高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性理论研究

研究目的:目前,纵连轨道板上拱是我国CRTSⅡ型板式轨道主要伤损类型之一。本文基于微分方程法和能量法相结合,采用单波弯曲变形曲线,建立更加符合纵连轨道板实际状态的直板和考虑竖曲线的曲板稳定性分析模型,推导得出稳定性计算公式,研究轨道板稳定性相关参数的影响规律。研究结论:(1)CRTSⅡ型板式无砟轨道应参照无缝线路稳定性理论进行纵连轨道板稳定性分析,得出轨道板最小临界温升幅度,为确定施工锁定板温提供依据;(2)轨道板与砂浆层界面的离缝或削弱是造成轨道板上拱的最直接原因,CA砂浆黏结强度的降低可导致轨道板臌曲临界力大幅度下降,CA砂浆黏结强度降低50%时,临界板温降低25%;轨道板纵向阻力降低50%时,最小临界板温降低5.7%,临界正矢增加38.1%;轨道板初始弯曲越大,最小临界板温越低,临界波长也变长,临界正矢减小;竖曲线对轨道板稳定性的影响很小,最小临界温度力降低不超过1%;(3)本研究成果阐明了纵连轨道板上拱的力学机理和诸多关键参数的影响规律,可为高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性研究提供理论参考。     

施工过程中CRTS Ⅱ型轨道板竖向上拱变形研究

研究目的:CRTSⅡ型板式无砟轨道施工过程中,轨道板窄缝浇筑后纵连前,轨道板处于一种偏心受压状态,在温度荷载作用下轨道板容易产生上拱变形现象。本文利用ANSYS软件,建立温度荷载作用下CRTSⅡ型轨道板上拱变形有限元力学分析模型。通过对轨道板上拱变形过程模拟,分析其上拱变形的基本规律,以及砂浆层粘结强度、板边离缝深度和轨道板温度梯度对轨道板竖向上拱临界温升幅度的影响。研究结论:(1)轨道板上拱变形从板端约第一扣件处逐渐向板中蔓延,当达到某一临界温升幅度ΔT时,将导致轨道板与砂浆层的粘结失效而分离;(2)轨道板上拱临界温升幅度随着粘接强度增大而增大,增大轨道板与砂浆层的粘结强度,不仅可以抑制和延缓轨道板上拱的发生,同时可减小板边上拱程度;(3)施工过程中,采取措施减少轨道板与砂浆层的离缝面积,有利于提高轨道板上拱的临界温升幅度;(4)温度梯度的作用会加速轨道板上拱变形;(5)不同温度状态下的轨道板上拱变形现象,可反映出轨道板与砂浆层之间的不同粘结状态;(6)该研究成果对于完善CRTSⅡ型板式轨道的施工技术具有指导意义。     

纵连板式无砟轨道-PC简支箱梁协同工作分析

研究目的:为研究箱梁发生徐变上拱时底座板与箱梁顶面接触面间发生应力重分布对箱梁徐变上拱的影响,本文在ANSYS有限元平台上建立纵连板式无砟轨道-32 m PC简支箱梁体系的协同工作分析模型,分析混凝土收缩徐变及预应力筋松弛引起的箱梁长期变形及其对滑动层与CA砂浆应力的影响。研究结论:(1)梁-轨体系下箱梁的跨中徐变上拱小于将无砟轨道体系等二期恒载换算成均布荷载施加在单独箱梁结构上的徐变上拱,持荷1 500 d时前者徐变上拱为后者的72. 2%;(2)箱梁徐变上拱使底座板与箱梁之间产生应力重分布,导致梁端附近一段区域的底座板与箱梁之间压应力降低甚至局部出现脱空现象,该区域压应力往跨中方向转移;(3)箱梁徐变上拱亦使底座板及轨道板间发生应力重分布,在梁端附近一段区域的CA砂浆出现拉应力,但底座板与轨道板间尚未脱空;(4)本研究成果揭示了纵连板式无砟轨道-箱梁结构体系的协同工作机理、箱梁长期变形规律及其对层间应力重分布影响,可为深入研究箱梁-轨道体系协同工作提供参考。     

