组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

在车辆荷载和温度作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道由于自密实混凝土层与底座板间产生离缝,发生应力集中和局部变形,对无砟轨道服役状态和使用寿命造成明显影响。基于ABAQUS有限元模型,计算车辆与温度不同荷载组合下,层间离缝横向和纵向发展对无砟轨道结构受力变形的影响,探究伤损演变规律和维修限值。研究结果表明:层间离缝宽度小于1.5m,轨道结构受力和变形的影响很小;离缝发展至两侧钢轨正下方后,轨道结构变形和应力均增大明显;离缝长度大于1.2m,对轨道板出现受拉裂缝和无离缝端上翘;正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵横拉应力以及负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵横拉应力均有叠加放大效应。     

基于德尔菲法的CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝评价指标研究

在长期服役状态下,CRTSⅢ型板式无砟轨道易出现不同程度损伤,其中自密实混凝土层间离缝尤为突出。为对CRTSⅢ型板式无砟轨道离缝进行综合评估,通过建立Abaqus有限元模型,分析不同离缝状况下的轨道受力情况,提出离缝影响指数IEI,并基于德尔菲法获取各类离缝损伤权重,建立CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝评估体系。计算结果表明：相比于板边、板中,板端离缝对无砟轨道的受力与位移影响更为显著;宽度大于350 mm及长度大于1 000 mm的离缝轨道板横向拉应力达到最大值3.589 MPa,在实际工程中应重点关注;离缝影响指数IEI与模型计算结果规律一致。     

循环温度荷载下无砟轨道结构模型试验研究

为研究循环温度荷载下无砟轨道结构层间离缝产生与扩展规律,以及离缝对轨道结构受力性能的影响,制作了三跨无砟轨道-简支梁桥结构1/4缩尺模型,开展了18次循环温度荷载试验。并在循环温度试验前后分别对结构进行了2次静力加载试验,对比分析结构体系受力特性发生的变化。试验结果表明:循环温度荷载作用下,梁端处轨道板与CA砂浆之间产生离缝,并向跨中呈“阶梯状”逐渐延伸,历经萌生、扩展和稳定三个阶段。随离缝长度增加,相同温度荷载下,梁体上拱度逐渐减小,而轨道结构上拱度逐渐增大,在离缝的萌生、扩展和稳定三个阶段,轨道结构的刚度呈现慢-快-慢的速度逐渐减小。经18次循环温度荷载作用后,轨道结构的刚度降低了14. 96%,无砟轨道-桥梁结构体系整体刚度降低了2. 52%。     

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。     

列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析

无砟轨道结构轨道板裂缝和结构层间离缝会导致结构性能退化,承载力降低,危及行车安全。基于弹性地基梁—体理论,建立路基上无砟轨道结构有限元模型。在正常状态和轨道板底部存在不同程度离缝状态时,对轨道板在列车竖向荷载下产生裂缝的位置和路径,以及2种状态下轨道板的翘曲位移和翘曲时轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。研究结果表明:无砟轨道板仅在列车竖向荷载作用下不会产生裂缝。当轨道板底纵向全部脱空且横向脱空宽度达到钢轨底面内侧边缘位置时,列车竖向荷载板端加载不会生成裂缝,板中部加载会产生裂缝。裂缝大致沿着轨道板纵向中心线附近开裂,在板端斜向板两侧边缘发展,预裂缝能够有效阻断裂缝的扩展路径。     

温度梯度作用下既有离缝无砟轨道结构层间损伤扩展及变形分析

为探讨温度荷载作用下既有离缝无砟轨道结构层间损伤发展规律及上拱变形对轨道结构力学特性的影响,基于有限单元法和界面损伤内聚力模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型.计算结果表明:温度梯度荷载作用下,层间损伤萌生于离缝区与黏结区衔接处板角位置,并随温度梯度的持续增大斜向发展;黏结区损伤横向贯通后,轨道板竖向位移存在明...     

