无砟轨道层间裂纹内动水压力特性分析

在雨水丰富和排水不畅的地区,水对无砟轨道层间裂纹扩展的影响比较突出.为研究高速列车作用下无砟轨道裂纹内水压力的分布规律及压力大小的影响因素,基于质量守恒和动量定理,采用控制体积法,导出了裂纹内动水压力分布解析式.应用有限元分析软件ANSYS和CFX,分析了荷载频率、荷载幅值、裂纹深度、裂纹开口量等对动水压力的影响.分析结果表明:沿着裂纹出口的方向,水压力呈减小趋势,其最大值发生在裂纹尖端处;动水压力与荷载频率近似呈二次方关系,与荷载幅值呈线性关系,与裂纹开口量呈一次反比关系.在幅值为10 kN、频率为5 Hz荷载作用下,水压力分布的试验测试结果与理论分析基本一致,两种方法获得的水压力峰值分别为0.177、0.161 kPa.      

注胶与植筋对纵连板式无砟轨道受力变形的影响

针对采取维修措施后纵连板式无砟轨道在高温荷载下的受力变形问题，考虑轨道板与砂浆层间界面黏结应力-位移非线性本构关系、植筋结构应力-滑移非线性本构关系，建立了纵连板式无砟轨道力学行为分析有限元模型，并对其施加非线性高温荷载，对比分析了注胶、植筋与2种措施共用对纵连板式无砟轨道受力变形与结构损伤的影响规律。研究结果表明：对于轨道板两侧存在0.2 m层间离缝、一宽窄接缝存在破损的基本工况，注胶、植筋与2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间离缝最大值分别为未采取维修措施时的63%、20%和18%,破损接缝混凝土受压损伤最大值分别为未采取维修措施时的51.0%、6.8%和5.5%;对于宽窄接缝结构状态较差的纵连板式无砟轨道，植筋措施的维护效果远好于注胶措施，而2种措施共用的效果更佳；注胶措施对纵连板式无砟轨道端部垂向位移、层间损伤和宽窄接缝受压损伤的限制作用随注胶深度的增加而增强；仅采用注胶措施情况下，若要达到2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间损伤的幅值范围，注胶板块数需不小于2,且双侧注胶深度均需不小于0.9 m,建议在仅采取注胶措施时，充分保证注胶维修面积。     

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.      

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.      

CRTSⅠ型双块式无砟轨道冬季温度场试验

为探讨无砟轨道结构温度场分布,通过对成都地区CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构冬季温度场监测,分析了不同天气轨道结构温度场的变化规律.基于数理统计方法,提出了成都地区双块式轨道道床板冬季垂向温度荷载模式.研究结果表明:道床板昼夜温度变化较大,支承层温度变化较小,道床板表面最大温差17.50 ℃,支承层底面最大温差0.35 ℃;随深度增大,温度变化幅值减小,道床板温度峰值滞后于气温峰值;轨道结构最大正温差出现在14:30左右,最大负温差出现在约08:00;道床板温度沿深度呈指数函数关系.      

列车荷载对板式无砟轨道力学性能的影响分析

为研究无砟轨道混凝土在客、货车作用下的劣化规律,基于损伤力学概念,引入损伤变量对混凝土室内循环加载进行试验研究. 首先,建立钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆层-底座板-地基有限元实体模型,获取试件试验等效应力水平,通过列车车速确定加载频率,然后确定合理的荷载组合模拟工况;其次,应用MTS加载系统对混凝土试件进行循环加载测试,利用无损检测系统测试了不同加载次数下混凝土的动弹性模量以及抗折强度;最后,将动弹性模量和抗折强度作为损伤变量,根据测试结果得到不同应力水平、加载频率作用对轨道板材料力学性能劣化规律的影响. 试验结果表明:在客货车荷载作用下,动弹性模量的损伤程度在加载200万次时约为抗折强度的损伤程度的2倍;应力水平一定时,加载频率越小,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤程度越大,并且在10 Hz与15 Hz频率之间较明显;加载频率一定时,应力水平越大,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤越严重,应力水平为0.7的混凝土在1 000次左右的加载循环加载下发生破坏;低速的客货车荷载会加快混凝土初期损伤,较高速度的客货车荷载会加速无砟轨道结构后期损伤的发展.      