接缝弱化后纵连板式无砟轨道温度效应研究

目前,纵连板式无砟轨道夏季高温胀板问题严重。高温产生的巨大温度应力导致轨道结构发生众多病害,其中,轨道板上拱尤为严重,已威胁高速列车的运营安全。为有效释放结构内部的温度应力,减少病害发生,通过建立设有弹性填充层的纵连板式无砟轨道计算模型,引入内聚力单元和混凝土损伤塑性本构,探讨两种节段长度及不同弹性模量下,整体温升作用时,宽窄接缝弱化对轨道结构应力、变形及损伤的影响。研究表明：(1)设置弹性填充层后,轨道板和接缝的纵向应力均得到一定程度释放,但会伴随着发生局部偏心和应力增加;(2)弹性填充层的设置会使接缝、轨道板和层间界面损伤产生的临界温升降低,结构损伤较大时,轨道板和接缝的应力释放会受到限制,并且弹性填充层附近也会产生一定上拱增量;(3)两种节段长度下,损伤和应力释放量均会随着弹性模量降低逐渐增大,因此,节段长度为4块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于1 775 MPa并低于3 550 MPa,节段长度为3块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于355 MPa并低于1 775 MPa;(4)两种节段长度下,随着弹性模量降低,轨道板和钢轨最大上拱增量逐渐增大,对于钢轨,两种节段长度下的...     

徐变上拱对桥上纵连无砟轨道线路动力影响

研究目的:高速铁路预应力桥梁会出现徐变上拱,而高速铁路对线路平顺性要求高,预应力桥梁徐变上拱引起的不平顺对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统有何影响,是工程界十分关注的问题。本文基于列车-轨道耦合动力学理论,建立考虑无砟轨道-桥梁系统各部件间接触状态非线性的高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型并进行相应验证,运用所建模型,对列车在桥上纵连板式无砟轨道线路桥梁徐变上拱地段高速行驶时耦合系统的动力特性进行研究,旨在探讨其影响规律。研究结论:(1)桥梁徐变上拱对车体振动加速度影响非常显著,对桥梁振动加速度虽有影响,但不太显著;(2)桥梁徐变上拱对最大轮轨力、钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力均有一定的影响,但影响规律不一,对最大轮轨力影响比较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响则比较大;(3)桥梁徐变上拱引起的无砟轨道-桥梁间局部脱空对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性有显著影响;(4)本研究成果可为高速铁路桥上纵连板式无砟轨道线路徐变上拱大小控制提供理论依据。     

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.     

单元双块式无砟轨道对隧底上拱变形的适应性研究

针对隧底结构上拱变形容易导致双块式无砟轨道产生离缝或裂纹的问题,提出单元式道床板结构。采用双线性内聚力模型,计算分析隧底上拱条件下单元式道床板与隧底仰拱回填层之间黏结作用和预埋钢筋对轨道结构受力、变形以及层间状态的影响规律,并与纵连式道床板进行对比。结果表明：对于单元式道床板,层间黏结作用可有效抑制离缝的产生,黏结附加力使得道床板拉应力略有增大;层间初始黏结作用良好条件下预埋钢筋对轨道结构受力及变形影响不显著,上拱幅值过大使得层间黏结失效后预埋钢筋可改善层间状态。与纵连式道床结构相比,单元式道床板应力水平明显降低,离缝范围较小,层间离缝主要位于上拱中心板端位置。     

