公铁两用大跨度斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性研究

高速铁路大跨度斜拉桥结构变形受其复杂服役环境影响显著,而无砟轨道对工后变形的调整能力有限,因此大跨度斜拉桥的复杂变形条件将直接影响其上无砟轨道结构的适应性。以沪渝蓉高铁长江北支公铁两用大跨度斜拉桥应用无砟轨道为工程背景,建立无砟轨道-大跨度斜拉桥一体化精细空间有限元模型,分析铁路、公路以及温度等多种荷载联合作用下大跨度斜拉桥-无砟轨道体系平顺性、无缝线路稳定性和无砟轨道层间变形协调性,从而对大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性开展深入研究。结果表明:在运营荷载及温度荷载最不利组合作用下,大跨度斜拉桥主梁线形平顺,变形平缓,桥梁整体刚度较好,桥上无砟轨道几何形位可以满足静态验收标准;大跨度斜拉桥上无缝线路的强度和稳定性满足要求,扣件工作性能良好,钢轨伸缩调节器的设置可有效释放梁端钢轨的纵向应力;无砟轨道层间设置橡胶隔离层且不跨主梁桁架节间的布置方式可提高大跨度斜拉桥上无砟轨道的变形协调性能,使得桥上无砟轨道层间始终处于受压状态,达到“隔而不离”的桥上轨道层间理想服役状态;大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性良好。本文研究成果可为公铁两用大跨度钢桁梁斜拉桥上无砟轨道的应用提供技术参考。

钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构疲劳性能试验研究

新型钢管混凝土(CFT)双块式轨枕克服了桁架钢筋双块式轨枕存在的生产制造复杂、存放易锈蚀、运营阶段易开裂等问题,可广泛应用于高速铁路和城市轨道交通无砟轨道结构。为检验CFT双块式轨枕无砟轨道结构的疲劳性能,采用11根预制CFT双块式轨枕现浇制作足尺无砟轨道结构节段模型,开展橡胶隔振垫式减振轨道和现浇整体式轨道节段的疲劳试验,揭示其疲劳损伤特性,分析典型疲劳加载循环次数后静载作用下轨道结构应变和变形分布及其演化规律。研究结果表明:1.5倍静轴重的疲劳荷载累计作用500万次后,减振节段及整浇节段CFT双块式轨枕无砟轨道结构混凝土均未出现肉眼可见的裂缝,轨枕与现浇道床整体工作性能良好,疲劳性能满足规范要求;停机开展静载试验过程中轨道结构各测点混凝土横向应变值随荷载增大而近似线性增大,最大拉压应变值均远小于混凝土的极限应变值,工作状态良好;轨道整浇节段道床板中处于整体受拉的状态,可见设置层间连接钢筋实现了道床与底座的共同工作;疲劳试验过程中轨道结构测点竖向位移值总体随着静载的增大而逐渐增大,位移量级较小,满足规范要求,减振轨道节段竖向位移值及其变化率大于整浇轨道节段。研究结果可供类似研究及钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构工程应用参考。

列车荷载作用下CRTS Ⅲ型板式无砟轨道层间离缝水力特性研究

在雨水充沛或排水不畅地区,积水会造成无砟轨道层间离缝扩展显著加速。针对含层间离缝的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的水力特性问题,建立列车荷载与水耦合作用下的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道-离缝积水双向瞬态流固耦合计算模型,揭示无砟轨道层间离缝内动水压力和水流速度的分布及其峰值的变化规律,并分析列车轴重、行车速度、离缝形态及积水深度对动水压力和水流速度的影响。研究结果表明:随着列车的趋近与远离,层间离缝内固定点处的动水压力与水流速度呈周期性的正负交替变化;动水压力沿着离缝出口方向逐渐减小,其峰值发生在离缝尖端处,而水流速度沿着离缝出口方向逐渐增大,其峰值发生在离缝出口处;动水压力与水流速度峰值随列车轴重增加而线性增大,轴重每增加1 t,动水压力和水流速度峰值分别增加2.850 kPa、0.085 m/s;动水压力峰值与车速呈二次方增大关系,而在车速小于300 km/h时水流速度峰值与车速基本上呈线性关系,超过该车速后流速增长趋势较之前更大;动水压力、水流速度峰值与离缝开口量呈反比关系;动水压力与水流速度峰值都随着离缝深度和离缝积水深度增加而显著增大,且两者都与离缝深度呈3次多项式增大关系,与离缝积水深度呈2次方增大关系。研究结果可为CRTS Ⅲ型板式无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的层间离缝扩展分析以及养护维修工作提供依据和参考。

