城际铁路弹性支承块式无砟轨道结构优化及检算

为合理控制城际铁路轨道工程投资,针对城际列车轴重轻、编组小的特点,对弹性支承块式无砟轨道进行结构优化设计与检算分析。基于数值分析理论及有限元分析方法,研究隧道内弹性支承块式无砟轨道在设计轮载及现浇混凝土收缩荷载组合下裂缝开展情况,并进行道床板配筋设计及裂缝宽度检算;基于定额测算对比城际铁路与客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道的经济性。结果表明:城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板纵向只需配构造钢筋,按照配筋设计检算得出的道床板横向最大裂缝宽度为0.205 mm,小于裂缝容许值;相比于客货共线铁路,城际铁路弹性支承块可降低投资约10%。     

列车荷载在双块式无砟轨道中静态传递特征研究

为研究列车荷载在双块式无砟轨道中的传递规律,建立列车荷载静态传递规律精细化分析模型,分析荷载在双块式无砟轨道中的传递路径、范围及影响因素.研究结果表明:荷载在双块式无砟轨道中的传递分为上下2部分,道床板内为荷载扩展区,扩散角为20°左右,支承层内为荷载均化区,荷载分布已较为均匀;荷载传递范围及量值均随动力系数的增加而显著增大;混凝土强度等级增加,荷载扩展区承载范围减小;下部基础为桥梁或隧道时,荷载均化区分布范围更为集中,可以适当提高支承层内混凝土强度、优化宽度来提高轨道结构合理性和经济性.     

重载列车下弹性支承块式无砟轨道静载试验

研究目的:弹性支承块式无砟轨道是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。夺文以中南部通道隧道内弹性支承块式无砟轨道为研究对象,通过开展足尺模型静载试验,研究单个支承块在道床板板端竖向荷载(工况一)、板端横竖向荷载(工况二)、板中竖向荷载(工况三)作用下的受力性能及轨道结构裂缝发展趋势。研究结论:(1)以30 t轴重列车静荷载作为参考,工况一道床板和支承块混凝土分别在3. 3、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况二道床板和支承块混凝土分别在3. 0、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况三道床板和支承块混凝土分别在4.9、2. 9倍静轮载时达到轴心抗拉强度;(2)工况一道床板裂缝出现于支承块角点位置及支承块长侧边中线位置,并扩展至道床板短侧面,角点处裂缝延伸扩展呈"八"字型,工况三道床板未见明显开裂;(3)列车横向荷载导致支承块角点位置道床板混凝土受力增加;(4)本研究成果对于弹性支承块式无砟轨道的设计、施工及维护具有重要的指导意义。     

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。     

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...     

基于等寿命设计理念的CRTSⅢ型板式无砟轨道配筋优化

针对非预应力轨道板在CRTSⅢ型板式无砟轨道上的适应性开展研究,将组成复合道床板的普通钢筋混凝土轨道板与自密实混凝土层考虑为等寿命的结构层,基于极限状态法对复合道床板进行配筋设计。考虑列车荷载、温度荷载和基础变形的共同作用,确定自密实混凝土层配筋,轨道板配筋时还需考虑其在制造、运输和施工时的受力状态。计算结果表明:自密实混凝土层纵向钢筋由耐久性要求确定,横向钢筋按照最小配筋率进行配筋即可满足要求;理论计算得到的轨道板下层纵、横向钢筋还需根据构造要求进行相应调整;与现有普通钢筋混凝土轨道板对比,优化后的轨道板配筋节约18.4%,复合道床板整体配筋节约4.4%。研究结果可为普通钢筋混凝土CRTSⅢ型板式无砟轨道技术在温暖地区推广使用提供理论支撑。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

列车竖向荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性试验研究

采用1∶1足尺模型对列车竖向静荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性进行试验,并对CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论分析模型进行验证。按实际工艺在实验室内建造一段CRTSⅡ型板式无砟轨道,通过试验机和分配梁模拟同一转向架2个轮对的竖向荷载,利用应变片、应变计、压力盒和位移计等测试元件,对钢轨、轨道板、水泥乳化沥青砂浆和底座的受力与变形进行测试。根据无砟轨道梁板和梁体理论,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元分析模型,对轨道结构在相同荷载工况下的受力与变形进行理论分析。将试验结果与计算结果进行对比,验证CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论模型的正确性和适应性。     

CRTS-I型板式无砟轨道疲劳寿命研究

为研究无砟轨道在列车荷载和环境温度共同作用下的疲劳特性,以CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,建立弹性地基梁-体模型,计算出列车荷载和温度梯度作用下轨道结构的垂向最大应力,并结合普通混凝土结构S-N曲线的疲劳寿命分析方程和CA砂浆在不同温度时的疲劳方程,预测了CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层在规定服役年限内的疲劳寿命。计算表明,对于有限的作用次数,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层受到的最大应力均未超过相应的混凝土强度值。根据各结构层最大应力预测出的相应疲劳寿命表明,CA砂浆在25~30年后将出现疲劳损伤,而在规定年限60年内,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道其他结构层不会出现疲劳损伤,能达到客运专线服役期内的要求。     

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。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

CA砂浆脱空对框架型轨道板翘曲的影响分析

CA砂浆填充层作为框架型板式轨道关键结构层,长期暴露于自然环境中,受列车荷载冲击、温度循环以及水的侵害等作用,砂浆层与轨道板间易产生脱空,劣化轨道结构受力状态。基于无砟轨道弹性地基梁体模型,分析了正常状态和砂浆层与轨道板间出现脱空时框架型板式轨道在温度梯度荷载作用下的受力情况,并针对板端横向全部脱空和板边纵向全部脱空两种常见脱空形式进行分析。结果表明,较低的砂浆弹性模量可减小轨道板翘曲和缓解列车荷载冲击作用;对于脱空状态,在正温度梯度作用下,轨道板受力和板角翘曲变形受脱空程度影响较大,而对砂浆层受力影响较小;在负温度梯度作用下,轨道板和砂浆层受力状态受脱空程度影响均不明显。     

客运专线桥梁挠曲变形对CRTSⅠ型板式无砟轨道结构受力影响分析

对列车荷载通过桥梁而梁体发生挠曲变形时,CRTSⅠ型板式无砟轨道结构受到的附加挠曲力进行分析。首先推导了桥梁挠曲变形对无砟轨道结构受到的附加挠曲力的计算方法,然后分别对我国时速300～350km、200—250km的几种主要桥梁、上CRTSⅠ型板式无砟轨道的轨道板和底座板受到的附加挠曲力进行计算,为CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构设计提供参考。     

重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

为给孟加拉帕德玛大桥铁路连接线桥上无砟轨道结构选型提供依据,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析不同轴重货车通过桥上不同类型无砟轨道时的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,桥上无砟轨道部件的动力响应明显增大;从降低轨道结构位移的角度考虑,优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构;从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑,应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。重载铁路桥上无砟轨道选型应综合考虑桥上无砟轨道的动力特性、线路特点及其与相关专业的接口等因素综合确定,相关成果可为重载铁路桥上无砟轨道选型提供参考。