混凝土塑性损伤模型在无砟轨道非线性分析中的应用

为满足无砟轨道非线性损伤分析及长期服役性能研究的需求,基于混凝土塑性损伤本构理论和CA砂浆劈裂抗拉试验结果,建立可考虑无砟轨道各组成结构材料非线性损伤的有限元分析模型。主要考虑温度和列车荷载作用,对比分析塑性损伤模型与线弹性模型对计算结果的影响。结果表明:当无砟轨道结构的受力变形较小时,非线性塑性损伤模型与线弹性模型的计算结果相差不大;当无砟轨道升温幅度超过30℃、正温度梯度超过60℃/m或列车荷载大于225 kN时,两种模型的计算结果开始产生差异且随着荷载的增大而不断扩大。配筋的塑性损伤模型与现场实际结构和材料属性较为相符,可为无砟轨道非线性分析、塑性变形及损伤累积效应分析、长期服役性能研究等提供参考。     

无砟轨道层间离缝对时速400 km高速铁路车辆-轨道系统动力特性影响

CRTSⅢ型板式无砟轨道在我国高速铁路中得到了广泛应用,在长期列车荷载与温度等因素共同作用下,轨道板与自密实混凝土层的脱黏与离缝已成为该种轨道结构的典型病害。为研究时速400 km条件下,板边层间离缝对于车辆-轨道系统动力特性的影响,通过建立高速车辆-无砟轨道空间动力学模型,系统分析不同离缝程度对行车系统动态响应的影响。研究结果表明：离缝主要影响轨道结构振动,对车体振动和车辆运行平稳性影响不大;离缝扩张使得轨道板振动位移和振动加速度幅值显著增大,速度提高时其影响更为明显;离缝劣化容易提高轮重减载率,导致轮对振动加速度幅值增大,随着离缝继续扩展至轨下区域,轮轨接触状态逐渐恶化,严重时将危及高速行车的安全性。综合分析表明,既有高速铁路维修标准对时速400 km高速铁路具有一定适应性。     

路基阴阳坡冻胀对过渡段无砟轨道受力与变形的影响

铁路路基冻胀受阳光照射角度影响,存在冻胀幅值在线路横向分布不均匀现象,即阴阳坡效应。为研究路基阴阳坡冻胀对路桥过渡段无砟轨道受力与变形的影响,建立无砟轨道-路桥过渡段空间耦合模型,分析路桥过渡段阴阳坡效应比、冻胀幅值、冻胀波长与列车荷载等多种因素下轨道结构受力、层间离缝与钢轨不平顺等特征。研究结果表明：路基冻胀的阴阳坡效应对底座板应力分布及轨道几何不平顺影响较大。阴阳坡效应比从0增至1的过程中,底座板阴坡的应力增幅可达18.6%,钢轨垂向变形量相差可达1.94 mm;冻胀波长10 m,冻胀幅值从5 mm增至10、20 mm时,离缝量增幅可达2.26倍与1.87倍;冻胀幅值10 mm,冻胀波长从10 m增至20 m时,底座板应力减小73.37%,离缝量减小81.66%;路基冻胀导致车辆动力响应大幅增加,路基冻胀的阴阳坡效应导致车辆横向动力指标增大。     

修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究

分析了框架板式无砟轨道板角离缝原因,建立了含维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,研究了维修材料弹性模量对无砟轨道受力和变形的影响规律,提出了板角离缝维修材料建议。研究结果表明,施工因素、服役环境和长期列车荷载作用是导致单元框架板式无砟轨道发生板角离缝的主要原因;钢轨和轨道板的垂向位移、CA砂浆层压应力随板角离缝面积的增大而增大,轨道板的拉应力则先增大后减小;正温度梯度作用下轨道板的拉应力随维修材料弹性模量的增大而增大,轨道结构位移则随维修材料弹性模量的增大而减小;当维修材料弹性模量从50 MPa增加至1 000 MPa时,列车荷载作用下维修材料的压应力增大了3.25倍;从维修材料受力角度考虑,建议框架板式无砟轨道板角离缝维修材料采用树脂材料,且弹性模量宜为100～300 MPa。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间离缝机理研究