高铁简支梁桥上纵连板式无砟轨道稳定性研究

本文通过用实体单元、接触单元、仅受压的杆单元、非线性弹簧单元分别模拟轨道结构、层间约束关系、桥梁对轨道的支撑及扣压型侧向挡块对轨道结构的约束,建立高速铁路简支梁桥上纵连板式无砟轨道稳定性分析模型。通过理论计算验证模型的正确性,在此基础上,比较层间约束、砂浆层切面刚度以及扣压型侧向挡块设置方式对桥上纵连板式无砟轨道稳定性的影响。研究表明:传统稳定性检算方法的基本假定与实际不符,计算结果偏于不安全;轨道结构稳定性分析需考虑实际层间非线性约束,层间约束越弱,轨道结构稳定性越差;未布置扣压型侧向挡块时,纵连板式无砟轨道结构整体温升18.9℃即失稳;轨道结构最大容许温升为30℃时,扣压型侧向挡块的间距不宜大于18.3m;提高砂浆层施工质量、减小挡块间距可有效提高轨道结构稳定性。     

制动力作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道层间剪切破坏规律研究

层间剪切破坏是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一。根据CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,建立钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、宽窄接缝三维有限元模型,采用双线性黏结滑移模型模拟CA砂浆层与轨道板间的黏结关系,根据轴距和车辆定距确定轮载与制动力加载位置,研究制动力作用下,不同制动力率、界面参数下轨道板和CA砂浆层间剪切破坏的影响机理。结果表明,制动力率对于界面剪切应力与界面伤损分布影响较小,界面的黏结性能对于制动力作用下的界面剪切应力与界面伤损分布影响较大;制动力对扣件四周的轨道板与CA砂浆界面黏结破坏作用较大,对于板中间位置界面黏结基本无影响;相同制动力作用下,起始伤损位移越小,界面越容易发生伤损;过大的剪切刚度会对层间界面的黏结产生不利影响。     

轨道板与砂浆粘结试验及内聚力模型参数研究

研究目的:目前轨道板与CA砂浆层离缝损伤是我国CRTSⅡ型板式无砟轨道主要损伤形式,本文为研究砂浆层离缝损伤机理,制作混凝土和砂浆复合试件进行劈拉和剪切模型试验,采用数字图像相关(DIC)技术得到加载过程的层间应变场分布,分析得到内聚力模型参数,并采用有限元软件计算内聚力模型参数且与试验结果进行对比验证,得到轨道板与砂浆层间力学特性及其破坏模式。研究结论:(1)DIC技术能较好地描述复合试件的层间应变场分布,以及层间损伤、裂纹萌生、扩展及破坏的全过程;(2)轨道板与砂浆层间粘结破坏属脆性破坏,层间法向和切向张力-位移关系均表现为双线性关系;(3)轨道板与砂浆层间参数可取法向内聚强度1.792 MPa、界面刚度708.485 MPa/mm、临界断裂能0.025 2 mJ/mm~2,切向内聚强度0.956 MPa、界面刚度63.039 MPa/mm、临界断裂能0.018 mJ/mm~2;(4)本研究成果可用于分析轨道板与砂浆层间损伤开裂行为,可为Ⅱ型板式轨道结构的设计及维修提供理论依据。     

CRTSⅡ型板式轨道施工过程中轨道板受力特性分析

无砟轨道早期病害是影响其长期服役寿命的重要因素。应用 CRTSⅡ型板式轨道有限元计算模型,对轨道板铺设过程中的受力特性进行了分析。计算结果表明,在轨道板起吊和精调过程中,其板面最大拉应力可能发生超过或接近混凝土抗拉强度的情况,将会引起横向裂纹;轨道板灌注 CA 砂浆层后,纵连前板角区域温度翘曲应力超过 CA 砂浆层抗压强度,容易出现离缝;轨道板纵连后温度翘曲应力则大为降低。加强起吊过程控制、调整精调千斤顶位置与及时进行轨道板纵连是控制CRTSⅡ型板式轨道早期病害的重要手段。     

