桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的温度荷载特征试验研究

在我国华东地区一桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道线路上建立温度场自动监测系统,对环境温度、轨道板温度(横向及竖向)、底座板温度(横向及竖向)等进行测试。对实测数据进行统计,分析对混凝土结构使用性能有显著影响的因素,获得环境温度与板温间的关系、无砟轨道结构竖向和横向温度场(整体温度和温度梯度)特征。基于测试分析结果讨论了现有规范中CRTSⅡ型板式无砟轨道温度荷载取值的合理性及轨道板温度荷载取值原则,为完善我国高速铁路无砟轨道技术体系提供支撑。     

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。     

圆曲线段无砟轨道横竖向温度梯度研究

研究目的:为得到设有超高的无砟轨道温度场分布的时变规律,建立无砟轨道横竖向温度梯度荷载模式,在某客运专线圆曲线段上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器对其温度场进行了长期连续观测。研究结论:(1)无砟轨道昼夜温度变化较大,表面最高日温差可达24.7℃,平均日温差达19.0℃;(2)随着距表面深度的增加,无砟轨道温度变化幅值逐渐减小,峰值出现时间不断滞后;(3)底座板底面最大日温差为6.1℃,平均为5.0℃;(4)纵连板式无砟轨道的竖向温度梯度可拟合为指数曲线,与铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布在形状上较为符合;(5)纵连板式无砟轨道横向温度梯度分为轨道板和底座板两类,轨道板横向温度梯度可采用二次函数拟合回归,底座板横向梯度可采用线性分段函数拟合;(6)研究成果可为我国中部地区高速铁路设计温度荷载模式提供指导作用。     

CRTSⅢ型无砟轨道冬季温度场特性

为研究CRTSⅢ型无砟轨道温度场分布规律,在昌赣客运专线外进行足尺无砟轨道板温度场监测,基于统计学原理分析冬季轨道结构温度变化规律并提出适合CRTSⅢ型无砟轨道的竖向温度梯度预估模型.研究结果表明:CRTSⅢ型无砟轨道结构温度场受外界环境影响较大,其中轨道板顶面温度变化最为明显,沿深度方向各结构层温度峰值有明显的滞后现象;竖向温度梯度大于横向温度梯度,对结构温度影响起主导作用;日太阳辐射总量和最大温度梯度具有较好的相关性,据此建立了冬季日最大温度梯度经验回归公式,可为不同气候条件下的CRTSⅢ型无砟轨道的温度梯度研究提供参考.     

无砟轨道温度场计算及持续高温天气影响分析

为研究持续高温天气下无砟轨道温度特性,分析了无砟轨道与大气环境的换热机理并考虑地温影响,推导基于气温、太阳辐射及风速的无砟轨道温度场计算公式。开展无砟轨道温度试验,验证公式准确性,利用该公式计算了2013年杭州地区持续高温天气下无砟轨道温度。结果表明:根据实测气象资料能够准确算得当地无砟轨道温度场;持续高温天气下,地温达到42℃,无砟轨道最大正温度梯度达到100℃/m,道床板中部日平均温度能够达到47.5℃,比平均气温高约15℃;持续高温天气期间,较强的太阳辐射和较高的日平均气温是导致无砟轨道整体温度升高的主要原因。     

高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道快速升降温模型试验研究

为深入系统研究高速铁路桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道温度场分布规律,制作无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁1/4缩尺试验模型,通过开展快速升降温试验,分析CRTSⅡ型无砟轨道二维温度场分布规律,提出轨道系统横、竖向温度三维分布形式。研究结果表明:高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度及温差分布呈三段式阶梯形;横向温度分布呈抛物线形;CA砂浆层是影响轨道系统横、竖向温度场分布的最主要因素;轨道系统竖向负温差主要产生于轨道板;轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度最为显著,最高达4.5℃/cm;横向最大负温差为-4.4℃,最大正温差为5.5℃,分别产生于底座板上部和中部;轨道系统横、竖向温度三维分布呈三段式阶梯形曲面。研究结果可为高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度效应设计和研究提供参考。     

