应力值,采用Miner线性准则及以应力为基础的疲劳寿命计算方法,分别计算了轨道板混凝土及CA砂浆在60年服役期内的疲劳损伤。理论分析结果表明:仅考虑列车疲劳荷载作用时,轨道板混凝土及CA砂浆材料在60年服役期不会发生疲劳破坏;不同的疲劳荷载谱对轨道板及CA砂浆的疲劳损伤几乎没有影响。     

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。     

CRTS-I型板式无砟轨道疲劳寿命研究

为研究无砟轨道在列车荷载和环境温度共同作用下的疲劳特性,以CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,建立弹性地基梁-体模型,计算出列车荷载和温度梯度作用下轨道结构的垂向最大应力,并结合普通混凝土结构S-N曲线的疲劳寿命分析方程和CA砂浆在不同温度时的疲劳方程,预测了CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层在规定服役年限内的疲劳寿命。计算表明,对于有限的作用次数,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层受到的最大应力均未超过相应的混凝土强度值。根据各结构层最大应力预测出的相应疲劳寿命表明,CA砂浆在25~30年后将出现疲劳损伤,而在规定年限60年内,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道其他结构层不会出现疲劳损伤,能达到客运专线服役期内的要求。     

基于疲劳寿命理论的无砟轨道脱空等级划分

采用有限元软件ANSYS建立CRTSⅢ型板式无砟轨道模型,研究脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命的影响。采用混凝土弯拉疲劳方程计算无砟轨道疲劳寿命,计算时不考虑预应力和温度梯度仅考虑列车荷载的影响。计算结果表明,随着脱空程度增大,4种脱空形式均会显著降低无砟轨道疲劳寿命,且板端脱空的影响最大。据此提出了脱空等级划分原则,并依据无砟轨道疲劳寿命影响系数将无砟轨道脱空划分为轻度脱空、中度脱空和重度脱空3个等级。建议参照离缝的修补方法确定各脱空等级相应的修补材料和工艺。     

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。     

高速列车荷载作用下水泥乳化沥青砂浆层的应变速率研究

水泥乳化沥青砂浆主要承受列车垂向荷载,且处于动态加载过程。为研究CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率,基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立列车-CRTSⅠ型板式无砟轨道-路基垂向耦合振动模型,研究CA砂浆层的应变速率及其影响因素。结果表明:路基上板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率大于其他基础。随着CA砂浆层和列车速度的增加,CA砂浆层的应变速率增大。CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率在4.763×10-3/s~2.025×10-2/s范围内变化。与仿真得到的应变速率相比,规范规定的应变速率不能完全反映CA砂浆层的实际应变速率。     

CRTSⅡ型板式轨道砂浆快修对轨道结构受力性能的影响分析

以CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为研究对象,结合现有的砂浆快修技术,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道快修砂浆的力学模型,采用有限元方法,计算列车荷载单独作用、正温度梯度和列车荷载共同作用以及负温度梯度和列车荷载共同作用3种工况下轨道板的最大拉、压应力,砂浆层最大垂向压应力和快修砂浆层以及轨道板的最大垂向位移。计算结果表明,在各种荷载的作用下,快修砂浆处的轨道结构受力均能够达到正常投入使用的标准,并且快修砂浆的应力值未超过其2 h强度值3 MPa,因此不需要对维修的轨道进行临时支护。     

客货共线单元板式无砟轨道荷载作用特性与疲劳寿命预测

部分线路采用客货共线运营模式,以降低铁路运输压力。国内一些客货共线铁路采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构,现场调研发现列车运营将导致轨道结构服役性能劣化、疲劳寿命降低。运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立含损伤车辆-板式轨道耦合动力学模型,研究客货共线铁路荷载作用特性,并进行现场测试以验证理论模型正确性;基于扣件扣压力理论计算结果,考虑板下砂浆破损,借助ANSYS WORKBENCH预测轨道板疲劳寿命。结果表明:货车作用时轮轨力理论值在110～135 kN,远大于客车的40～90 kN;砂浆损伤对货车荷载作用特性影响比对客车的小。对于扣件扣压力,客车作用时现场测得其最大值为30.3 kN,接近理论值30.8 kN;货车作用时实测值为50～60 kN,接近最大理论值56.0 kN。轨道板疲劳寿命在货车作用时较客车作用时缩短,在板端砂浆破坏时明显减少。     