板式无砟轨道结构层间界面为力学薄弱面,在温度和外荷载作用下,容易发生离缝。建立CRTSⅡ型板式无砟轨道多层薄板体系全过程三维渐进损伤力学模型,分析服役前界面损伤发生、发展过程和离缝机理,以及服役后考虑历史损伤和损伤累积效应下离缝的动态演化机制。结果表明:"单元→纵连(未服役)→服役"全过程中,轨道结构在正、负温度梯度,以及整体温升和列车"拍打"作用下,层间界面不同区域发生主拉伸型、混合型和主剪切型损伤。损伤累积导致层间离缝,离缝主要从主剪切型损伤区域开始,损伤和离缝发展存在继承性。单元状态下,温度梯度较小时界面即出现一定程度损伤,且损伤随温度梯度值的逐渐增大而不断发展,但实测温度梯度多在-40～90℃/m"安全温度梯度"范围内,此时离缝发生的可能性很小。纵连(未服役)状态下,"整体温升+正温度梯度"为最不利荷载组合。在整体温升条件下,层间界面离缝产生对应的正温度梯度值显著降低。服役状态下,受列车循环冲击荷载作用,若承轨台下存在既有离缝,轨道板将"拍打"CA砂浆层,离缝发展成"花生壳状"。随着冲击次数的不断增加,离缝继续发展。     

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道层间离缝原因分析

针对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构轨道板与自密实混凝土层之间的离缝问题,建立有限元模型,分析在温度、自密实混凝土收缩、列车荷载和基础变形作用下的层间受力情况。结果表明:自密实混凝土收缩是引起层间离缝的主要因素,在其收缩率达到4.5×10-4时,可能引起裂纹产生;在列车高频荷载和温度循环荷载作用下层间离缝由外向内扩展。同时,对可能造成离缝的自密实混凝土原材料配比及施工中的养护流程进行了分析。     

路基冻胀-融化-沉降循环作用下高速铁路板式无砟轨道伤损演化与变形分析

为研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下,无砟轨道结构的伤损演化规律和变形特性,基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型。计算结果表明:(1)小波长条件下,底座板在冻胀过程中易在幅值两侧对应第一块轨道板的板端萌生损伤,但随波长的增加,轨道结构塑性损伤得以缓解;(2)路基冻胀-融化-沉降循环作用引起轨道不平顺,其幅值呈增加-减小-反向增加的变化趋势,但波长较小时,反向增加的幅度极小;(3)路基回落过程中,轨道结构存在部分残余变形;(4)底座板与基床表层间的离缝呈张开-闭合-张开的循环性变化规律,离缝宽度随路基变形幅值的增大而增大;(5)路基变形波长对离缝宽度及纵向分布有极大影响。     

CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究

基于列车—轨道耦合动力学理论,考虑无砟轨道各部件间及无砟轨道与路基间接触状态非线性,建立列车—板式无砟轨道—路基三维非线性有限元耦合动力学模型,进行自重荷载、轨道中长波随机不平顺、轨道短波随机不平顺、路基不均匀沉降荷载、无砟轨道板温度梯度荷载共同作用下,高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基不均匀沉降限值研究。结果表明:无砟轨道板温度梯度荷载对无砟轨道各部件受力均有较明显的影响,因此在进行无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究时有必要同时考虑无砟轨道板温度梯度荷载的影响;路基上CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路的路基不均匀沉降限值由底座板疲劳破坏控制,路基不均匀沉降幅值达到7mm时无砟轨道底座板的最大拉力达到疲劳破坏限值1.674MPa,因此建议高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基的不均匀沉降限值为7mm/20m。     

路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

纵连式无砟轨道在路基冻胀区域极易产生轨道结构断裂破坏及结构层离缝等病害。为研究纵连式无砟轨道在路基冻胀状态下的损伤机理,文章建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型,对路基冻胀状态下轮轨动力响应特征、轨道结构动力响应特征及影响因素进行分析。结果表明:路基冻胀波长为10 m时,双块式无砟轨道各动力特征达到最大值;冻胀波长大于20 m时,各动力特征逐渐趋于稳定;列车荷载在层间离缝位置处使得轨道结构反弯,轨道结构层顶部纵向拉应力增大;20 m以下冻胀波时,拉应力超过或接近设计强度值;无砟轨道各动力响应特征最大值随冻胀幅值的增加显著增大,季冻区施工及运营期间应控制冻胀幅值增加。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构缝对路基应力分布特征影响

