温度及收缩荷载下路基上双块式无砟轨道力学及裂缝特性研究

温度及收缩荷载是双块式无砟轨道的重要荷载.以路基上双块式无砟轨道为研究对象,道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了考虑混凝土开裂的钢筋与混凝土相互作用有限元力学模型,并编制了相应的计算程序.研究了温度及收缩荷载下路基上双块式无...     

双块式无砟轨道裂纹对道床板受力的影响分析

基于路基上双块式无砟轨道的计算力学模型,针对道床板不同宽度和深度情况下的表面裂纹和贯通裂纹,分析在列车荷载作用下道床板开裂前后对道床板受力性能的影响以及在轴向温度荷载作用下含裂纹的道床板受力情况。结果表明,在列车荷载作用下,含裂纹的无砟轨道与无裂纹的无砟轨道相比,道床板混凝土应力有小幅度增加,纵向钢筋应力随裂纹深度的增加而逐渐增大;在轴向温度荷载作用下,随着裂纹宽度的增大,道床板混凝土拉应力及钢筋应力变化较小。     

双块式无砟轨道裂纹对结构受力特征的影响分析

建立了含初始裂纹的CRTSⅠ型双块式无砟轨道空间有限元实体模型,对无砟轨道的受力特性进行研究,为无砟轨道的优化设计及其养护维修提供一定的理论基础。综合考虑列车荷载和温度应力的共同作用,求出了裂纹张开量和道床板纵向钢筋应力,并分析了裂纹深度和道床板配筋率对裂纹张开量和道床板纵向钢筋应力的影响。得出结论:(1)在列车荷载和整体温降共同作用下,无砟轨道道床板裂纹深度对裂纹张开量和裂纹处道床板下层纵向钢筋应力的影响不明显;(2)在满足最小配筋率的前提下,道床板配筋率对无砟轨道道床板裂纹张开量没有影响;在列车荷载和整体温降共同作用下,道床板配筋率对裂纹处道床板下层纵向钢筋应力的影响也不明显。     

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.     

单元双块式无砟轨道土工布设置研究

兰新(兰州—新疆)铁路第二双线路基段拟采用单元双块式无砟轨道,单元道床板直接浇筑在纵向连续的支承层上时,二者层间良好的粘结制约了道床板温度应力的释放,也给支承层自身带来了较大的附加应力,易引起结构产生裂缝,并破坏结构整体的稳定性。在对试验段长期观测的基础上对结构铺设土工布前后的力学性能进行分析,结合试验段推板试验,给出单元双块式无砟轨道土工布设置意见:道床板与支承层之间需要设置土工布,板中设置销钉/钢管桩时,土工布为道床板与支承层间提供的摩擦因数不能小于0.6,若支承层设置纵向锯齿槽,土工布可以选用一般材料。     

大单元双块式无砟轨道温度特性分析

为了解决兰新线大温差环境下轨道结构的受力问题,本文研究了吐鲁番试验段大单元双块式无砟轨道温度特性,建立了相关力学模型,并根据该试验段上19.5 m大单元双块式无砟轨道观测数据,计算了支撑层与基床表层开裂情况下道床板和支撑层的伸缩区、固定区与板端伸缩量,计算了正负温度梯度对单元道床板板端的影响和整体降温时混凝土裂缝的发展规律.研究结果表明,大单元双块式无砟轨道上假缝的设置可有效地引导裂缝发展,降低道床板内的温度应力.因此,在大温差地区采用该种结构既可以保证轨道结构的稳定性,又可以降低温度荷载对轨道结构的影响.     

