大跨度混合梁斜拉桥-轨道系统受力特性

研究目的:考虑结构刚度-质量不平顺、热膨胀系数、导热率等差异,为研究大跨度混合梁斜拉桥与轨道系统的非线性互制作用,基于梁轨相互作用原理,采用带刚臂的梁单元模拟梁体,用非线性杆单元模拟梁轨接触,并与UIC算例对比以验证其正确性。以(2×57. 5+172. 5+600+4×57. 5) m跨西江混合梁斜拉桥为例,建立考虑桥塔、拉索、主梁、轨道以及相邻桥跨的高速铁路大跨度混合梁斜拉桥梁轨相互作用模型,分析温度、活载、列车制动以及地震作用下斜拉桥上无缝线路纵向力的分布特征,并对关键设计参数的影响进行探讨。研究结论:(1)在斜拉桥两端设置钢轨伸缩调节器可大幅降低梁端处钢轨温度应力峰值,钢轨温度应力主要由温升幅度较高的钢箱梁段控制;(2)竖向活载和列车制动作用下桥塔均承受着较大的水平力;(3)地震作用下,斜拉桥跨中钢轨也承受着较大的应力,梁段质量分布情况对钢轨应力和位移具有较大的影响;(4)塔梁相接处设置的黏滞阻尼器可有效减少列车制动和地震过程中桥塔承受的纵向力;(5)本研究成果对大跨度混合梁斜拉桥关键结构设计优化具有参考价值。     

极端温度作用下桥上CRTSⅡ型无砟轨道受力特性

为研究极端温度作用下高速铁路简支梁桥与CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道相互作用,以5～32 m简支梁为例,建立考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、摩擦板、端刺,以及梁体、墩台等构件的桥上CRTSⅡ型无砟轨道系统精细化仿真模型,研究高温和严寒等极端温度条件下系统的受力与变形特征,探讨不同轨道伸缩刚度、滑动层摩擦因数和砂浆黏结力对系统受力与变形的影响.研究结果表明:在高温条件下,轨道板代替钢轨承受了更多伸缩力,轨道板轴向力最大值出现在主端刺处,易导致上拱破坏;正温度梯度作用下,轨道板上、下表面最大纵向应力差达10.1MPa,将引起翘曲变形导致端部砂浆层脱黏;在极寒条件下,轨道板最大纵向拉力出现在右端刺处,最大值达3.9 MPa,轨道板易发生断裂;底座板初始裂缝对轨道板及底座板的受力分布与变形产生不利影响;滑动层可有效减小梁轨之间的相互作用,适当增大砂浆黏结力有利于减小轨道板-底座板离缝和砂浆脱黏等病害的发生几率.     

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。      

系杆拱连续梁桥-多线轨道互制分析的荷载步法

为研究考虑加载历史的桥梁-多线轨道系统受力特性，通过推导考虑加载历史的线路纵向阻力迭代公式并以某(77+3×156.8+77) m系杆拱连续梁桥为例，建立考虑钢管混凝土拱、吊杆、梁体、桥墩、桩基、多线轨道的大跨度系杆拱连续梁桥一体化有限元模型，分析加载历史对系杆拱连续梁桥-轨道系统受力影响及结构检算结果。结果表明：代数求和算法计算钢轨应力峰值偏大61.9%,墩顶水平力偏大74.0%,考虑温度效应须同时对钢轨、梁体和拱施加温度荷载；挠曲工况下双线同向加载时墩顶水平力为1 058.2 kN,双线对向加载时墩顶扭矩为4 193.6 kN·m;计算温度制挠力时，代数求和算法计算钢轨应力较荷载步法偏大7%,墩顶水平力偏大8%～27%,设计不经济；代数求和算法计算墩顶扭矩与荷载步法最大偏差可达51.3%。