桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性研究

由于隧道的遮挡作用,桥隧过渡段无砟轨道无缝线路表现出特殊的纵向力学特性。通过对笔架山隧道内外气温为期2年的监测,得到隧道内外气温分布规律,并建立桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向相互作用模型,分析桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性影响因素。结果表明：(1)监测时间内,笔架山隧道最高和最低气温分别为43℃和-14℃,隧道内外最大气温差为23℃,隧道气温过渡段长50 m;(2)考虑隧道内外温差时钢轨纵向位移显著增大,高温季节应加强对临近隧道洞口简支梁上钢轨爬行量监测,钢轨附加拉力有所增大,在桥隧过渡段无砟轨道无缝线路设计时应考虑隧道内外温差的影响;(3)隧道气温过渡段长度和扣件纵向阻力对钢轨纵向位移和钢轨附加压力影响显著,钢轨纵向位移随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著减小,钢轨附加压力则随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著增大。     

高速铁路桥隧过渡段钢轨温度和纵向变形试验

研究目的:为得到高速铁路过渡段处钢轨温度沿纵向分布规律以及钢轨纵向位移变化特征,以合福高铁某桥隧过渡段为研究对象,对钢轨温度和纵向变形进行连续监测,以期为过渡段处无缝线路的稳定性研究提供参考。研究结论:(1)隧道洞口20 m范围内将形成轨温过渡段,局部最大温度梯度可达6.9℃/m,远大于温度梯度按线性分布计算所得的1.55℃/m;(2)过渡段处钢轨随着日温差的变化,其纵向位移变化显著,最大日轨温差为34.9℃,最大日变化量为1.6 mm;(3)过渡段处钢轨纵向位移呈现由桥梁向着隧道方向线性累积增加的趋势,最大累积变形量为2 mm;通车后累积变形速率为0.016 9 mm/d,大于通车前的0.014 7 mm/d;(4)基于最小二乘法建立了轨温过渡段钢轨温度沿线分布模式,以及钢轨日温差与钢轨纵向位移日变化量预估模型,得出:拟合精度较高,回归模型可靠;(5)本研究结论可为高速铁路无砟轨道桥隧过渡段钢轨温度力和纵向爬行提供研究基础。     

无缝道岔受力与变形的影响因素分析

基于有限单元法,建立了无缝道岔纵向力与位移的计算模型,根据纵向力、线路阻力、钢轨及岔枕位移的相互关系建立平衡方程组,并采用牛顿迭代法求解。分析了轨温变化幅度、道岔号码、辙叉型式、辙跟型式、道岔群的联结方式、焊接型式、扣件阻力、道床阻力、限位器阻力、间隔铁阻力、线路爬行、铺设锁定轨温差、岔枕抗弯刚度等因素对无缝道岔受力及变形的影响。轨温变化幅度越大、线路爬行量越大、与相邻线路及道岔的铺设轨温差越大,对无缝道岔各部件的受力及变形越不利。而其它因素对无缝道岔位移及纵向力分布各有不同程度的影响,应综合分析,优化设计,才能确保无缝道岔各部件的受力及变形均在容许限度内。     

桥上无缝线路钢轨伸缩附加力算法研究

研究目的:目前的梁轨伸缩力算法较多使用常量阻力计算模型,当跨径很大时,有可能不存在有力学意义的解。为了得到准确的桥上无缝线路钢轨在温度作用下的伸缩力解析算法,解决桥梁温度跨度取值以及合理的纵向阻力选择问题,本文采用非线性纵向阻力模型,根据扣件进入塑性变形区的位置将无缝线路分成若干个区段,通过建立平衡微分方程组,求解得到钢轨位移及伸缩力。研究结论:(1)依照无缝线路规范设计条件,计算了不同纵向阻力、不同跨度桥梁上钢轨最大应力以及梁轨最大相对位移;(2)在不考虑制动力的情况下,可得出基于钢轨强度限值下不同纵向阻力对应的温度跨度限值;(3)以70 mm和90 mm作为断缝宽度限值,得出线路纵向阻力的最小取值分别为17 N/(mm·线)和13 N/(mm·线);(4)本文算法可为桥上无缝线路的桥梁温度跨度及线路纵向阻力的选择提供依据。     

