钢轨-弹性支承块式道床-隧道底板相互作用数值模拟

为研究轨道与隧道结构相互作用规律,建立弹性支承块式轨道与隧道底板相互作用的有限元模型。考虑隧道底板变形方式、最大变形值、沉降槽宽度等影响因素,通过数值模拟计算轨道结构的变形和内力、钢轨与道床板的脱空、道床与隧道底板的脱空。结果表明:由于支承块、道床板、隧道底板之间连接力弱,隧道结构的不均匀沉降可能引起支承块与道床板、道床板与隧道底板间的脱空;钢轨对道床板的约束作用不明显,道床板与隧道结构存在变形差异的原因主要在于道床板自身的刚度;隧道底板最大变形发生在道床板变形缝处时,相比于发生在道床板中部,钢轨与道床板更容易产生脱空;沉降槽宽度越大,轨道与隧道结构的差异变形越小,而轨道结构内力随沉降槽宽度增大呈先增大后减小的趋势。采用实际工点的参数进行计算,得到道床板与隧道底板脱空量为0.8 mm,与实测脱空量1.1 mm相比基本一致。     

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.     

新建隧道下穿施工引起既有铁路轨道变形的理论计算模型

新建隧道下穿施工将引起上覆既有铁路轨道产生不平顺，导致列车振动加剧，进而降低旅客乘车舒适性。为此，提出新建隧道下穿施工引起铁路钢轨变形的理论计算模型。首先，采用高斯分布公式预测新建隧道施工引起铁路路基顶面沉降；然后，将轨道视为无拉力弹性地基上的梁，推导路基沉降引起轨道挠曲变形计算式。通过与室内模型试验结果和现场监测数据比较，对提出的理论模型进行验证。探讨铁路线路与新建隧道间的水平夹角、钢轨抗弯刚度、路基顶面沉降槽宽度系数对钢轨挠曲变形的影响规律。该计算条件下，当路基沉降槽宽度系数小于2 m,新建隧道垂直下穿施工将导致上方有砟铁路轨枕产生局部空吊现象；增大钢轨抗弯刚度，可以减小钢轨挠曲变形幅值；增大铁路线路与隧道之间水平夹角，可以减小钢轨挠曲变形波长；增大路基沉降槽宽度系数，轨道挠曲变形幅值逐渐减小，并且波长逐渐增大。     

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。     

大跨度斜拉桥-无砟轨道系统力学特性

以昌赣客运专线主跨300 m混合梁斜拉桥为研究对象,考虑结构层间非线性约束特征,建立桥塔、斜拉索、梁体、支座、墩台、剪力钉、底座板、限位凹槽弹性垫板、减振弹性垫层、道床板、扣件、钢轨等全要素大跨度斜拉桥-无砟轨道系统精细化有限元模型,研究附加荷载作用下结构附加力。基于Miner准则,探讨列车动载、无砟轨道设计参数以及时变温度作用下无砟轨道动力疲劳特性。结果表明：在斜拉桥端部设置钢轨伸缩调节器并采用小阻力扣件可满足钢轨强度要求,挠曲荷载下钢轨最大拉应力位于桥塔附近,制动荷载下钢轨最大拉应力位于主梁跨中;列车动载下轨道结构间相对位移最大值均不超过1.0 mm。主梁跨中道床板板底受拉,最大拉应力0.74 MPa,桥塔处底座板板底受拉,最大拉应力1.15 MPa;提高弹性垫层刚度可有效提高道床板疲劳寿命,增大扣件竖向刚度可增强钢轨与道床板间连接,提高钢轨寿命,列车时速增加会增大轨道结构动应力幅,降低疲劳寿命;时变温度作用下最大温度梯度发生在道床板,耦合列车动载后底座板结构受力更显著,但仍满足混凝土抗拉强度设计要求。     