砂浆脱空对纵连板式无砟轨道轮轨动力性能影响研究

采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立车辆-纵连板式无砟轨道空间耦合振动模型。根据已建模型建立CA砂浆脱空的分析模型,分析CA砂浆脱空对车轨动力响应的影响,分析脱空长度以及行车速度对纵连板式无砟轨道车轨动力响应的影响。研究结果表明:砂浆脱空后,当砂浆脱空长度大于1.2m后,随着脱空长度的增大,车辆的动力响应也随着增大,当脱空长度达到1.8m时,轮重减载率达到0.98,车体加速度达到1.64m/s2,均已超过限值。砂浆脱空后,随着行车速度的增大,系统动力响应也随着增大。当脱空长度为1.8m时,车体加速度均已超过限值,所以考虑行车舒适性建议控制脱空长度不超过1.8m。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能分析

研究目的:目前无砟轨道结构在高速铁路中应用广泛,但对其疲劳问题的研究却并不多见。为了探究路基上CRTSⅡ型无砟轨道结构体系在恒载、温度和列车往复荷载作用下的疲劳力学性能,本文基于等效静力法实现了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能及损伤发展的三维仿真分析,揭示出CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系在运营过程中的经时性能演变规律。研究结论:(1)冬季轨道板大部分区域处于受拉状态,假缝处可能发生开裂损伤;夏季轨道板基本处于受压状态,仅板底假缝附近局部受拉;(2)轨道板、CA砂浆、支承层最大应力随着时间增加而减小,竖向位移差随着时间增加而增大,但都在约20年后趋于稳定;(3)轨道板除假缝(拼缝)位置外基本无严重疲劳损伤,且各条假缝(拼缝)的开裂损伤发展会在5年内趋于稳定,最终各断面的开裂面积比大约稳定在0.7左右;(4)本文可为路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系的设计、维护和维修提供一定的理论依据。     

板端离缝下CRTSⅢ型板式轨道动力特性研究

轨道板与自密实混凝土层之间的板端离缝是CRTSⅢ型板式轨道的主要伤损型式之一,为分析板端离缝对路基上CRTSⅢ型板式轨道动力特性的影响,建立车辆-CRTSⅢ型板式轨道-路基垂向耦合振动模型,研究不同板端离缝长度对车辆和轨道系统动力响应的影响。研究结果表明:板端离缝将增大车辆和轨道结构的动力响应。当脱空长度超过1.54m时,轨道结构的垂向位移出现拐点,扣件系统上拔力接近允许限值10 kN,板端离缝区域附近的自密实混凝土层所受的垂向压应力增大28.75倍。板端离缝导致自密实混凝土层更易发生劣化,从无砟轨道耐久性方面考虑,建议当CRTSⅢ型板式轨道板端离缝长度达到1.54 m时应及时进行养护维修。     

纵连板式无砟轨道-PC简支箱梁协同工作分析

研究目的:为研究箱梁发生徐变上拱时底座板与箱梁顶面接触面间发生应力重分布对箱梁徐变上拱的影响,本文在ANSYS有限元平台上建立纵连板式无砟轨道-32 m PC简支箱梁体系的协同工作分析模型,分析混凝土收缩徐变及预应力筋松弛引起的箱梁长期变形及其对滑动层与CA砂浆应力的影响。研究结论:(1)梁-轨体系下箱梁的跨中徐变上拱小于将无砟轨道体系等二期恒载换算成均布荷载施加在单独箱梁结构上的徐变上拱,持荷1 500 d时前者徐变上拱为后者的72. 2%;(2)箱梁徐变上拱使底座板与箱梁之间产生应力重分布,导致梁端附近一段区域的底座板与箱梁之间压应力降低甚至局部出现脱空现象,该区域压应力往跨中方向转移;(3)箱梁徐变上拱亦使底座板及轨道板间发生应力重分布,在梁端附近一段区域的CA砂浆出现拉应力,但底座板与轨道板间尚未脱空;(4)本研究成果揭示了纵连板式无砟轨道-箱梁结构体系的协同工作机理、箱梁长期变形规律及其对层间应力重分布影响,可为深入研究箱梁-轨道体系协同工作提供参考。     

