干旱区CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板裂缝成因及防治措施

基于兰新客运专线与宝兰高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板裂缝防治的现场实践经验,总结出西北干旱区道床板裂缝主要有轨枕四角处八字裂缝、轨枕周围环向裂缝、道床板两侧"7"字裂缝、道床板横向"1"字裂缝、道床板表面网状龟裂等形式。分析了裂缝成因,并提出可通过优化结构形式、改善混凝土配合比、加强混凝土制备及运输过程控制、改进施工工艺、加强早期养护、改进施工条件、适时拆除工装等措施来预防和控制裂缝的形成。     

钢管混凝土轨枕凹槽尺寸优化设计研究

钢管混凝土轨枕(CFT轨枕)的凹槽尺寸和位置设计需通过计算分析确定最优范围,从而进一步提高道床与轨枕块的结合性能.为研究钢管混凝土轨枕凹槽尺寸和位置变化对轨枕块和道床板受力性能的影响,建立钢管混凝土轨枕无砟轨道的三维有限元模型,分析在列车荷载和温度荷载同时作用下凹槽的长度、宽度、深度以及凹槽端部与轨枕端部距离、凹槽底面与轨枕底面距离取不同值时轨枕块和道床板受力性能的变化规律,同时确定合理的取值范围.研究结果表明:1)轨枕凹槽尺寸和位置的不同会对轨枕块和道床板的受力性能产生影响;2)当长度取值范围为300～340 mm,宽度为55～65 mm,深度为20～25 mm,端部距离为143～163 mm,底部距离为40～50 mm时,轨枕块和道床板应力值较小,受力最优.     

路基地段双块式无砟轨道连续式道床板裂缝控制技术

为解决路基地段CRTSⅠ型双块式无砟轨道纵向连续式道床板的开裂问题,特别是控制宽度大于0.2 mm的超标裂缝,本文结合昌景黄（南昌—景德镇—黄山）高速铁路安徽段工程,通过现场调查总结出8种裂缝类型及其分布特征,包括八字形角裂缝、一字形横向裂缝、L形裂缝、纵向枕间横向裂缝、轨枕四周环向裂缝、横向枕间贯通裂缝、表面龟裂缝、反射裂缝。从结构形式、外加荷载、混凝土自身收缩、温度应力、施工工艺等方面分析了道床板开裂机理,提出了道床板裂缝的综合控制技术：路基地段优先采用单元式道床板;采用连续式道床板时,设置后浇带进行二次浇注,在轨枕四角增配上层抗裂钢筋,采用低水泥用量、低用水量、低坍落度、适当含气量、掺加适量粉煤灰的配合比设计;从支承层/底座板验收、混凝土施工工艺、早期保温保湿养护、工具轨排应力的及时释放四个方面改进施工工艺。工程实践表明,这些控制措施能够有效提高道床板混凝土的抗裂性能,控制道床板裂缝。     

CRTSⅠ型双块式无砟轨道轨枕松动修复试验研究

在运营的无砟轨道线路上调查发现,CRTSⅠ型双块式无砟轨道在预制轨枕与现浇道床板接触面间出现裂缝和道床板面混凝土掉块.本文分析了 CRTSⅠ型双块式无砟轨道轨枕松动的原因,通过现场测试对比分析了松动轨枕在修复前后钢轨、轨枕、道床板的垂向位移及加速度的变化情况.研究结果表明,松动轨枕修复后,钢轨、轨枕的垂向位移及加速度均明显减小,轨枕纵横向翻转幅度也明显减小,修复前后道床板的加速度变化较小.及时修复轨枕块松动应作为该类型无砟轨道日常养护维修工作的主要内容之一.     