100 m简支钢桁梁桥墩纵向水平刚度限值研究

为研究客货共线100 m简支钢桁梁桥墩纵向水平刚度限值,建立了线-桥-墩一体化空间有限元模型,研究了桥墩纵向水平刚度对无缝线路受力特性的影响规律,以钢轨强度、梁轨相对位移和断缝值为控制指标,提出了客货共线100 m简支钢桁梁桥墩纵向水平刚度取值。结果表明,随着简支钢桁梁桥墩纵向水平刚度的增大,钢轨伸缩附加力增大,钢轨制动附加力和梁轨相对位移降低;对于100 m简支钢桁梁,控制桥墩纵向水平刚度的指标是钢轨强度,且受钢轨温度变化幅值影响较大;综合考虑钢轨附加力和桥梁工程经济性,通过全桥铺设小阻力扣件可显著降低桥墩纵向水平刚度限值,此时桥墩纵向水平刚度建议为1 400 kN/(cm·线);研究成果可为100 m简支钢桁梁的桥墩设计提供参考。     

桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

为研究桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响,运用线板桥墩一体化模型,计算不同温度跨度下,分别采用常阻力和小阻力扣件时的钢轨纵向力、道床板纵向力、抗剪凸台纵向力、梁轨相对位移以及钢轨断缝,分析桥梁温度跨度对轨道结构强度与变形的影响。结果表明:(1)随着桥梁温度跨度的增加,钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均增大;道床板、抗剪凸台纵向力和钢轨断缝保持不变。(2)扣件阻力减小时,轨道结构纵向力均减小;但梁轨相对位移和钢轨断缝增大。(3)为保证钢轨强度要求,当桥上铺设常阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取135m;当桥上铺设小阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取250m。     

WJ-8型小阻力扣件纵向阻力温变特性研究

为评估高速铁路桥上无缝线路扣件对服役环境的适应性,以WJ-8型小阻力扣件为例,开展一系列室内纵向阻力试验。设置-30～60℃的环境温度和90～120 N·m的螺栓扭矩,在标准组装状态下按照10 kN/min的恒定速率加载,实时记录纵向力值及钢轨纵向位移值,每个工况加载4次。试验获得了4个不同扭矩和10个不同温度组合工况下的扣件纵向阻力-位移变化特征,分析得到温度、扭矩和纵向滑移阻力三者之间的映射关系。研究结果表明：1)不同工况下,扣件纵向阻力随位移的增大呈幂指型函数递增关系;不同扭矩作用下,扣件纵向滑移阻力随温度升高呈指数型函数递增关系;不同温度作用下,扣件纵向滑移阻力随扭矩增大呈线性递增关系。2)扭矩作用和温度作用对小阻力扣件纵向阻力均有影响,但扭矩作用基本不影响扣件阻力对温度变化的敏感性,反之亦然。3)当温度上升至40℃以后,在规范建议的90～120 N·m扭矩下,纵向滑移阻力均不再满足4±1 kN的要求。建议高温环境下适当减小螺栓扭矩,以便于桥上无缝线路附加力的释放。研究成果对于优化轨道结构设计、验证和完善无缝线路扣件纵向阻力取值计算理论具有参考意义。     

市域铁路大跨连续梁桥上无缝道岔群纵向力学特性分析

文章以某市域铁路高架站后咽喉区(40+64+40) m四线变双线道岔梁+26 m简支梁+6×32 m单渡线道岔梁为工程背景,基于岔-桥相互作用原理和非线性有限单元法,建立岔-桥-墩一体化计算模型,分析不同轨道设计方案下大跨连续梁桥上无缝道岔群纵向力变化规律,并以规范要求开展设计检算,结果表明：(1)钢轨伸缩力、制动力峰值均出现在大跨连续梁右梁缝处;(2)全桥采用常阻力扣件时,钢轨伸缩力最大值达到965.1 kN,钢轨总应力超过容许应力限值;(3)采用小阻力扣件可大幅降低钢轨伸缩力,对钢轨制动力则影响不大;(4)铺设小阻力扣件、适当降低锁定轨温、放大断缝值要求等轨道措施可使得无缝道岔应力、位移指标满足设计要求。研究结果可为大跨连续梁桥上无缝道岔群轨道设计方案提供参考。     