新型钢管混凝土枕式无砟轨道动力响应试验研究

采用钢管混凝土构件连接轨枕块形成钢管混凝土轨枕,基于钢管混凝土轨枕设计城市轨道交通用钢管混凝土枕式无砟轨道结构。为掌握钢管混凝土枕式无砟轨道结构在城市轨道交通列车运行条件下的力学性能,验证结构设计的安全性、合理性,分别在减振地段、普通地段铺设钢管混凝土枕式无砟轨道,通过行车试验,测试分析不同列车行驶速度下无砟轨道钢轨、轨枕、道床结构的动力响应。研究结果表明:在列车车速为40、60和80 km/h运行条件下,轮轨垂向力最大值为86.18 kN,横向力最大值为13.99 kN,脱轨系数最大值为0.21,轮重减载率最大值为0.23,测试值均明显小于相应的安全限值,无砟轨道结构满足行车安全性要求;在列车动荷载作用下,钢管混凝土轨枕钢管压应力最大值为3.55 MPa,拉应力最大值为3.77 MPa;轨枕块压应力最大值为1.32 MPa;道床钢筋压应力最大值为2.30 MPa,拉应力最大值为3.54 MPa;道床底压应力最大值0.22 MPa。这些动力响应结果均满足材料的的限值,表明结构保持了良好的力学性能,结构设计合理可行。

自密实混凝土性能劣化对CRTS Ⅲ型板式轨道荷载效应的影响

充填层是CRTS Ⅲ型板式轨道的核心部件,由于板式轨道是典型的“三明治”结构,充填层易受环境的影响而出现性能劣化,从而对轨道结构不利。为探究充填层自密实混凝土性能劣化对板式轨道荷载效应的影响,采用ABAQUS软件并结合已有的充填层混凝土损伤研究结果,建立充填层整体损伤工况和更接近实际使用情况的充填层梯度损伤工况的轨道结构有限元模型,计算轨道结构在不同工况的列车荷载和温度荷载下,轨道板、充填层和底座板的应力与位移变化情况,分析充填层疲劳损伤对轨道结构整体性能的影响。结果表明,充填层混凝土的整体损伤将导致充填层刚度显著下降,在列车和温度荷载下,轨道板和充填层组成的复合板易出现各方向的位移,使轨道结构出现局部磨耗增加和轨道不平顺等现象;充填层受荷时各向应力均大幅减小,轨道板的总体应力上升且易出现应力集中,底座板应力相较于其上部结构受充填层性能变化的影响较小。充填层出现四周梯度损伤时,不同荷载作用下,从损伤区至未损伤区应力和位移表现为连续变化,未出现明显的应力集中和应力突变;不同荷载作用下,轨道结构出现损伤的区域应力明显下降,但未发生损伤的板中部区域应力上升,加速了板中部区域的动载疲劳效应,间接增加了轨道结构的疲劳损伤。

市域铁路无砟道岔扣件系统设计及性能试验

市域铁路一般采用无砟轨道,为此设计无砟道岔扣件系统。道岔扣件系统板下弹性垫层采用三元乙丙橡胶,实现了无砟轨道道床低刚度要求;岔枕螺栓安装处设置具有防转功能的复合偏心套和防转盖板,增大道岔轨距调整范围,同时改善岔枕螺栓受力,增强扣件系统稳定性。扣件系统性能试验研究表明,扣件系统各项指标均满足规范要求,同时具有良好的减振性能。