双块式无砟轨道早期温度场分布及开裂机理分析

双块式无砟轨道道床板会出现早期开裂现象,该病害与轨道早期温度场分布特性有关。为明确轨道早期温度场分布特性,基于热工学原理和气象测试数据,考虑双块式无砟轨道的施工特点,建立早期温度场计算模型,并对早期温度场分布特性进行分析。结果表明:道床板浇筑完成后温度场呈先增加后减小的变化趋势,其最高温度约出现在第21 h时刻,且比日最高气温高10.6～12℃。道床板温度梯度沿着垂向呈线性分布,而沿横向呈明显的非线性分布特征,最大横向温度梯度出现在道床板与轨枕界面处,其值可达67℃/m。在该温度梯度荷载下,会出现道床板与轨枕界面早期开裂,随后应力集中转向轨枕角处,并进一步发展为道床板表面横向贯穿裂缝。     

高原大风地区双块式无砟轨道伤损现状及主要特征

以兰新高速铁路作为研究对象,总结出高原大风地区双块式无砟轨道伤损类型主要为道床板裂缝、轨枕离缝、道床板上拱、支承层混凝土粉化和聚氨酯嵌缝材料伤损,分析其伤损特点及形成原因。同时,对聚氨酯嵌缝材料离缝和无砟轨道道床板裂缝进行了跟踪观测,结果表明,聚氨酯嵌缝材料离缝病害仍在发展,而桥梁段、路基段和隧道段无砟轨道道床板裂缝病害已趋于稳定。     

编组站轨枕埋入式无砟轨道裂缝稳定性评估及轨枕松动修复研究

针对编组站驼峰缓行器前端的轨枕埋入式无砟轨道新旧混凝土界面开裂问题,基于断裂力学理论建立了轨枕边缘道床板裂缝稳定性计算模型。通过轨枕周边裂缝处的应力强度因子评价了裂缝稳定性;提出了裂缝修复材料的合理参数取值,并验证了有效性和可行性。结果表明:温度荷载是影响埋入式轨枕周边裂缝稳定性的主要因素,降温幅度越大,轨枕周围道床板的容许初始裂缝深度越小,轨枕越容易松动;为有效限制修复后裂缝的扩展,采用环氧树脂混凝土对编组站缓行器前端无砟轨道的轨枕松动病害进行修复时,应在环境温度15℃左右的春秋季节进行修复工作,修复层厚度在40 mm左右为宜。     

基于早期温度应力的道床板施工方式

建立考虑水化热、混凝土收缩和弹性模量等时变参数的双块式无砟轨道道床板早期温度应力瞬态分析有限元模型,分析道床板内部水化热与外部环境温度共同作用下的道床板早期温度应力分布特征,比较不同施工季节、浇筑时刻以及钢模支撑条件对道床板早期温度应力的影响。研究结果表明:道床板早期温度应力受水化热和外界环境温度影响较大,内部应力主要受控于水化热,表面应力主要受控于环境温度,轨枕侧边是容易产生早期温度裂缝的薄弱环节。在施工温度降低条件下,道床板侧边和顶面容易产生裂纹。为减少混凝土早期裂缝的开展,应选择在傍晚时分浇筑混凝土,适当延长拆模时间,气温较低时拆模至少为3 d后,浇筑温度较高时拆模至少为4 d后。     

纵向轨枕式无砟轨道界面裂缝对轨道力学性能的影响

纵向轨枕轨道结构改用预制混凝土纵梁连续支撑的结构设计,故预制轨枕与道床板的新旧混凝土界面是结构稳定分析不可回避的因素。为了分析新旧混凝土界面对整体结构的影响,并为纵向轨枕式无砟轨道设计提供相关参考,通过建立纵向轨枕式无砟轨道的二维有限元计算模型进行研究。结果表明:纵向轨枕式无砟轨道在列车荷载和温度变化作用下,轨枕与道床板界面附近会出现纵向裂缝,并裂缝加快扩展。界面裂缝对轨道内部应力分布影响很大,对钢轨扭转有一定影响。     