30t轴重重载铁路轨道刚度研究

重载铁路轨道的刚度由钢轨、支点间距和轨下支承刚度共同决定,合理的轨道刚度对延长轨道结构的使用寿命、减少现场养护维修工作量、提高线路的经济效益有着重要的实际意义。本文结合大秦线重载铁路扣件弹性垫层的使用情况,探讨了在30 t列车轴重作用下,不同钢轨类型及不同道床支承状态所对应的弹性垫层刚度范围。分析认为:30 t轴重重载铁路轨道宜使用68 kg/m钢轨或75 kg/m钢轨;对于新建重载有砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为120~160 kN/mm;对于既有有砟轨道重载改造线路弹性垫层刚度选取范围为100~140 kN/mm;对于刚性道床重载无砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为40~60 kN/mm。     

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。     

提速铁路过渡段的动力响应测试分析

为了评价提速线路路桥过渡段对于轨道结构动力响应的改善程度,本文对京九线过渡段的设计及轨道动力响应测试进行了研究,过渡段的设计采用20m的级配碎石填筑,轨道动力响应测试参数为钢轨垂直力、钢轨加速度、轨枕加速度。测试表明,当路桥连接处设了轨道过渡段时,列车从低刚度轨道到高刚度轨道时,钢轨垂直力、钢轨加速度、轨枕加速度是由小逐渐增大的,没有突变;当列车从高刚度轨道到低刚度轨道时,钢轨垂直力、钢轨加速度、轨枕加速度是由大逐渐减小,没有突变。当路桥连接处没有设置轨道过渡段时,列车从高刚度轨道到低刚度轨道运行时,其动力响应突然减小,有突变。通过对设有过渡段及没有设过渡段的路桥连接处实测分析可知,当列车速度小于200 km／h时,采用长度为20 m的级配碎石填筑轨道过渡段,对减小过渡段轨道动力响应非常有利。     

设置减振垫层的双块式无砟轨道分块长度静力学分析研究

针对穗莞深城际隧道内需进行特殊减振,但现场预留轨道结构高度受限的实际情况,推荐采用设置减振垫层的双块式无砟轨道,并对单元板长度的合理取值通过建立有限元模型进行了静力学计算分析。通过建立梁-板模型进行钢轨及轨道板的受力分析,结果发现钢轨垂向位移及道床板应力不控制道床板分块长度设计,故综合规范及维修性、施工组织等多方面因素,最终确定了合理的道床板长。     

温度和列车动荷载作用下双块式无砟轨道道床板损伤特性研究

采用混凝土损伤塑性模型描述双块式无砟轨道道床板的力学行为,以变温作用下道床板最大损伤状态作为初始条件、车辆—双块式轨道耦合动力分析得到的各钢轨支点压力作为轨道路基的外部激励,进行变温和列车动荷载共同作用下道床板损伤的演变规律及道床板损伤对结构受力影响的研究.结果表明:在降温过程中道床板会发生横向弯曲变形,产生损伤,导致受拉承载力下降;在升温过程中由于降温导致的道床板拉伸损伤不可恢复,所以道床板损伤值不变,最终保持在0.23左右,但刚度出现恢复现象;车辆经过已损伤的道床板时,道床板内部裂纹交替张开与闭合,刚度出现短暂的部分恢复阶段,刚度退化系数最大幅值为0.057,而道床板损伤值不变,且道床板的位移和加速度幅值、支承层与基床表面的动应力幅值均比无损伤时增大,拉应力幅值减小;损伤塑性模型能很好地反映道床板混凝土的软化及刚度退化行为.     

合武铁路无砟轨道双块式轨枕设计

研究目的:Pandrol扣件为无挡肩弹性分开式扣件,在我国无砟轨道结构中尚属首次使用.在合武铁路之前,我国从未设计和生产过与Pandrol扣件相匹配的双块式轨枕.本文通过介绍与Pandrol扣件相匹配的双块式轨枕的设计,为铁路无砟轨道的设计提供借鉴.研究结论:Pandrol扣件在与钢轨和轨枕的匹配、锚固方式、绝缘系统乃至扣件及垫板的固定系统等方面都与其它扣件有很大的不同,因此双块式轨枕的设计必须综合考虑模具制造、脱模工艺、尺寸精度、成品存放、装卸与运输、与道床板的连接及无砟轨道结构的耐久性等各种因素的要求.     