孟加拉38 m简支梁桥墩纵向水平刚度限值研究

研究目的:孟加拉帕德玛大桥铁路连接线为“一带一路”重点工程项目之一,在高架桥上铺设跨区间无砟轨道无缝线路,且高架桥主要采用38 m混凝土简支箱梁。为指导孟加拉38 m混凝土简支箱梁桥上无缝线路及桥墩设计,建立轨道-桥梁-墩台一体化仿真分析模型,研究桥墩纵向水平刚度对无缝线路力学性能的影响规律,基于钢轨强度、梁轨相对位移和钢轨断缝限值,提出满足38 m混凝土简支箱梁桥上无缝线路铺设的桥墩纵向水平刚度限值。研究结论:(1)钢轨伸缩力和挠曲力随桥墩纵向水平刚度的增大而增大,钢轨制动力、梁轨相对位移和钢轨断缝值均随桥墩纵向水平刚度的增大而减小;(2)采用UIC规范参数时,桥墩纵向水平刚度限值受梁轨相对位移控制;(3)采用中国规范参数时,桥墩纵向水平刚度限值受钢轨强度、梁轨相对位移、钢轨温度变化幅度和机车牵引类型共同控制;(4)采用UIC规范时的桥墩纵向水平刚度限值小于中国规范的规定值,综合考虑钢轨强度、梁轨相对位移、机车牵引类型的影响,钢轨温度变化幅度分别为50℃、40℃和30℃,采用UIC规范时,建议38 m混凝土简支箱梁的桥墩纵向水平刚度限值取200 kN/cm;采用中国规范时,建议38 m混凝土简支箱梁的桥墩纵向水平刚度限值取550、250和250 kN/cm;(5)本研究成果可为相关客货共线铁路混凝土简支箱梁桥上无缝线路及桥墩设计提供参考和借鉴。

高速铁路千米长联桥铺设无砟轨道施工控制

千米级长联大跨桥的桥面线形在塔-梁-索温度变化、桥上荷载变动作用下易产生较明显的竖向变化。本文结合新建郑州—济南铁路长清黄河大桥工程,建立轨道-桥梁系统一体化有限元模型,并根据不同施工阶段的实际温度及桥上压重荷载对模型进行实时修正,提出线形控制技术优化方案,以实现千米级长联大跨斜拉桥上无砟轨道的高精度施工。结果表明:利用修正后的相对高差控制底座板放样施工,可将全桥底座板偏差控制在-10~10 mm内,计算相对高差时要考虑二期恒载的影响及实际施工温度与设计温度的偏差;利用修正后的绝对高程来控制轨道板精调,可使最终实测线形与设计线形的偏差控制在-2.0~1.6 mm内,每跨施工作业周期内温度变化不超过2℃;采用60 m弦中点弦测法对精调后的轨面线形进行复核,测得最大弦测值为2.67 mm,满足规范要求。

基于内聚力模型数值算法的无砟道床变形与损伤分析

针对高速铁路无砟道床层间黏结数值模拟问题,推导混合断裂模式双线性内聚力模型,提出有限元分析框架下的双线性内聚力模型(CZM)数值算法,通过与有限元软件计算结果对比,验证算法的正确性。基于所提出算法,以内聚力单元模拟层间界面,建立CRTSⅢ型板式无砟道床有限元模型,分析温度梯度荷载作用下结构变形与层间损伤规律。结果表明:所提出CZM数值算法与有限元软件计算结果一致,可以反映内聚力单元在受拉、受剪、受拉剪模式下的力学与损伤特性;在-50~100℃/m温度梯度范围内,正温度梯度荷载作用下轨道板垂向位移可达0509 mm,负温度梯度荷载作用下则可达0409 mm;轨道板与自密实混凝土层层间损伤受正温度梯度影响大,层间损伤萌生于板角并向板中发展,温度梯度为972℃/m时层间黏结局部失效。