三维温度荷载下双块式无砟轨道结构动力响应

研究目的:本文利用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构温度荷载-落轴冲击耦合模型,结合试验数据,探究不同细致化温度荷载对双块式无砟轨道结构落轴冲击动力响应的影响。研究结论:(1)当道床板表面温度高于内部温度时,钢轨加速度变化较道床板表面温度低于内部温度更显著,轨枕向下加速度、道床板向上加速度分别增加13倍、42倍;(2)当道床板表面温度低于内部温度时,轨枕向上加速度、道床板向下加速度分别增加9. 5倍和25倍;(3)当道床板表面温度高于内部温度时,钢轨向下位移减小95%,轨枕及道床板向下位移均为0 mm,轨枕及道床板向上位移分别增加85倍和378倍;(4)当道床板表面温度低于内部温度时,钢轨、轨枕及道床板向下位移分别增加1. 01倍、4. 3倍和4. 91倍,轨枕及道床板向上位移均为0 mm;(5)本研究成果可为我国大温差地区无砟轨道线路平顺性研究提供参考。     

双块式无砟轨道轨枕松动修复材料性能分析

在外界荷载作用下,双块式无砟轨道中预制轨枕与现浇道床板粘结面作为轨道结构的薄弱处,容易出现轨枕松动,这将降低轨道结构的承载能力及影响轨道的平顺性。基于有限单元法,建立含轨枕松动修复材料的双块式无砟轨道梁体模型,分析在列车荷载及温度荷载作用时修补材料的力学性能,以期为双块式道床板裂缝维修提供一定的理论基础。研究表明:修复材料及道床板的拉压应力随着修复材料的厚度增加而减小,随弹性模量的增大而增加;建议修复材料的弹性模量为100⁵00 MPa。     

复合轨枕无砟轨道疲劳试验研究

复合轨枕无砟轨道是一种新型轨枕无砟轨道结构,通过开展复合轨枕无砟轨道疲劳试验研究其疲劳性能。试验建立复合轨枕无砟轨道实尺模型并对其施加300万次疲劳荷载,观察轨道各部件在疲劳加载前后的伤损情况,测试疲劳加载前后钢轨、复合轨枕、道床板相对位移变化、轨距变化和道床板受力变化。试验结果发现:无砟轨道及其各部件在疲劳试验中均未出现疲劳损伤;轨道结构部件位移在加载前期略有波动,后逐渐减小并趋于稳定,道床板受力满足规范要求。研究结果表明:复合轨枕无砟轨道具有一定耐久性,为其进一步推广和应用奠定了基础。     

CRTSⅠ型双块式无砟轨道轨枕连接面损伤行为分析及识别研究

双块式无砟轨道轨枕块与道床板连接面易发生脱粘损伤。为实现CRTSⅠ型双块式无砟轨道轨枕块和道床板连接面的脱粘损伤程度识别,利用内聚力模型建立含轨枕连接面损伤的有限元模型,施加列车动荷载激励,并基于小波包分解对不同损伤程度下的轨枕块与道床板的振动响应进行研究。结果表明:(1)轨枕连接面脱粘将显著提升轨枕块和道床板的振动响应,底面脱粘导致的振动响应更为显著;(2)通过小波包分解提取频带能量作为损伤特征指标,其频带能量增幅达到6%以上,可以识别损伤的程度;(3)随着轨枕连接面脱粘损坏程度的加深,轨枕块振动响应提升更为显著,应严格控制轨枕连接面脱粘程度。     

地裂缝对高速铁路桥梁的破坏机理研究

在实验室内,采用几何比尺1∶20的物理模型试验模拟分析高速铁路桥梁45°穿越地裂缝带时,地裂缝不同活动量对桥墩桩端应力、桥上轨道变形、稳定性等的影响。研究结果表明:随地裂缝上盘沉降量的增加,桩端压力主要表现为上盘减小,下盘靠近地裂缝处桩端压力明显增大;当地裂缝垂直位错量达到2 cm时地表出现开裂;当地裂缝垂直位错量达到3 cm时轨道道床板靠近地裂缝处开始出现裂缝;当沉降量达到4 cm时地裂缝贯穿道床板;地裂缝活动对跨过地裂缝的箱梁、道床板和轨道影响较大,而对未跨过的影响不大。本文研究结果可为高速铁路工程中地裂缝灾害的防治和预警提供参考。     