徐变上拱对桥上纵连无砟轨道线路动力影响

研究目的:高速铁路预应力桥梁会出现徐变上拱,而高速铁路对线路平顺性要求高,预应力桥梁徐变上拱引起的不平顺对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统有何影响,是工程界十分关注的问题。本文基于列车-轨道耦合动力学理论,建立考虑无砟轨道-桥梁系统各部件间接触状态非线性的高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型并进行相应验证,运用所建模型,对列车在桥上纵连板式无砟轨道线路桥梁徐变上拱地段高速行驶时耦合系统的动力特性进行研究,旨在探讨其影响规律。研究结论:(1)桥梁徐变上拱对车体振动加速度影响非常显著,对桥梁振动加速度虽有影响,但不太显著;(2)桥梁徐变上拱对最大轮轨力、钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力均有一定的影响,但影响规律不一,对最大轮轨力影响比较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响则比较大;(3)桥梁徐变上拱引起的无砟轨道-桥梁间局部脱空对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性有显著影响;(4)本研究成果可为高速铁路桥上纵连板式无砟轨道线路徐变上拱大小控制提供理论依据。     

温度梯度与板下脱空对列车轨道系统动力响应的影响

砂浆脱空是CRTSⅠ型板式无砟轨道典型病害之一,其与温度梯度荷载共同作用下,轮轨系统受力状态将受到较大影响。本文运用轮轨系统动力学原理和有限元法,建立列车-无砟轨道-路基系统耦合动力空间模型,计算分析温度荷载、脱空长度对车辆及轨道系统动力响应的影响。结果表明:温度梯度荷载仅对轨道结构动力响应影响较大;温度梯度荷载与板下脱空同时存在,脱空长度超过0.8m时,其对车辆及轨道系统动力响应影响较大,尤其当轨道板存在正温度梯度110℃/m、行车速度350km/h、脱空长度1.2m时,轮重减载率为1,严重威胁行车安全。建议高速铁路无砟轨道脱空长度不超过0.8m,并加强极端气候下的损伤检测。     

浸水条件下减振型板式无砟轨道系统性能试验研究

为研究在浸水条件下减振型板式无砟轨道系统的减振性能和CA砂浆充填层的力学性能随不同疲劳强度的演变规律,开展浸水后减振型板式无砟轨道系统的疲劳加载试验。研究结果表明:在浸水条件下,减振型板式无砟轨道系统在疲劳加载500万次后,各部件功能稳定,系统疲劳性能良好;钢轨→承轨台→轨道板→地面的加速度衰减较为明显,加速度传递率保持稳定不变,轨道系统减振性能保持良好; CA砂浆充填层劣化程度与表面受荷情况有关,CA砂浆充填层受荷越大,其疲劳后抗压强度和抗折强度越低。     

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,...     

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。     

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。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道板下水泥乳化沥青砂浆填充质量对轨道结构受力的影响

在CRTSⅡ型板式无砟轨道结构中,水泥乳化沥青砂浆调整层主要起填充、支撑、传力以及提供适当的刚度和弹韧性等作用,是CRTSⅡ型板式无砟轨道系统重要的组成部分。采用有限元法建立CRTSⅡ型板式无砟轨道计算模型,研究列车荷载作用下不同砂浆调整层空隙状态对轨道结构的受力影响,为施工期间的质量验收和运营期间的轨道养护维修提供指导。     

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。