高速铁路大跨度钢桥上树脂枕轨道方案研究

研究目的:为了研究树脂轨枕应用于高速铁路大跨度钢桥上的可行性,采用有限元方法建立树脂枕轨道结构模型,根据钢轨位移、应力、弯矩、扣件安装空间以及轨枕与桥梁间的连接空间等方面的要求,对树脂轨枕的高度、宽度、长度、支承间距、缓冲垫层刚度等进行分析研究,提出适合高速铁路大跨度钢桥上树脂轨枕的合理参数取值。研究结论:(1)轨枕宽度主要取决于其经济性和扣件安装空间,取200~300 mm即可满足轨道使用的力学要求;(2)轨枕高度对轨枕弯曲应力有较大影响,为保证部件可靠性,建议轨枕高度取210 mm及以上;(3)枕下横向支点间距对轨道刚度、轨枕弯矩、动态轨距变化量影响很大,树脂轨枕的支点应尽量贴近钢轨中心线,避免轨枕支点力作用在两支点间的悬空部分;(4)枕下缓冲垫层刚度对轨道垂向位移影响较大,为了防止轨枕的垂向位移过大,垫层刚度应保证在750 kN/mm及以上;(5)该研究结果可应用于高速铁路大跨度桥上轻型轨道结构设计中,为类似工程提供参考。     

铜陵长江大桥无砟轨道车线桥动力性能研究

铜陵长江大桥主桥为90 m+240 m+630 m+240 m+90 m的5跨公铁两用连续钢桁梁斜拉桥,大桥下层为设计时速250 km的合福客专双线和时速160km的合庐铜Ⅰ级线路双线共四线铁路.为考察大跨度钢桥上铺设无砟轨道的适应性,针对铜陵长江大桥和桥上无砟轨道初步设计方案进行车线桥动力性能研究.结果表明:铜陵长江大桥在铁路桥面受力较大区域采用正交异性钢箱结构,能显著增强横断面的横向和扭转刚度,使得各跨桥梁的变形曲线较为平缓,梁端局部区域未出现明显的变形差异,且梁端压重有效降低行车条件下的桥面振动加速度,因而具备铺设无砟轨道的刚度条件;从行车安全角度,建议双块式无砟轨道道床板下减振垫层的刚度取0.1 N·mm-3;轴重较大的列车通过时,几乎所有的道床板在边支点附近均发生与桥面脱离的现象,而高速列车通过时,只有中跨跨中附近的道床板在边支点附近出现与桥面脱离的现象,且减振垫层刚度的差异对这种道床板与桥面脱离的现象影响不大.     

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。     

道床刚度对钢轨接头动力响应影响研究

有砟轨道在施工阶段存在大量的钢轨接头会加剧轮轨间冲击和振动，造成钢轨伤损，影响轨道平顺性，不利于工程车辆行车安全，合理的道床刚度能减缓钢轨接头处轮轨间的冲击作用，改善临时轨道结构的受力和变形。基于多体动力学理论，以21 t轴重平车为研究对象，建立车辆-钢轨接头耦合动力学模型，研究钢轨接头区轮轨动力响应，分析道床刚度对轮轨冲击的影响规律。结果表明：钢轨接头区的轮轨冲击较为显著，其轮轨垂向力比非接头区增大约1.4倍。随着道床刚度增加，轮轨垂向力呈非线性增加趋势，钢轨和轨枕的垂向加速度和垂向位移均呈减小趋势，道床刚度为170 kN/mm时，轮重减载率最大值为0.63，接近我国规范的允许限值0.65；道床刚度小于45 kN/mm时，钢轨和轨枕的位移均超出了我国规范允许值（2.5 mm和2.0 mm）。因此，施工阶段应对道砟进行合理的捣固，宜将道床刚度控制在45～170 kN/mm。     