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间界面损伤演化研究

为更准确模拟CRTSⅡ型轨道板与CA砂浆层间界面损伤行为,基于简化指数型内聚力模型表征界面非线性拉力-位移关系,推导混合模式下指数型内聚力模型表达式,并通过相关试验数据验证模型的正确性。基于提出的混合模式指数型内聚力模型,建立考虑层间和板间损伤的CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型。考虑窄接缝完全损伤病害,分析层间离缝长度、整体温升和正温度梯度对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构上拱变形、接缝应力和界面损伤的影响规律。研究结果表明:提出的混合模式指数型内聚力模型可以准确模拟界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ+Ⅱ混合型断裂行为;窄接缝完全损伤后,在正温度作用下轨道板间接缝处的上拱变形最大,且界面损伤以接缝为中心向两边扩展并逐渐减小;接缝压应力随整体温升和正温度梯度的增加线性增大;当离缝长度为10个扣件间距,在整体温升40℃作用下界面会产生开裂;考虑夏季高温天气,为防止轨道板上拱变形过大,层间离缝长度应控制在5个扣件间距以内。

基于弯沉斜率的CRTS-Ⅱ板CA砂浆层脱空长度评估方法

列车运动条件下CA砂浆层脱空病害的定量检测缺乏有效的评估指标,而基于轨道/车辆响应特征和轨道线形变化的检测方法以定性判断为主。为解决上述问题,采用弯沉斜率作为脱空长度病害的评估指标,开展多种条件下脱空长度的定量评估研究。首先,基于欧拉伯努利梁理论和Winkler模型,推导出轨道板弯沉斜率与变形速度之间的关系。建立车辆-轨道有限元动力学模型,设置多种不同的脱空长度。其次,研究列车以不同速度通过病害区域时,轨道板表面特定区域变形速度的分布情况,统计该过程中轨道板最大变形速度出现的位置与轮对中心的间距。再次,基于线性递减粒子群优化算法,求解最优的变形速度测量位置。最后,分析弯沉斜率的变化规律及其与脱空长度的关联。研究结果表明:弯沉斜率与脱空长度呈正相关,因此弯沉斜率不仅可以用于砂浆层脱空的识别,还可以用于脱空长度的定量评估;在不同的脱空工况下,变形速度的最优测量位置位于列车轮对中心前方2.4 m处,该位置对应的变形速度能更有效地反映出脱空产生的影响;在不同的速度条件下,弯沉斜率的平均绝对百分比误差的平均值为13.7%,对应位置变形速度的平均绝对百分比误差的平均值为112.93%;揭示了不同脱空工况条件下弯沉斜率的变化规律,给出了7种脱空条件下弯沉斜率变化的参考范围。

温升作用下ECC 修复CRTSⅡ型板式无砟轨道 宽窄接缝的损伤机理

为了探究采用超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)修复宽窄接缝时,纵连板式无砟轨道宽窄接缝在整体温升荷载下的损伤演化规律,建立含层间内聚力和ECC宽窄接缝拉压非线性本构模型的CRTSⅡ型板式无砟轨道三维数值模型,分析宽窄接缝采用ECC和C55混凝土时轨道板与宽窄接缝层间损伤、宽窄接缝损伤的差异,研究不同ECC材料参数下宽窄接缝的损伤机理,提出了合适的ECC力学性能指标。结果表明:在50℃温升荷载作用下,相比于C55混凝土,常规ECC可使宽窄接缝总刚度损伤降低51%,受拉损伤因子降低88%,垂向位移减小34%;提高ECC抗拉和抗压强度均可以有效减小受压、受拉损伤因子及接缝纵向位移,ECC抗拉强度由3 MPa提高至5 MPa时,受压、受拉损伤因子降幅分别约45%、50%,ECC抗压强度由30 MPa提高至60 MPa时,受压、受拉损伤因子降幅分别约51%、44%。建议采用ECC修复宽窄接缝损伤时,ECC抗拉强度取5 MPa,抗压强度取50~60 MPa。

Damage Evolution of Ballastless Track Concrete Exposed to Flexural Fatigue Loads:The Application of Ultrasonic Pulse Velocity,Impact-echo and Surface Electrical Resistance Method