温度荷载下纵连式无砟轨道梁轨耦合作用规律

研究目的:温度荷载下梁轨耦合作用规律是桥上铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道的基础,本文针对简支梁和连续梁,建立多钢轨、整桥系统的计算模型,对其梁轨耦合作用规律及其影响因素进行较为全面、细致的分析,以期为桥上纵连板式无砟轨道无缝线路的设计、施工及后期养护维修提供参考。研究结论:(1)纵连板的钢轨伸缩力与梁跨布置没有明显的映射关系,近似呈对称分布,这主要是由轨道板的位移分布特点所决定的;(2)底座板是梁轨系统中的关键部件,其伸缩影响着系统其他部件的受力与变形,端刺为底座板的锚固装置,其刚度直接决定着底座板的伸缩位移大小;(3)受梁板相对位移的影响,滑动层、"两布"隔离层、端刺产生的纵向力均会引起底座板纵向力的变化,变化幅度近似为其摩阻力或纵向力;(4)降温工况下,钢轨、轨道板、底座板三层纵连结构受桥梁伸缩的影响不大,但在剪力齿槽处波动较大;(5)滑动层摩擦系数是轨道结构中极其重要而又难以监控的参数;增大CA砂浆粘结力对轨道结构受力有利,建议严控施工质量;(6)该研究结论对纵连板式无砟轨道设计优化理论和工程实践具有一定的指导意义。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道层间传力规律及离缝破坏研究

水泥乳化沥青砂浆层离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要病害。本文采用双线性黏结滑移模型表征轨道板与砂浆层的黏结关系,对推板时的层间传力规律进行理论分析;利用有限元方法,根据推板试验结果对层间参数进行拟合,研究推板时层间传力规律;基于黏结滑移模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道三维有限元模型,分析极限温度梯度荷载作用下层间破坏规律。结果表明:温度梯度荷载作用下,层间的伤损主要产生在板边,与现场观察的离缝一致;层间黏结强度的增加能够减小层间伤损值及伤损区域,黏结强度小于0.025 MPa时在正温度梯度荷载作用下轨道板容易出现上拱现象;该层间模型中的弹性段长度δ_1值对层间传力规律影响较大,δ_1值的增加能够有效减小层间伤损值及伤损区域。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板机理及整治措施深化研究

CRTSⅡ型板式无砟轨道在高温季节起拱、胀板,危害运营安全。基于运营及养护维修实践,分析得出温度荷载是轨道板胀板的主要因素,其中整体升温荷载引起结构纵向伸缩变形,温度梯度荷载引起轨道板翘曲变形。另外,轨道板与CA砂浆层间受到水、温度荷载、列车荷载等外部因素作用,导致结构分层,轨道板与底座板不能共同受力,削弱了纵连轨道结构体系的整体抗压刚度、竖向约束和稳定性能,是胀板病害进一步发展恶化的次要因素。为了有效防止CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板,在不破坏设计结构的前提下,提出轨道板预先植筋加固处理的整治措施,并在实践中取得了良好的效果。后续可根据胀板机理,进一步开展隔热涂层、CA砂浆改性等方面的研究。     

实测温度下大跨度桥上纵连无砟轨道受力研究

研究目的:既有桥上纵连板式无砟轨道研究多考虑桥梁整体温度变化而忽略温度梯度的影响,为探明高速铁路大跨度桥上纵连板式无砟轨道系统受力规律,本文基于长期实测温度场数据,利用统计方法获得结构具有概率保证的非线性温度模式,建立考虑钢轨-轨道板-底座板-梁体-桥墩的空间一体化有限元模型,选取沪昆客运专线某大跨连续梁桥工程实例,计算分析实测非线性温度模式下桥上各层轨道结构相对位移以及钢轨纵向附加力的分布规律。研究结论:(1)只考虑轨道板及底座板实测温度模式时,钢轨附加应力基本为0;(2)桥梁温度梯度会引起梁缝处钢轨附加应力的急剧增大,在研究桥上纵连板式无砟轨道时需考虑桥梁温度梯度的影响;(3)大跨度连续梁桥固结机构处水泥沥青砂浆变形会超过其实测极限变形位移,建议在连续梁固结机构上方同样设置剪力钢筋;(4)无砟轨道断板会导致钢轨附加应力急剧增大,因此应严格限制纵连板式无砟轨道断裂的发生,若需更换轨道板及底座板时,应在合龙温度范围进行更换;(5)本研究结果可为大跨度桥上纵连板式无砟轨道的设计与改进提供参考。     