橡胶隔振垫减振道床静动态特性研究

针对地铁设计中高等减振地段常用的橡胶隔振垫减振道床结构,采用ANSYS建立相应的整体道床模型,分析橡胶隔振垫减振道床板的长度、配筋率、板下胶垫刚度等影响因素,并结合模态分析综合评估减振效果。计算结果表明,道床板长度越大,减振效果越好,但是相应的道床板跨中挠度就会增大,需要提高道床板配筋率减小道床板拉应力和跨中钢轨垂向位移;对于减振型橡胶垫轨道结构,其橡胶垫刚度越小,减振效果越好,橡胶垫刚度从46MPa/m减至19MPa/m时,振级下降4.3d B,但是同时钢轨整体沉降也从2.51mm升至3.93mm。在轨道结构各项静力指标均满足要求的前提下,可优先考虑橡胶垫刚度取为19MPa/m。     

弹性长枕无砟轨道垂向动力学计算分析

建立弹性长枕无砟轨道的梁—梁—板模型,计算垂向位移、加速度与行车速度的关系,扣件瞬时上拔力与行车速度的关系,垂向位移、加速度与扣件、枕套和路基刚度的关系,垂向位移、加速度与长枕、道床板质量的关系等;分析无砟轨道弹性长枕在不同扣件、枕套、地基刚度和不同弹性长枕、道床板质量下的动力响应;找出扣件、枕套、地基刚度及弹性长枕、道床板质量与垂向速度、加速度、轨枕侧滚等的关系。在弹性长枕、道床板质量和扣件、枕套、地基刚度不变情况下,计算列车不同速度下各垂向动力响应,找出列车速度与垂向位移、加速度的关系。     

钢管混凝土轨枕结构设计方案

SK-2型双块式无砟轨道由双块式轨枕通过现浇钢筋混凝土组成,在无砟轨道结构类型中经济性好、维修工作量少,但我国并不拥有核心知识产权,导致其无法在我国企业承包的海外项目中应用。同时,SK-2型双块式轨枕存在长期存放容易生锈、运营过程容易产生裂纹等缺陷。在总结双块式无砟轨道结构应用经验基础上,提出一种应用于现浇道床板式无砟轨道的新型轨枕设计方案——钢管混凝土轨枕,并进行试验验证。试验表明:采用外径42mm钢管混凝土构件在0.75kN的垂向荷载作用下,轨枕处于2mm弹性变形范围内;钢管混凝土构件与轨枕块连接力为60～80kN,具有良好的连接性能。轨枕连接骨架用钢量少,不需要专用大型设备,施工方便,与道床板连接紧密可靠,适用于高速铁路、客货共线、重载铁路及城市轨道交通,为完善我国现行无砟轨道体系,满足"一带一路"建设需求,具有重要意义。     

支承层参数变化对双块式无砟轨道结构力学性能的影响

针对双块式无砟轨道的结构形式,建立了钢轨—扣件—轨下垫板—双块式轨枕—道床板—混凝土底座—弹性基础的有限元分析模型,应用ABAQUS软件,对比分析了支承层参数变化对于双块式无砟轨道结构力学性能的影响,为双块式无砟轨道的设计提供依据。     

双块式无砟轨道路桥过渡段道床板上拱整治技术研究

针对双块式无砟轨道路桥过渡段道床板上拱问题,分析了路桥过渡段道床板上拱原因及影响因素。研究结果表明:降低道床板温度及温度梯度有利于减小道床板的上拱量;黏结强度及摩擦因数的增大可以降低道床板的上拱量;合理的销钉布置能够有效整治因道床板上拱引起的轨道结构整体性与稳定性问题,当在道床板20 m范围内锚固销钉时,上拱变形最大值约为0.93 mm,较未布置销钉的上拱变形量大幅降低,且上拱范围减小至4 m左右。提出了双块式无砟轨道道床板上拱通用整治技术方案及工艺流程,方案中采用M25×480钢筋作为锚固销钉,销钉布置在轨枕盒1/4处。形成的技术措施及经验可为我国高速铁路双块式无砟轨道类似病害的养护维修提供借鉴。