In order to clarify the fatigue damage evolution of concrete exposed to flexural fatigue loads,ultrasonic pulse velocity(UPV),impact-echo technology and surface electrical resistance(SR) method were used.Damage variable based on the change of velocity of ultrasonic pulse(Du) and impact elastic wave(Di)were defined according to the classical damage theory.The influences of stress level,loading frequency and concrete strength on damage variable were measured.The experimental results show that Du and Di both present a three-stages trend for concrete exposed to fatigue loads.Since impact elastic wave is more sensitive to the microstructure damage in stage Ⅲ,the critical damage variable,i e,the damage variable before the final fracture of concrete of Di is slightly higher than that of Du.Meanwhile,the evolution of SR of concrete exposed to fatigue loads were analyzed and the relationship between SR and Du,SR and Di of concrete exposed to fatigue loads were established.It is found that the SR of concrete was decreased with the increasing fatigue cycles,indicating that surface electrical resistance method can also be applied to describe the damage of ballastless track concrete exposed to fatigue loads.

高速铁路无砟道床真空脱水机制砂混凝土抗冻性能

冻融损伤是严寒地区高速铁路无砟道床机制砂混凝土耐久性下降的主要原因,提升无砟道床机制砂混凝土抗冻性对于保障道床板的长期服役性能有重要的意义。采用006、008 MPa的真空度对C40现浇道床机制砂混凝土分别真空脱水1、3、5、10 min,研究真空脱水处理后机制砂混凝土的单面抗冻性,通过真空脱水率、表面回弹值和孔隙结构等方法分析真空脱水处理对机制砂混凝土的影响。结果表明:与未处理的机制砂混凝土相比,真空脱水机制砂混凝土在单面冻融循环12次后单位面积冻融剥落物质量降低258%~955%,单面吸水率降低79%~770%;真空脱水处理降低表层混凝土的实际水胶比,改善表层混凝土的孔隙结构,增加混凝土密实度。以真空度和真空脱水时间作为真空脱水处理指标,建立机制砂混凝土单位面积剥落物质量与真空度、真空脱水时间之间的关系模型。混凝土表层真空脱水技术为严寒地区现浇机制砂混凝土抗冻性能提升提供了技术方案。

高速铁路解锁后纵连式无砟轨道纵向温度应力及界面损伤研究

针对持续高温作用下纵连板式无砟轨道结构因温度应力过大而产生严重病害的问题,提出部分解锁方案以释放其温度应力。为量化解锁后轨道结构温度应力的释放效果并探究其释放原理,建立部分解锁后CRTSⅡ板式无砟轨道数值计算模型,分析整体温升作用下层间界面损伤的演化规律和部分解锁后轨道结构对温度应力的释放效果。研究表明:整体温升作用下,由于解锁后轨道板和底座板纵向位移差较大,导致轨道结构层间损伤、离缝产生的临界整体温升较低;解锁后轨道结构层间离缝产生的临界整体温升为13℃。由于纵连板式无砟轨道结构体系的转变,且层间黏结强度随整体温升的升高而降低,解锁后轨道板和宽窄接缝的温度应力得到了部分释放;当整体温升为50℃时,轨道板纵向应力最大释放量可达17.5 MPa,相比于解锁前下降了95.5%;宽窄接缝纵向应力释放量最大可达17.35 MPa,相比于解锁前下降了95.3%。随整体温升的不断升高,层间界面损伤不断扩展,轨道板纵向约束减弱,故纵向应力反而降低;解锁后宽窄接缝温度应力随整体温升的变化规律受层间离缝面积影响,其随着整体温升升高呈先增大后减小再增加趋势。

层间损伤对道岔区板式无砟轨道力学行为的影响机制

针对高速铁路板式无砟道岔结构层间损伤,建立其层间损伤动力学评估模型,分析了层间损伤对道岔区轨道结构固有振动特性的影响;以直向过岔为例,耦合温度梯度荷载,研究了层间损伤对无砟道岔轨道结构的动力学影响机制,并给出相应的离缝评估及轨道维护检测建议。结果表明:层间损伤会导致无砟道岔轨道板固有频率下降,对高阶模态的影响更为显著;层间损伤与昼间正温度梯度效应耦合对板式无砟道岔的动力学响应特性造成更大的影响,结构层间拍击作用显著,极端情况下可能造成位移等动力学指标超限。建议对复杂温度地区的无砟道岔轨道板翘曲位移加强监测,同时昼间板中翘曲位移峰值报警阈值设为不超过1.0 mm。