列车制动对刚构桥上无缝线路梁轨相对位移的影响研究

基于有限元方法建立桥上无缝线路单层弹簧阻力模型,研究了刚构桥及相邻简支梁桥桥墩纵向水平刚度匹配关系对梁轨相对位移的影响。采用铁路上常用的3种跨度刚构桥进行对比计算分析,结果表明,在刚构桥全桥制动时,刚构桥桥墩纵向水平刚度在一个范围内,梁轨相对位移随着刚构桥相邻两侧简支梁桥桥墩纵向水平刚度的增加先降低后增加;小于该范围时,梁轨相对位移随着简支梁桥桥墩刚度的减小而减小;而大于该范围时,梁轨相对位移变化规律与小于该范围的规律相反;并且该刚度范围随着刚构桥总长度的增加而增大。对于60 m+100 m+60 m的刚构桥,上述范围为1 100¹ 400 kN//(cm·双线);当刚构桥桥墩刚度取定为1 100 kN/(cm·双线),简支梁刚度从800 kN/(cm·双线)降低到400 kN/(cm·双线)时,附加伸缩力降低,梁轨相对位移先降低后增加,采用归一化方法处理数据,得出最优刚度取值为455 kN/(cm·双线)。     

大跨度公铁平层斜拉桥上无缝线路纵向力研究

为研究钢轨伸缩调节器及小阻力扣件对大跨度公铁平层斜拉桥上梁轨相互作用规律的影响，以某大跨度公铁平层斜拉桥为研究对象，基于梁轨相互作用理论，建立大跨度公铁平层斜拉桥上无缝线路纵向力分析有限元模型，对不同工况下斜拉桥上梁轨相互作用规律进行研究。研究结果表明：在公路及铁路列车荷载作用下，对于大跨度公铁平层斜拉桥上无缝线路而言，在主桥两侧设置钢轨伸缩调节器，可大幅降低梁轨间的相互作用力，并能满足钢轨强度及稳定性限值要求；当在主桥两侧布置钢轨伸缩调节器且伸缩调节器基本轨一侧分别铺设100 m小阻力扣件时，钢轨总应力及纵向总压力分别为243.6 MPa, 716.9 kN,能够满足钢轨强度及轨道稳定性要求，且减少小阻力扣件的应用。     

长大坡道铺设无缝道岔可行性分析

基于有限单元法建立无缝道岔非线性阻力计算模型,分析不同工况条件下的钢轨纵向力及位移。计算结果表明:坡度对无缝道岔的受力及变形是不利的;随着阻力减小区段距道岔距离增加,钢轨纵向力、最大位移增加,尖轨相对基本轨的位移减小。道床捣固不密实引起的道床纵向阻力减小,会显著增大道岔各部分受力和变形。建议:(1)在大坡道地段,宜采用全长淬火钢轨或高强度钢轨;(2)在进站道岔前列车频繁制动地段、无缝道岔尖端、辙跟、叉心处宜布置观测桩,随时观测无缝道岔的爬行情况;(3)加强无缝道岔防爬锁定;(4)加大上坡方向道床的堆积厚度,并加强捣固。     

简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道伸缩力影响因素分析

桥上无砟轨道受力比较复杂,桥上无砟轨道无缝线路的稳定性直接影响高速列车的行车平稳与安全。基于有限元法和梁轨相互作用理论,建立了6×32 m混凝土简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究温度荷载作用下钢轨、轨道板及底座板的受力变形特性,并对相关影响参数进行分析。结果表明:在温度荷载作用下,钢轨伸缩力的峰值出现在桥梁墩台及跨中,钢轨的纵向位移呈现先增后减的趋势,在中间两跨达到最大值,钢轨和轨道板的纵向伸缩趋势基本一致,表明扣件起到了很好的约束作用;桥上采用小阻力扣件可改善桥上无缝线路梁轨相互作用,但要充分考虑轨板相对位移不能过大,保证钢轨在桥台处的爬行能够得到有效控制;从减小桥上轨道结构伸缩力及纵向位移考虑,桥梁墩台固定端纵向刚度不宜过大。     