减振型装配式轨道设计方案理论与试验研究

为适应城市轨道交通大规模建设和满足减振需求，提出一种新型装配式无砟轨道结构，建立车辆-无砟轨道耦合动力分析模型和室内实尺试验模型，对减振型装配式轨道结构力学性能进行研究.研究表明：减振型装配轨道结构在列车动载作用下的系统动力响应指标均在安全限值范围内，满足行车安全性和舒适性要求；静载试验轨道结构混凝土最大压应变为-129.6με，远小于混凝土极限应变值；卸载后残余变形很小，轨道弹性较好，结构承载能力满足要求；在疲劳荷载作用下，结构整体受力变形较小，未见裂纹，抗疲劳性能良好；轨道振动从上往下逐层递减，频率为100～125 Hz，最大减振效果可达12.4 dB，结构减振效果显著且减振稳定性较好.     

CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验

为了研究列车疲劳荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横向受力性能,采用实际工程施工现场的材料及施工工艺,利用足尺模型,切割制作6个单承轨台或双承轨台的板式无砟轨道试件,进行橡胶板模拟路基上板式无砟轨道结构的横向弯曲疲劳试验,得出列车疲劳荷载引起的横向弯矩作用下板式轨道试件的应力、变形分布规律及疲劳损伤的发展形态.试验结果表明,在15.0~255.0 kN和42.5~425.0 kN疲劳荷载作用下,模拟路基上单承轨台和双承轨台的试件板中位置轨道板上表面先出现纵向裂缝,随后轨道板横向预应力筋锚固端出现由锚头向轨道板上表面的劈裂裂缝,累计疲劳500万次后,三点弯曲模式下轨道板-充填层复合板试件的自密实混凝土开裂荷载和层间滑移荷载分别减小20%~30%和25%以上,疲劳损伤、层间离缝对轨道板与充填层的协同工作性能有不利影响.      

路基不均匀沉降下无砟轨道受力与变形传递规律及其影响

针对路基上CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构特点, 分别建立了相应的有限元模型, 研究了路基不均匀沉降作用下不同板式无砟轨道受力与变形的传递规律及其影响。分析结果表明: 路基不均匀沉降发生后, 上部轨道结构的垂向变形具有一定跟随性, 变形与沉降曲线相近但不完全重合; 底座板伸缩缝的存在对轨道结构的受力和变形有较大影响, 在20 mm/20 m沉降条件下, CRTSⅠ、CRTSⅡ型板的垂向位移分别达沉降幅值的90%和60%, 相对CRTSⅠ型板而言, 沉降对CRTSⅡ型板的垂向位移影响较小, 但后者更易形成较大范围的离缝, 离缝长度达6.52 m, 为CRTSⅠ型板离缝长度的1.92倍; 当沉降幅值位于底座板中心时, 离缝主要集中在伸缩缝、沉降端部和沉降中心, 但当沉降幅值位于伸缩缝处时, 离缝主要集中在伸缩缝两侧和沉降端部; 沉降波长或幅值改变时, 会导致最大离缝位置出现偏移; 在路基不均匀沉降作用下, CRTSⅠ型板的底座板纵向最大拉应力均大于轨道板的纵向最大拉应力, 而CRTSⅡ型板的情形则相反; 从混凝土强度考虑, CRTSⅠ型板沉降控制标准应以底座板的拉应力控制为主, 而CRTSⅡ型板应以轨道板和底座板的拉应力综合控制。      