高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板混凝土裂纹综合防治技术

在分析比较双块式无砟轨道纵连道床板优缺点的基础上,提出从根本上解决路基地段双块式无砟轨道道床板开裂问题的途径是设计采用单元结构的双块式无砟轨道。在此基础上,提出了可以采用钢筋混凝土结构底座板和水硬性支承层2个具体的设计方案。另外,提出了混凝土水灰比、入模温度等施工控制工艺及养护控制措施。     

高速铁路双块式无砟轨道路基地段结构设计与施工技术研究

为了提高双块式无砟轨道的设计和施工质量,首先对路基地段双块式无砟轨道道床板和支承层的功能定位进行分析,提出连续道床板和分块道床板两种结构设计方案的主要特点和设计要点,并对两种设计方案进行结构受力和配筋计算。然后从抗压强度、结构耐久性、疲劳强度、裂缝控制等要求研究道床板混凝土的强度等级,提出道床板混凝土强度采用C40是足够的,且强度不宜太高。最后结合目前双块式无砟轨道施工和运营经验,提出道床板和支承层在施工过程中应注意的一些问题。     

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。     

湿度影响下双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面力学特性研究

在湿度影响下，混凝土的力学性能会随其内部不均匀的湿度场产生不同程度的变化，故水环境中的双块式无砟轨道各混凝土部件(轨枕、道床板及支承层)内部的材料性能存在差异，在长期荷载作用下易产生伤损。因此，探明由湿度导致材料性能变化对水环境中无砟轨道局部力学行为及损伤所带来的影响，对研究无砟轨道水致损伤形成和发展机理具有一定参考价值。通过建立双块式无砟轨道有限元实体模型，对水环境中双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面位置处的应变分布及疲劳损伤情况进行分析。结果表明：考虑湿度影响后，水环境中双块式无砟轨道道床板新旧混凝土界面位置处的变形性能与抗疲劳特性均有一定程度的削弱，长边接触面所受影响最为显著，其最大主拉应变增长31.6%,剪切疲劳寿命减短30.4%,出现在该面中上方位置，该处将是裂纹较早萌生的位置。     

双块式无碴轨道高速列车脱轨控制分析

针对双块式无碴轨道结构特点，提出一种新的双块式无碴轨道空间振动分析模型，进一步建立高速列车一双块式无碴轨道系统空间振动分析方法。然后，基于列车脱轨能量随机分析理论，对高速列车-双块式无碴轨道系统横向振动稳定性及高速列车是否脱轨进行了评判。计算结果表明：高速列车以300km／h速度在双块式无碴轨道上运行时，车轨系统横向振动是稳定的，列车不会脱轨，且具有n=2．143的抗脱轨安全系数。     

无砟轨道沥青混凝土支承层准静态设计方法

沥青混凝土铺装轨道结构中,沥青混凝土支承层的厚度设计目前以经验为主。本文建立了轨道板在均布荷载作用下的层状弹性体系理论模型,应用有限元分析和实测数据验证了理论模型的有效性,提出以沥青混凝土层层底拉应变、路基面竖向应力、路基面竖向位移为关键设计指标的沥青混凝土支承层厚度准静态设计方法,并进行了实例设计。结果表明:理论分析结果相比有限元计算结果偏于保守,两者都在实测数据取值范围内;理论模型修正后可用于无砟轨道沥青混凝土支承层的厚度设计;设计指标的阈值可控制设计层的最小适宜厚度。     

地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响分析

为揭示地面沉降对路基上单元板式无砟轨道平顺性的影响规律,通过建立路基上板式无砟轨道-路基有限元实体模型,充分考虑无砟轨道和路基的特性及其之间的接触方式,改变轨道结构层厚度和粘结方式,以此来进行地面沉降幅值、轨道结构层厚度和结构层间离缝对轨道不平顺的影响的研究。结果表明:地面发生沉降时,无砟轨道会发生跟随性的沉降,从上到下各层沉降值依次增大,且地面沉降幅值越大,轨道不平顺越明显;轨道结构层厚度越大,地面沉降对轨道平顺性的影响越小;轨道结构层间离缝对轨道平顺性有很大影响,尤其是无砟轨道与道床之间出现离缝时。     