无砟轨道结构缝位置的路基面动应力存在集中效应，是产生底座/支承层-路基离缝，进而引发路基翻浆的重要因素。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点及层间接触条件，建立设有混凝土结构缝的轨道-路基空间有限元模型，分析转向架双轴荷载作用于无砟轨道结构连续、轨道板缝、底座缝三种位置下路基面列车荷载分布特征，结合现场实测数据，提出考虑结构缝影响的路基面简化荷载模式。研究表明：路基面列车荷载纵向分布范围与混凝土层间接触条件相关，随摩擦系数增加呈非线性增大趋势，实测摩擦系数对应的纵向计算长度与测试值吻合；结构缝对路基面列车荷载沿纵向分布形态有显著影响，转向架双轴荷载作用于底座结构缝正上方为最不利位置，路基面应力分布模式由连续结构位置的梯形转化为应力较为集中的三角形；底座缝断面的基床应力大于结构连续位置，应力增幅由路基面的33%随深度逐渐衰减至基床底面的8%。     

CA砂浆离缝对桥上CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的影响分析

我国高速铁路无砟轨道无缝线路发展迅速,但随着列车的运营,轨道板与CA砂浆层之间常会出现离缝,这将对无砟轨道的长期服役性能产生一定的影响。以高速铁路多跨简支梁上CRTS Ⅰ型板为例进行分析,研究板边、板端、板角、板中4种典型CA砂浆离缝病害对轨道几何形位及对无缝线路受力变形情况的影响。研究结果表明:离缝病害作用下,随着桥轨间温差变大,轨道水平偏差增幅较大,轨道高低偏差最值偏大,并且板端病害对离缝区平顺性影响大。在温度荷载作用下含病害的轨道结构伸缩受力更加明显,尤其体现轨道板、底座板上,其中板边位置的病害受力变形最为明显。在列车荷载作用下在离缝病害区域轨道结构挠曲受力情况变化较大,其中板角及板端病害影响大。根据计算结果建议在无缝线路养护维修时着重检查轨道板及底座板下表面的情况,及要注意检修钢轨正下方病害情况。     

CRTSⅡ型板式轨道的纵连特征对板下离缝的影响研究

针对CRTSⅡ型板式轨道板下离缝问题,建立包括钢筋、预裂缝等轨道板主要特征的有限元模型,分析轨道板在整体升温40℃和温度梯度-50~100℃/m作用下, CRTSⅡ型板的纵连特征造成的板间接缝初始受力不均匀对板下离缝和钢轨不平顺的影响。结果表明:若宽接缝硬化时窄接缝存在较大的初始压应力,板温较高时窄接缝被挤碎的概率大幅增加;对板下离缝和钢轨不平顺影响最大的是窄接缝被挤碎,其次是仅宽接缝承力,而窄接缝处存在一定的初始压应力对其影响较小;由接缝处初始受力不均匀引起的板下离缝值虽然较小(增加0.5~1 mm),却会大幅增加运营维护后期砂浆层离缝的维修工作量;施工中应采取措施减小宽、窄接缝硬化时的板温差,使宽接缝硬化时的板温T_k高于窄接缝硬化时的板温Tz不超过10℃。     

板式无砟轨道轨道板与砂浆层离缝快速维修技术研究

板式无砟轨道轨道板与砂浆层离缝造成轨道结构应力集中,影响无砟轨道结构平顺性和耐久性。本文针对我国板式无砟轨道轨道板与砂浆层出现的离缝问题,结合国外高速铁路维修经验,提出了适合于我国客运专线运营的快速维修工艺,并对设备和材料进行了可行性分析,确定了异丁烯树脂低压注浆方案。结合已运营的客运专线出现部分轨道板与砂浆层的离缝问题,采用异丁烯树脂注浆加固填充后,轨检数据良好,经过两年运营,表明这套离缝快速维修技术行之有效。     

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。