反射隔热涂料在无砟轨道上的适用性分析

为研究反射隔热涂料对无砟轨道温度及温度应力的降低效果,建立考虑气温、太阳辐射和风速的无砟轨道温度场计算模型,并开展试验对其进行验证,分析反射隔热型涂料对成都地区双块式轨道温度的影响,分别计算使用该涂料前后单元式和纵连式轨道的温度应力,并探讨不同风速下该涂料的效果。研究结果表明:建立的无砟轨道温度场模型是准确和有效的;成都地区使用该类型涂料道床板温度梯度能够降低约50%,但对轨道整体温度影响不大;使用涂料后单元式无砟轨道翘曲应力降低较为显著;风速超过4级后反射隔热涂料降低轨道翘曲应力的效果一般。     

高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度荷载效应研究

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道系统梁轨相互作用的传力体系与既有的有砟轨道和单元板式无砟轨道线路的轨道结构受力变形特征有较大的不同。利用ANSYS有限元软件对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的受力变形特征进行分析,选择32 m简支梁和(48+80+48)m连续梁开展了长期温度荷载效应监测,分析桥上CRTSⅡ型板在温度荷载作用下的结构受力变形特征。结果表明,在降温和升温过程中,简支梁和连续梁梁体温度伸缩量与温度的分布规律相吻合,"两布一膜"减少了梁轨间相互作用力。说明桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道设计原理和设计方法是合理的,为相关技术规范的制定提供了科学依据。     

无砟轨道列车荷载层间分布特征及压电式测试系统研究

为研究无砟轨道列车荷载传递特征及测试方法,建立了双块式无砟轨道实尺试验平台,分析了钢轨支点压力和道床板、支承层底部荷载分布规律,并与动力学仿真结果对比。得出主要结论:石基压电式压力测试系统及压电式测力垫板测试系统,测试结果准确可靠,可用于无砟轨道结构健康监测;道床板底部荷载横向呈双峰型分布,两轮载间荷载效应叠加不明显,横向分布范围占道床板宽度的50%左右,道床板宽度具有优化空间;轮载传递至支承层底部时呈M型分布,轮载分布较为均匀。理论分析和试验结果可为无砟轨道现场测试提供参考,所得荷载传递规律,可为无砟轨道尺寸优化和下部基础设计取值提供理论依据。     

基于气象资料的CRTSⅢ型无砟轨道温度场特性研究

为研究无砟轨道温度场分布规律,基于气象学和传热学原理,建立CRTSⅢ型无砟轨道温度场瞬态分析模型。以实测轨道内部的温度数据验证模型有效性,在此基础上研究轨道结构温度场分布规律,并探讨风速和太阳辐射强度对轨道板内部温度变化的影响。结果表明:轨道结构温度沿竖向呈非线性分布,且随着深度的增加,温度变化幅度逐渐减小;横向温度分布随昼夜交替呈现周期性变化,在0.4～2.1 m存在温度平稳区。太阳辐射强度和轨道表面温度以日为单位呈周期性变化,轨道表面最大温度较太阳辐射峰值滞后约1 h。风速对无砟轨道表面以下10 cm范围的温度梯度影响较大,超过此范围的影响较小可忽略不计。有限元分析结果与实测数据基本吻合,研究结论可为CRTSⅢ无砟轨道温度场特性研究提供依据。     