脱空尺寸对双块式无砟轨道枕下动水流速影响研究

针对双块式轨枕松动脱空病害,运用流固耦合理论并借助有限元软件ANSYS/CFX,建立轨枕-水-道床板流固耦合动力学计算模型;计算分析列车荷载作用在轨枕脱空入水情况下的水流动力特性;分析轨枕周边裂缝宽度,轨枕脱空高度和轨枕脱空长度对水流流速的影响。分析结果表明:在列车荷载作用下,随着轨枕脱空高度增大,动水流速逐渐减小;随着轨枕周围裂缝宽度增大,动水流速逐渐减小;随着轨枕脱空长度增大,动水流速逐渐增大,轨枕脱空长度不宜过长。     

多物理场耦合作用下地铁双块式无砟轨道道床板疲劳损伤开裂行为研究

为研究复杂作用条件下的道床板损伤变化规律,以混凝土塑性损伤模型为基础,对其施加温度荷载以及地铁列车-轨道耦合动力学分析下得到的外部激励,建立地铁列车-轨道-路基耦合动力学模型并进行分析.结果 表明:当温度下降时,道床板会产生横向变形,其内部会产生裂缝,出现损伤并使刚度下降,混凝土材料出现软化,结构受拉承载力下降;而在随后的温度上升过程中,道床板损伤值保持不变,最终稳定在0.19左右.列车通行会加速混凝土道床板的裂缝发展,虽然当列车动荷载施加于道床板上时,其内部裂缝短暂闭合、刚度出现暂时性恢复,但由于裂缝周期性开合,最终导致混凝土道床板裂缝扩大,最后形成贯通裂缝.     

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。     

路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究

研究不同荷载作用下,高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性。钢轨及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,钢轨与道床板、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,建立了可考虑混凝土开裂的路基上双块式无砟轨道三维有限元力学模型,分析了自重荷载、列车垂向荷载、不沉匀沉降荷载、温度梯度荷载作用下道床板的空间力学特性。结果表明:温度梯度荷载对混凝土纵、横向拉应力的影响最为显著;在列车荷载、不均匀沉降及温度梯度荷载作用下,钢筋纵向拉应力均超过了20 MPa;不同荷载作用下,支承层厚度、支承层弹性模量、道床板厚度等参数变化对混凝土和钢筋力学特性的影响不同;混凝土和钢筋纵向拉应力随着道床板裂缝间距的增加而增大。     

双块式无砟轨道与配筋混凝土路面结构设计研究

研究目的:双块式无砟轨道是在连续配筋混凝土路面工程的基础上发展而来的,深入分析配筋混凝土路面的结构设计,对比双块式无砟轨道的结构设计,从而为高速铁路双块式无砟轨道的结构设计提供参考。研究结论:连续配筋的混凝土路面结构纵横向没有伸缩接缝,但由于温度荷载会使在自由端部的75m范围内发生总量大约3～5cm的位移,故在端部通常采用锚固装置或多处设胀缝的设施,将端部位移逐步分散、消失。连续配筋的混凝土路面的裂缝宽度以不严重渗水为好,一般应小于0.6mm,低温下应不大于1.0mm;配筋率约为0.5%～0.8%,钢筋一般采用单层布置。路面板铺设在沥青处理的基层或整平层上对控制横向裂缝较好。德国双块式无砟轨道配筋率为0.8%～0.9%,裂缝设计控制宽度为0.5mm,裂缝间距为2m左右,钢筋采用单层配筋,设置在道床板的中下层。我国CRTSⅠ型双块式无砟轨道为使道床板能够承受更大的弯矩变形,道床板厚度设计为260mm,并采用双层配筋的方式。     

极旱荒漠地区无砟轨道道床板防裂措施

针对CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板现浇混凝土容易开裂的现状,结合新建兰新铁路极旱荒漠地区无砟轨道道床板的施工,总结出4种常见的道床板混凝土裂缝形式。分析了产生裂缝的主要原因,通过线外试验段选取了适宜于新建兰新铁路极旱荒漠地区无砟轨道道床板施工的最优混凝土配合比。在养护棚中制作道床板,浇筑混凝土时进行二次振捣并多次抹面,采取内掺养护材料、外喷养护剂的"内部抗裂、外部防裂"以及覆盖土工布等防裂措施,从而有效避免了道床板混凝土开裂,提高了无砟轨道道床板施工质量。