桥梁上铺设无砟轨道的线形控制技术

桥梁上铺设无砟轨道时,桥梁变形会导致轨道线形变化,影响铺轨质量,须进行线形控制。本文通过调研统计和计算分析,确定须控制轨道线形的桥型及跨度,然后分析了桥面、底座板和轨面线形的设计方法及控制措施,其中对轨面线形的控制提出了三种方法,并逐一分析其适用条件。结果表明:跨度128 m及以下的桥梁无须采取线形控制措施;中等跨度刚性桥上铺设CRTS双块式无砟轨道时应采取线形控制措施,而铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道时可通过轨道精调进行调整;对于柔性斜拉桥,均应采取线形控制措施。桥面施工预拱度的计算不宜计入活载及铺轨完成后收缩徐变产生的变形。设置轨面预拱度和调整轨道施工步骤均适用于变形小的桥梁,大跨度桥宜采用等量压重的措施。应在桥面附属二期荷载施工完毕后再铺设桥上无砟轨道,底座板施工后再次复测CPⅢ点,用于精调轨枕/轨道板的标高。

运营高速铁路无砟轨道挤塑板脱空整治技术

针对纵连板式无砟轨道挤塑板脱空病害,基于轨道结构特点和运营铁路天窗维修条件,通过病害调研、方案比选、工艺试验、材料研发、试验验证,对运营高速铁路纵连板式无砟轨道挤塑板脱空整治技术进行了研究,结果表明:研发的高聚物注浆材料具有较好的高流态和自充盈性,并可快速固化,硬化后具有与挤塑板相近的力学性能,且具有较好的抗疲劳和抗冻性能;提出了基于布袋法的高流态、自充盈高聚物注浆填充成套整治技术,并于全路范围内首次实现在天窗时间内将挤塑板与底座板间脱空密实填充,较好地恢复挤塑板的功能作用,有效恢复线路稳定性。

隧道内双块式无砟轨道受力特征及防裂优化措施

针对隧道仰拱施工缝位置双块式无砟轨道道床板在施工阶段裂纹多发进而影响无砟轨道长期使用寿命的问题,建立纵连式和单元式双块式无砟轨道有限元整体模型,分析了不同工况下仰拱施工缝位置道床板的主拉应力,讨论了混凝土收缩以及整体温度荷载作用下混凝土应力状态,并基于分析结果从结构优化以及施工角度提出了双块式无砟轨道裂纹预防措施。结果表明:对于施工缝区域,纵连式道床板主拉应力随基底刚度增大而降低,单元式道床板主拉应力随板长减小而降低;采用植筋措施能够有效降低两种道床板结构在施工缝的应力水平,道床板主拉应力随植筋间距减小而减小。综合考虑,建议实际工程中在道床板跨越施工缝区域采用植筋措施,植筋间隔两根轨枕布置。

CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆充填层服役现状

为探究水泥沥青砂浆充填层在服役数年后性能变化情况,选取南北方4处典型CRTSⅡ型板式无砟轨道高速铁路线路进行调研,通过现场测量、取样化验、查询工务段资料等方式研究水泥沥青砂浆充填层的伤损情况及其物理力学性能。结果表明:四个调研点均出现水泥沥青砂浆充填层与轨道板界面离缝、冒白浆、竖向裂缝等典型伤损;白浆主要成分为CaCO3,含有少量SiO2和沥青组分;南北方调研点砂浆充填层抗压强度、抗折强度和表观密度存在较大差异,但均满足规范要求;南北方同一调研点砂浆充填层不同部位试件孔隙率非常接近,南方调研点砂浆试件孔隙率明显高于北方调研点。CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆充填层目前仍然满足服役要求,但已经出现了一定程度伤损和性能劣化,应定期观测和维护。