基于气象资料的无砟轨道温度场计算与分析

为研究大气环境下高速铁路无砟轨道结构温度分布和温度场变化规律,建立利用气象数据资料描述环境因素的边界条件,以求解无砟轨道结构温度场热传导方程。利用京沪高速铁路CRTS-Ⅱ型轨道板现场实测的温度分布数据,验证本文用于轨道结构温度场的计算公式,分析气象数据资料变化引起的轨道结构温度分布和温度场变化规律。对比结果表明,本文推导得到的计算公式能够准确、有效的用于无砟轨道结构温度场的计算。京沪高速铁路无砟轨道结构现场实测和计算的结果表明:其夏季最大正温度梯度在12:00~14:00左右,最大负温度梯度在3:00~5:00左右。影响因素分析表明太阳辐射、风速和气温变化是影响轨道结构内部温度分布状况的主要因素。     

严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场分析

为研究严寒地区夏季、冬季极端天气条件下,CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场分布问题,应用Abaqus有限元软件,基于气象数据和热传导理论,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道三维瞬态温度场计算模型,分析板式无砟轨道横、竖向温度场分布情况。得到以下结论:(1)CRTSⅠ型板式无砟轨道瞬时温度场呈对称分布,轨道板内部温度场变化情况滞后于大气温度变化,其变化规律与大气温度变化规律相似,按正弦变化;(2)CA砂浆的热阻隔作用,使得无砟轨道温度场在轨道板与CA砂浆接触面发生温度跳跃现象;(3)无论冬季还是夏季,轨道板最大正温度梯度均出现在下午13:00时,且夏季轨道板最大正温度梯度比冬季大,夏季最大正温度梯度为73.2℃/m,冬季最大正温度梯度30℃/m;(4)CRTSⅠ型板式无砟轨道竖向温度呈非线性分布,且随着深度增加温度变化减小。     

温度梯度荷载对桥上无砟轨道几何形位的影响分析

我国在设计桥上无缝线路时,桥梁温度荷载按照相关规范规定采用均匀温度荷载,这与桥梁在自然环境中所受到的温度梯度荷载存在一定的差异。基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型,分别计算分析在均匀温度和竖向温度梯度作用下桥梁变形对无砟轨道结构几何形位的影响,有益于进一步深入研究桥梁温度荷载的合理取值。结果表明:与均匀温度荷载相比,竖向温度梯度荷载对桥上无砟轨道几何形位影响很大,且主要影响桥上无砟轨道的高低几何形位,对无砟轨道的水平几何形位也有一定影响,因此建议在设计桥上无缝线路时,考虑桥梁温度梯度荷载,并对桥上无砟轨道结构的几何形位进行限制。     

地铁预制板式无砟轨道空间力学特性研究

针对地铁预制板式无砟轨道力学特性理论研究存在的不足,建立地铁预制板式无砟轨道三维非线性有限元空间力学模型,研究单一及组合荷载下普通和减振地段地铁预制板式无砟轨道空间力学特性。研究结果表明:列车和无砟轨道下部基础不均匀沉降荷载对地铁预制板式无砟轨道力学特性有较大影响,而温度荷载只对挡块受力有一定的影响;列车荷载、无砟轨道下部基础不均匀沉降荷载及组合荷载下减振地段和普通地段地铁预制板式无砟轨道力学特性差别很大;单一荷载计算结果叠加和组合荷载计算结果有较大差别,宜对组合荷载下地铁预制板式无砟轨道力学特性进行分析研究;地铁预制板式无砟轨道有限元分析模型宜考虑层间接触状态非线性,并考虑挡块与轨道板相互作用。     

无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道系统动力特性的影响

在吸收国内外研究成果的基础上,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,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在列车荷载和无砟轨道温度梯度荷载共同作用下,列车-路基上板式无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统轮轨力特性影响很小,但对无砟轨道各部件动力特性有显著影响,在进行无砟轨道各部件动力特性研究时,有必要考虑无砟轨道温度梯度荷载的不利影响;对于Ⅱ型板式无砟轨道,无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统动力特性影响与裂缝间距有很大关系,裂缝间距越小,其影响越小。     