无碴轨道路基支承刚度测试合理加载面积初探

无碴轨道结构将松散的道碴换成了刚度巨大的钢筋混凝土材料,使得无碴轨道结构对路基的变形和刚度极其敏感,因此路基面的支承刚度是路基上铺设无碴轨道的重要技术条件之一。根据无碴轨道结构特点及路基动应力的衰减特性,对无碴轨道路基支承刚度的测试方法进行了初探,对路基支承刚度合理加载面积进行了讨论。     

弹性支承块式无碴轨道振动分析新模型

针对弹性支承块式无碴轨道结构特点,提出了一种新的用于竖向振动分析的有限元模型。在该模型中,钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;轨道板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件模拟为线性弹簧和阻尼器;轨道板和混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。在此基础上,基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的"对号入座"法则,推导了弹性支承块式无碴轨道的竖向振动总势能,为建立弹性支承块式无碴轨道竖向振动方程,乃至进行弹性支承块式无碴轨道在高速列车作用下的动力响应分析奠定了良好基础。     

基于车辆-轨道单元的无砟轨道动力特性有限元分析

根据CRTSⅡ型无砟轨道系统结构特点,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出一种包含钢轨、扣件、轨下垫板、预制轨道板、CA砂浆层、混凝土支承层及路基的无砟轨道单元,并推导该单元刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。运用Lagrange方程建立高速列车通过时无砟轨道动力特性分析的有限元数值方程。结合实例,研究无砟轨道轨下垫板、CA砂浆层、路基等结构参数对轨道振动的影响,并对有砟轨道与无砟轨道连接段动力特性进行分析,分析时考虑列车速度、轨道基础刚度等影响因素。计算结果表明:无砟轨道结构参数合理取值与刚度合理匹配可显著提高轨道整体工作性能;连接段轨道基础刚度变化对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随列车速度提高而增大;连接段采取轨道刚度渐变过渡措施,可明显降低车辆-轨道结构冲击振动,有效改善行车品质。     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,建立能够考虑无砟轨道-路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

路基区段双块式无砟轨道基础上拱整治技术对策

针对路基区段双块式无砟轨道基础上拱问题,通过典型基础上拱工点调研、有限元计算分析、工程实践应用,对高速铁路路基区段双块式无砟轨道基础上拱整治技术进行研究。研究结果表明:路基区段双块式无砟轨道基础上拱病害可以通过切割承轨台、切割支承层及暗挖基床技术进行整治;切割承轨台整治措施工程量小,但调整量也较小,适用于局部上拱且需应急整治的工况;支承层减薄会使得列车荷载下的结构应力集中明显,垂向压应力增加,且调整量有限,适用于变形稳定的上拱区段整治;暗挖基床整治措施工艺较为成熟,可多次作业,能根本上消除填料膨胀上拱,特别适用于基床及路基填土部分膨胀引起上拱的工点。形成的技术措施及经验可为不同线下基础高速铁路无砟轨道基础上拱整治提供借鉴。     

城市轨道交通路基沉降与无砟轨道轨面不平顺映射关系

路基沉降会影响轨面不平顺,为了分析路基沉降与无砟轨道轨面不平顺间的映射关系,基于温克尔弹性地基耦合梁理论和有限元方法,建立考虑层间接触非线性整体道床轨道梁-体空间有限元模型,对轨道自重荷载和设计列车动荷载作用下轨面不平顺与路基沉降间映射关系展开研究,并在此基础上,提出城市轨道交通无砟轨道线路路基不均匀沉降的安全限值。分析结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在自重荷载和列车动荷载作用下发生跟随性沉降变形,且各层沉降幅值从上到下依次增大;路基沉降幅值越大轨面不平顺越明显,20 m沉降波长条件下,沉降幅值超过25 mm时轨道结构与路基间易形成脱空;轨面不平顺对路基沉降波长也极为敏感,20 mm沉降幅值条件下,当沉降波长超过25 m时路基与轨道结构间脱空现象明显缓解,此时轨面不平顺基本可与路基变形保持一致。