板边离缝对CRTS III型轨道-路基动力特性的影响

为了研究板边离缝对高速铁路基础结构动力特性的影响,利用CRTS III型板式轨道-路基全尺寸试验模型开展了落轴试验,实测了轨道板与自密实充填层一侧界面处离缝的几何分布,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了相应的动力有限元分析模型,分析了板边离缝对轨道和路基结构冲击动力特性的影响规律,并利用相应的试验结果对数值结果进行了对比验证. 研究结果表明:轨道板和自密实层界面处单侧离缝的平均宽度和平均高度分别为28.18 cm和2.15 mm;板边离缝宽度对基础结构动力特性的影响要大于离缝高度;在0～800 mm的范围内,随着离缝宽度的增加,轨道和路基位移以及钢轨加速度、轨道板加速度和基床底层加速度都持续增加,其中轨道板的位移和加速度的增幅均为最大,分别为56.8%和143.3%,充填层、支承层和基床表层的垂向加速度随离缝宽度的增加先增大后减小,当离缝尖端扩展至钢轨正下方附近时达到最大值;在0～3 mm的范围内,轨道和路基垂向位移与加速度均随离缝高度的增大而略微增加,最大增幅分别为8%和12%;越靠近离缝界面层面,离缝高度对其冲击动力特性的影响也越显著.      

一送两受式无砟轨道电路发送信号频率

为确定一送两受式无砟轨道电路发送信号的频率范围,根据无砟轨道电路一次侧参数的频率特性和一送两受式无砟轨道电路调整态、分路态和断轨态的四端网系数表达式,在不同的道砟最小电阻、表面电导系数、输入端阻抗和输出端阻抗初始值下,用图解法对断轨灵敏度和分路灵敏度频率特性进行了仿真分析.结果表明:当一次侧参数为无砟轨道电路标准参数时,一送两受式轨道电路信号频率不应大于700 Hz.     

单元双块式无砟轨道道床板长度的确定

为确定双块式无砟轨道道床板的合理单元长度,采用数值模拟的方法分析了列车荷载、纵、横向荷载、温度力、温度梯度作用下不同单元长度轨道结构的应力、应变响应;在此基础上,计算了不同长度单元板的裂缝宽度及所需的最小配筋率.现场试验结果表明:单元板长度越大,内部应力、板端位移量和板中裂缝宽度越大,满足裂缝宽度限值的配筋率越大;单元双块式无砟轨道板的长度宜小于8.0 m,推荐兰新二线采用长6.5 m的单元双块式无砟轨道道床板.      

考虑界面初始黏结缺陷的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度变形

针对中国高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道界面初始黏结缺陷导致轨道结构温度变形进一步增大的现象, 基于电荷耦合器件(CCD)工业相机与计算机图片处理技术, 建立了板式无砟轨道界面空隙率试验检测系统, 测试了3块CRTSⅡ型板式无砟轨道板与水泥沥青(CA)砂浆界面的初始空隙率; 在有限元模型中以界面空隙率定量表征了界面的黏结状态, 即根据界面空隙率检测结果, 考虑界面存在一定量值的初始空隙率, 并假设这些空隙均匀分布在整个界面上, 系统分析了界面初始黏结缺陷对板式无砟轨道温度变形的影响。研究结果表明: 3块轨道板样本界面的初始平均空隙率为22.3%, 界面四周的初始黏结状态明显差于轨道板界面中心; 在正、负竖向温度梯度作用下, CRTSⅡ型板式无砟轨道分别呈现中心上拱和四周翘曲的温度变形模式; 正温度梯度作用下轨道板最大温度变形与不考虑界面初始黏结缺陷相比增大了7.8%~10.1%, 且随着界面初始空隙率的进一步增大, 轨道板最大上拱温度变形呈线性增大趋势; 负温度梯度作用下, 界面空隙率的增大对轨道板温度变形的影响不大; 在分析CRTSⅡ型板式无砟轨道温度变形时应适当考虑轨道板与CA砂浆的界面初始黏结缺陷, 研究结果可为分析CRTSⅡ型轨道板上拱温度变形机理提供参考。      