桥上纵连板式无砟轨道结构的温度翘曲变形及整治

介绍桥上纵连板式无砟轨道特点,观测和分析高速铁路桥上轨道板温度梯度及温度翘曲变形,对轨道板离缝进行统计,并对其机理进行分析,提出轨道板CA砂浆离缝整治可根据离缝宽窄及所处区段,采用接缝凿除释放应力、钻孔下压锚固与注浆相结合方案.     

CRTSⅡ型板式无砟轨道植筋修复方案优化研究

服役于自然环境下的纵连无砟轨道对温度荷载具有较强敏感性,在夏季高温作用下易产生轨道板上拱与层间相对变形等病害,严重影响列车运行安全。对服役状态下CRTSⅡ型板式无砟轨道进行植筋加固是现阶段控制轨道病害的主要措施。为研究植筋锚固方案的可行性,试验分析植筋后轨道板与砂浆层之间粘结性能变化规律。基于试验,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道植筋锚固修复有限元模型,确定了最优的植筋数目和植筋位置。结果表明：轨道板植筋数量超过8根时,对抑制轨道板高温上拱变形的效果无明显差异;建议工务部门在植筋修复后,进一步关注植筋孔与接缝等位置处的开裂与破坏。     

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。     

夏季高温下支承层斜裂缝诱发纵连板上拱规律研究

在夏季高温作用下,支承层斜裂贯通缝可能导致结构上拱变形,衍生次生病害。基于内聚力和塑性损伤理论建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元模型并与现场实测结果对比验证模型的有效性,分析夏季高温作用下支承层斜裂缝导致的结构上拱变形、离缝、受力和伤损规律。结果表明,温度荷载作用下,斜裂缝一旦贯通,轨道结构变形急剧增大。随温度升高,支承层相互错动,CA砂浆层与支承层先离缝,随后轨道板与CA砂浆层离缝,轨道结构上拱变形。结构性能随温度演化过程可分为0～20℃的缓慢发展阶段、20～30℃的加速发展阶段和大于30℃的飞速破坏阶段。贯通斜裂缝位于板中,角度30°时,轨道结构变形达到最大值26 mm。建议温度大于30℃时,检修重点关注角度不大于45°的板中斜裂贯通缝。     

CRTS Ⅰ型CA砂浆劣化对其疲劳寿命的影响分析

研究目的:CA砂浆脱空是板式轨道的典型伤损,在列车荷载作用下,CA砂浆劣化将降低其疲劳寿命。为研究CA砂浆劣化对其自身疲劳寿命的影响,本文建立CRTSⅠ型板式轨道有限元模型,以Miner线性疲劳累计损伤准则为基础,研究CA砂浆在不同劣化情况下的应力和疲劳寿命,从而为无砟轨道的养护维修提供参考。研究结论:(1)仅考虑CA砂浆性能劣化50%时,列车荷载作用下CA砂浆所受的应力及疲劳寿命均减小,但仍能满足60年的使用寿命;(2)仅考虑CA砂浆层脱空和同时考虑CA砂浆层脱空与性能劣化50%时,CA砂浆层的压应力显著增大,疲劳寿命显著降低;(3)CA砂浆层板端脱空长度达到1.225 m时,CA砂浆的疲劳寿命不再满足60年的使用寿命;(4)建议CA砂浆的脱空长度应小于1.225 m,且在CA砂浆的服役寿命内加强养护维修,防止CA砂浆发生疲劳破坏;(5)本研究成果可为板式轨道CA砂浆的养护维修提供指导。