便携式无砟轨道板测温靶标研制及应用

为满足无砟轨道板温度高速动态测量系统测温标定的需求,研制了便携式无砟轨道板测温靶标,用于模拟轨道板温度辐射特性。介绍了无砟轨道板测温靶标的本体、加热制冷及温度控制模块、防结霜模块的研制方案,设计了无砟轨道板测温靶标的测试试验。测试结果表明,无砟轨道板测温靶标可实现-40～60℃温度控制,误差小于0.5℃,温度稳定性好,可用于无砟轨道板温度高速动态测量系统的测温标定。     

简支铁路箱梁与轨道结构温度场仿真分析

针对目前我国高速铁路中普遍采用的32 m简支箱梁与CRTS II型无砟轨道结构,基于传热学基本理论,考虑太阳辐射与对流换热,采用ANSYS有限元软件建立箱梁-无砟轨道温度场仿真分析模型,分析整个结构在典型时刻的温度分布特征,并研究无砟轨道板、箱梁顶板、腹板和底板等典型位置处的温度随时间变化规律。基于温差最大时刻的结构温度分布,根据温度场数值仿真模型计算结果,拟合得到无砟轨道结构和无遮盖部分箱梁的竖向温度梯度分布模式,可为我国典型地区CRTS II型无砟轨道的温度应力计算提供参考。     

CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构优化设计研究

针对CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构特点,提出技术合理,经济性好的优化设计方案。对传统和优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道在各种荷载作用下的结构受力进行计算对比分析,为优化设计方案提供理论指导。研究结论:(1)优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道可应用于高速铁路、城际铁路项目;(2)通过轨道结构受力计算可知,在列车荷载作用下,路基地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道减少,底座弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增加;桥梁地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增大,增大幅度不大。单元式结构道床板在整体温度荷载作用下受到的轴力可大幅度减小。     

成都地区双块式无砟轨道温度场特性研究

为获取成都地区双块式无砟轨道温度场分布特征,在成都市郊设立一段CRTSⅠ型双块式无砟轨道,进行连续一年的温度和气象要素实时观测,对不同季节轨道结构内部温度与气象要素的对应关系进行综合分析。研究结果表明:晴天时轨道结构内部的温度随气温的变化呈周期性波动,轨道结构垂向上相邻2层温度极值出现的时间依次滞后,而阴雨天时周期性变化规律不明显,说明道床板温度主要受太阳辐射影响,特别是道床板表面以下50 mm范围内;道床板板角、板边及板中的温度日变化幅度与气温日变化幅度均呈线性相关关系,道床板日温度荷载取值建议参照道床板中部实测数据选取;道床板垂向温度荷载模式呈指数函数分布;利用多元线性回归分析的方法得到道床板垂向最大正温度梯度耦合预估模型,其相似度高于0.85,可用于工程结构设计荷载的预估。     

桥上双块式无砟轨道道床板防裂优化设计研究

研究目的:受地理环境及天气等因素的影响,无砟轨道结构温度场分布不均且变化剧烈,在强烈且持续的温度荷载作用下,道床板易出现开裂现象。本文以京张高铁为背景,基于太阳辐射及边界换热理论,通过ABAQUS有限元软件建立桥上双块式无砟轨道结构温度场分析模型及顺序热应力耦合模型,探究温度荷载下道床板开裂机理及优化方法。研究结论:(1)道床板板中温度梯度波动幅度最大,正温度梯度可达+62. 32℃,负温度梯度可达到-31. 02℃;(2)道床板板中较易出现龟纹裂缝,在轨枕棱角接触处较易出现45°斜向裂缝,且裂缝较易发生横向发展,在道床板边缘处,较易发生垂向纵深裂纹;(3)增加抗裂斜筋后,道床板整体温度纵向应力最多减小5. 27%,效果不明显;(4)增加伸缩缝后的轨道结构道床板,温度应力的偏斜程度及离散程度均小于传统轨道结构,对于温度荷载的抵抗能力优于传统结构;(5)本研究成果可为完善双块式无砟轨道设计理论及养护维修方法提供技术支撑。