高速列车对站房振动噪声影响的试验研究

为研究列车通行对综合交通枢纽振动噪声的影响,以成渝高铁沙坪坝站为工程背景,通过现场试验实测了站房候车厅、站台、轨道板的振动加速度以及候车厅、站台区域、轨行区的辐射声压.通过对实测信号分别进行了时域分析和1/3倍频程分析,探究了列车作用下站房的振动传递规律及噪声辐射特性.结果表明:在列车运行荷载作用下,站房与站台的结构振动优势频段为10.0～80.0 Hz,振动随振源距离的增大而减小,站台到候车厅总振级衰减最大值达到13.5 dB;轨道板峰值振动加速度级出现在400.0 Hz处,约为101.0 dB;对候车厅而言,噪声声压级的优势频段为20.0～2 500.0 Hz,列车进站总声压级比列车出站高0.5～1.3 dB(A);对站台而言,噪声的优势频段为125.0～1 000.0 Hz,列车出站总声压级为86.3 dB(A),比列车进站时高1.3 dB(A);对轮轨噪声自身,其优势频段为200.0～2 500.0 Hz,列车进站噪声总声压级为91.1 dB(A),较列车出站时高3.2 dB(A).     

荷载与渗压耦合作用下沥青面层层底裂纹扩展分析

基于线弹性断裂力学原理和有限元分析方法,对汽车荷载与动水压力耦合作用的面层层底含裂纹的沥青路面进行裂纹扩展规律研究与分析.结果表明:动水压力的作用明显改变了对称荷载与偏荷载作用下沥青面层层底的裂纹扩展规律,并随着动水压力增大,裂纹尖端呈现张拉型扩展与剪切型扩展共同作用的复合形式,从而加速了沥青路面的破坏.     

浮置板轨道减振垫的刚度测试与评价

为了科学测试与评价浮置板轨道减振垫刚度,为浮置板轨道静动力学特性分析提供准确的计算参数,通过有限元仿真计算减振垫测试样品的荷载施加范围,应用配备温度箱的力学试验机并结合温频等效原理测试了减振垫静刚度以及5.0、10.0、20.0、30.0 Hz频率下的动刚度;在得到减振垫准确力学参数的基础上,对比分析了采用传统4.0 Hz参数与真实频变参数对浮置板轨道固有频率以及导纳特性的影响. 研究结果表明:浮置板轨道变形、静力学分析以及底座板弯曲变形应分别采用3种不同荷载范围下的静刚度;浮置板轨道调谐频率,安全性以及减振效果应分别采用3种不同预压条件下的动刚度;无（有）车载条件下聚氨酯减振垫4.0 Hz参数得到的浮置板固有频率为27.0 Hz （15.5 Hz）,而考虑频变刚度的真实固有频率为31.5 Hz （18.3 Hz）;采用4.0 Hz减振垫参数分析浮置板振动传递特性将会低估浮置板轨道固有频率,高估隔振频带及隔振效果;当采用浮置板轨道真实一阶固有频率对应的减振垫参数,其导纳计算结果与考虑减振垫真实频变特性基本一致.      

单元板式轨道脱空伤损识别的柔度曲率特征值法

为了实现对CRTS Ⅲ板式无砟轨道结构中轨道板板底脱空伤损的识别和定位,首先通过轨道结构模型的模态分析,获取其结构的柔度矩阵,结合高斯曲率和降噪数据处理构建柔度曲率特征值矩阵,利用非伤损区域内反映不规则突起对伤损定位影响的准确性指标和反映识别伤损范围的有效性指标得到合理的测点密度,最后建立多种伤损工况,研究该指标识别的应用范围. 研究结果表明:已脱空轨道板的柔度曲率特征值在伤损区域内存在明显突起,且峰值位置与伤损区域中心吻合,可在无基准参数下有效识别CRTS Ⅰ及CRTS Ⅲ型两种材料性能不同的单元板式轨道板底的隐蔽伤损;针对板底大于0.4 m × 0.4 m的脱空伤损,采用测点密度为0.2 m时有利于降低噪声对伤损定位准确性的影响,提高伤损范围识别的有效性;当轨道板底伤损区域边长大于0.3 m时,可利用柔度曲率特征值进行伤损识别和定位;轨道板柔度曲率最大绝对值随脱空尺寸变大而增加,二者基本呈线性关系,结合柔度曲率特征值的可视化图形可进行伤损面积识别.      

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。