简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道纵向力分析

研究目的:因桥上无缝线路梁轨相互作用较为复杂,桥梁和轨道结构的受力与变形特性成为国内外学者的热点研究问题。为研究温度荷载、列车荷载和制动荷载作用下轨道结构的受力与变形规律及影响因素,根据嵌入式轨道的特点,本文通过建立嵌入式轨道桥上无缝线路有限元模型,计算伸缩力、挠曲力和制动力三种工况下轨道结构的受力与变形情况,并分析梁体温差、高分子材料纵向阻力和墩台纵向刚度对伸缩力的影响。研究结论:(1)嵌入式轨道的线路纵向阻力和垂向刚度均为线性变化,且轨板相对位移限值为6.2 mm;(2)轨道结构的受力和变形均随着梁体温差的增加而线性增加,允许梁体温差为38℃;随着线路纵向阻力的增加,钢轨纵向位移和伸缩力逐渐增大,而轨板相对位移则逐渐减小;桥梁墩台纵向刚度对轨道结构的受力和变形影响较小;(3)在挠曲力和制动力工况下,轨板相对位移和钢轨附加力均较小,故在设计时应重点关注伸缩力工况;(4)当梁体温差和轨温变化幅度为30℃时,钢轨强度和轨板相对位移均满足要求,因此在32 m简支梁上铺设有轨电车嵌入式轨道无缝线路是可行的;(5)本研究成果对桥上有轨电车嵌入式轨道设计具有参考价值。     

WJ-7型扣件横向阻力试验研究

为确定轨条碎弯时WJ-7型扣件的横向刚度取值,在实验室条件下,对一段安装了一组扣件的短钢轨加载横向力,测量扣件铁垫板和钢轨截面轨头、轨腰、轨底的横向位移,考虑到试验误差,只取均匀性较好5组数据分析横向力与位移之间的关系。试验结果表明:铁垫板位移随横向力的加载呈线性增加;以铁垫板产生单位位移所需施加的横向力表征横向刚度,常阻力扣件横向刚度在143.7～162.1 kN/mm,小阻力扣件横向刚度在130.2～138.9 kN/mm;钢轨截面各位置横向位移曲线由二次抛物线和直线两部分组成。     

扣件纵向阻力对地铁道岔力学特性的影响研究

研究目的:扣件是地铁道岔关键传力部件,其纵向阻力对道岔各钢轨的受力与位移有着重要影响。为明确不同扣件轨下垫板、不同纵向阻力下地铁道岔的纵向力学特性,对其扣件进行试验及数值模拟分析。研究结论:(1)相比橡胶垫板,采用聚酯垫板时,道岔基本轨纵向位移减小13%以上,尖轨纵向位移减小2%左右,道岔各钢轨纵向受力变化不大;(2)随着扣件纵向刚度的增加,道岔结构的纵向位移和基本轨纵向受力逐渐减小,虽然导轨温度力略有增大,但增幅很小,不会影响结构安全性;(3)在地铁道岔中采用聚酯垫板并适当增大扣件纵向刚度是合理的优化方向;(4)本研究成果可用于地铁道岔扣件轨下垫板选型以及阻力优化设计。     

弹性支承块式无砟轨道无缝线路更换支承块系统的力学分析

为对无缝线路状态下更换支承块系统进行力学分析并提出合理的维修参数，采用有限元方法建立更换支承块系统的计算模型，分析不同起道量和不同扣件松开长度下系统的受力；在一定的起道量和扣件松开长度下，根据非线性屈曲稳定理论，确定合理的养护维修作业轨温范围。结果标明，弹性支承块式无砟轨道无缝线路更换支承块时，单侧松开扣件的钢轨长度存在最优长度；起道量和单侧松开扣件的钢轨长度对钢轨垂向非线性屈曲临界荷载的影响较大。为避免钢轨失稳，应严格控制作业轨温；起道量为0．16m时，最优单侧松开扣件的钢轨长度为18m，相应的作业轨温范围为锁定轨温＋5℃以下。     

专用铁路简支梁桥上铺设50 m长钢轨预留轨缝研究

为确定常用跨度简支梁桥上50 m长钢轨合理的预留轨缝,基于梁轨相互作用原理,建立了钢轨-接头-轨枕-桥梁-墩台一体化计算模型,并从5×32 m简支梁桥上梁轨相互作用引起的钢轨及桥墩纵向受力两方面验证了模型的正确性。以某专用线上的10×32 m简支梁桥为例,分析了轨温变化幅度、基本轨接头阻力、护轨阻力等对桥上50 m长钢轨接头轨缝改变量的影响。研究结果表明:梁轨相互作用对桥上50 m长钢轨接头轨缝会产生显著影响,并且影响程度与接头所处位置相关;轨缝改变量随着基本轨接头阻力和护轨扣件阻力的增加而降低,受护轨接头阻力和墩台纵向水平刚度的影响较小;跨度为24 m、32 m简支梁桥上铺设50 m长钢轨的接头螺栓扭矩应按照900N·m设计,且运营中还应该加强螺栓扭矩检查,确保降幅不超过15%。     

青藏铁路多年冻土地区铺设无缝线路的技术可行性研究

根据青藏铁路非多年冻土地区无缝线路试验段的研究成果和运营情况,对多年冻土地区钢轨焊接条件、年最大气温轨温差、最高轨温与最高气温的关系、道床密实度、道床阻力、扣件纵向阻力、梁体日温差等参数进行了系统论证评价。以五道梁、沱沱河、安多等地区为例,确定了锁定轨温,检算了钢轨强度、稳定性及最大断缝。初步认为在青藏铁路多年冻土地区可以考虑铺设无缝线路试验段,但应对无缝线路设计参数、施工方法、安全运营观测等关键技术开展系统研究,为青藏铁路全线铺设无缝线路提供更加科学的依据。     

往复荷载作用下WJ-8扣件纵向阻力试验研究

研究目的:在温度作用下,简支梁桥梁体会发生热胀冷缩,长期作用下将导致桥上无砟轨道梁端扣件系统发生破坏,严重时将不能满足线路的功能要求。本文通过往复加载试验模拟温度效应下32 m简支梁桥梁端扣件破坏过程,以此研究轨下垫板滑出过程机理及其对扣件纵向阻力的影响。研究结论:(1)随着对轨道加载试验次数的增加,2 mm位移对应的扣件纵向阻力先增加随后波动式降低,扣件滑移阻力先增加后逐渐减小,而垫板窜出位移量持续增大,可以预测当加载工作继续进行时,2 mm位移对应扣件纵向阻力及滑移阻力将继续减小;(2)随着垫板窜出位移量的增加,2 mm位移处扣件纵向阻力先增加后缓慢减小,扣件滑移阻力先有所增加而后逐渐减小;(3)扣件垫板窜出过程中,垫板纵向拉长,厚度减小,弹性降低,轨下橡胶垫板的弹性位移逐渐减小,且钢轨更易产生滑移;(4)在往复加载过程中,影响扣件纵向阻力的因素有两个:垫板表面的粗糙度及垫板窜出位移量,前期阶段垫板表面的粗糙度为主要影响因素,而后期阶段垫板窜出位移量影响更大;(5)本研究成果对于指导无砟轨道线路扣件的养护维修具有一定的参考意义。     

简支梁桥上无缝道岔温度力与位移影响因素分析

将道岔、梁和墩台视为一个系统,建立简支梁桥上无缝道岔的有限元模型。根据变分原理和“对号入座”法则建立有限元方程组。以铺设一组43号道岔的18跨32 m混凝土简支梁桥为例,研究影响简支梁桥上无缝道岔受力与位移的因素,如支座布置形式、轨温变化幅度、梁温差、扣件阻力、道床阻力、限位器间隙、岔枕刚度、限位器位置、梁跨长度和桥墩刚度等。计算结果表明,简支梁桥上无缝道岔在温度荷载作用下,钢轨温度力在限位器处和限位器前梁端处同时出现两个峰值;与桥上无缝线路相比,桥上无缝道岔桥墩处的最大受力显著增大;当梁与导轨同向伸缩时,岔区内钢轨位移较大;限位器应布置在梁跨中部;限位器间隙对桥上无缝道岔的受力与位移有双重影响;岔区内钢轨的受力与位移随桥墩刚度增大而减小;岔区内采用较大的扣件阻力和道床阻力,岔区外采用较小的扣件阻力和道床阻力,可以降低钢轨附加温度力。