列车荷载对CRTSⅠ型板式轨道疲劳损伤的影响研究

为研究CRTSI型轨道板及CA砂浆层在列车疲劳荷载作用下的疲劳损伤,按照轮轨力的正态分布规律及疲劳荷载编谱方法中的单参数计数法将列车荷载简化为2种疲劳荷载谱,通过建立的弹性地基梁-体模型计算了列车疲劳荷载作用下轨道板及CA砂浆应力值,采用Miner线性准则及以应力为基础的疲劳寿命计算方法,分别计算了轨道板混凝土及CA砂浆在60年服役期内的疲劳损伤。理论分析结果表明:仅考虑列车疲劳荷载作用时,轨道板混凝土及CA砂浆材料在60年服役期不会发生疲劳破坏;不同的疲劳荷载谱对轨道板及CA砂浆的疲劳损伤几乎没有影响。

CRTS Ⅰ型板式轨道在地震荷载作用下的动力响应

借助有限元软件ANSYS,建立了板式轨道、路基的三维有限元模型,并结合遂渝线CRTSⅠ型板式轨道进行地震荷载时程分析,模拟地震荷载作用下板式轨道结构中轨道板、底座板、CA砂浆和圆形凸台的动应力、动位移的响应。结果表明,在地震荷载作用下,轨道结构横向应力和纵横向位移响应随烈度增加1度而增加1倍;竖向应力响应由于受初始应力影响,压应力较大,总体来说,轨道结构各向最大动应力较小,不会使轨道结构破坏;轨道结构横向位移响应大于竖向位移响应,轨道结构位移响应对轨道几何形位有一定影响,建议地震后对列车行驶速度限制;在路基稳定的情况下,板式轨道结构本身的变形和受力很小,不是导致轨道结构破坏或变形的原因。

Ⅰ型板式轨道上的扣件在曲线地段的调高调距分析

研究目的:Ⅰ型板式无砟轨道在曲线地段铺设时,由于轨道板是3～6m长的直线形混凝土板,板上扣件受扣件正矢、曲线超高等因素的影响,轨道板上的扣件会丧失一部分调高调距能力。为此,本文就扣件在曲线地段损失的调高调距能力进行详细、具体的计算分析。研究结论:在小半径曲线地段轨道板上的扣件调高调距能力丧失较多,Ⅰ型板式无砟轨道尽量铺设在曲线半径不小于1 600 m的地段;曲线半径越大,扣件正矢就越小,钢轨之间的轨距调整量的损失就越小,线路在运营养护阶段的轨距调整富余空间就大,同时轨道板上超高递减差就越小,这样既有利于施工,又有利于今后的养护维修。

应用快修砂浆修补CRTS Ⅰ型板式轨道充填层后轨道结构受力及行车安全评估

CA砂浆层作为板式轨道的一个重要部件,具有支承、调整与缓冲等功能,在自然环境和列车荷载的共同作用下,容易产生伤损。快修砂浆作为一种修补伤损CA砂浆层的材料,需满足在天窗时间内完成修补并达到安全通车条件的要求。基于弹性地基梁体模型和轮轨系统动力学原理,建立了CRTSⅠ型梁体有限元模型和车辆—轨道垂向耦合动力学模型,从轨道结构静力及动力性能两方面对快修砂浆修补后的轨道结构进行了评价。结果表明,砂浆层最大垂向压应力为349.5 k Pa,轮对和转向架的加速度最大值分别为7.53g和0.43g,均在限值范围内,轨道结构的安全性和列车运行安全性可得到保证。

CRTS Ⅰ型板式轨道快速注浆抬升方案研究

针对CRTSⅠ型板式轨道超出扣件系统调整范围的基础沉降,提出快速、有效的轨道板注浆抬升修复方案。采用有限元法分析轨道板顶升过程中轨道结构受力特性,研究不同抬升位置和抬升高度对结构安全的影响,并提出合理的抬升方案。研究结果表明:轨道板抬升过程中,底座板受力较小,伸缩缝对其受力无明显影响;钢轨对轨道板受力影响较大,在不拆除扣件系统的条件下直接在轨道板板中单点抬升轨道板,其上表面有开裂的风险。因此,在抬板注浆过程中,为减小轨道板受力,注浆前宜拆除扣件系统;若保留扣件系统,宜采用相邻双板端部同步抬升轨道板或单板1号和4号抬升孔同步抬升轨道板的施工方案。

CRTSⅠ型板式轨道维修的起道分析

以CRTSⅠ型板式无砟轨道为研究对象,参照现有的无缝线路钢轨起道、轨道板抬板技术,采用有限元方法建立起道力学模型。分析不同起道量和扣件松开数量时轨道系统的受力与变形,研究轨温变化幅值与扣件纵向阻力大小对起道作业的影响,为更换损坏轨道板提出合理的维修参数,并提出换板流程。

单线桥上CRTSⅠ型板式轨道换板关键技术

结合某联络线一块CRTS-Ⅰ型无砟轨道板换板施工作业实践,通过对施工作业技术和流程的提炼和总结,归纳出在单线桥上通过锯轨、搭建临时作业线路、利用轨道车与平板车拆解作业等关键技术实现轨道板更换。该技术可供区间正线换板参考,同时也可为高速铁路同类无砟轨道养护维修提供参考。

CRTSⅠ型板式轨道水泥沥青砂浆试验研究

水泥沥青砂浆固化以后能够提供一定的强度和弹性,在无砟轨道结构中具有重要的作用,拟通过水泥沥青砂浆组成材料对其性能的影响研究,全面提升CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥沥青砂浆的性能。以CRTSⅠ型板式无砟轨道用水泥沥青砂浆为试验研究对象,系统进行了水泥、细骨料、乳液、铝粉等原材料与其性能的相互关系试验研究。CRTSⅠ型板式无砟轨道用砂浆配制时宜选用早期强度较高的硫铝酸盐水泥,且砂浆强度随胶砂比增加而增加了;乳化沥青的性能品质对砂浆具有重要影响;铝粉可以调节膨胀率和弹性模量的大小。

大温差地区CRTSⅠ型板式无砟轨道层间动态受力特征

大温差地区单元式轨道板受日照影响会产生较大温度梯度,导致轨道板翘曲变形,诱发轨面不平顺,增加高速列车轮轨冲击响应,加速轨道结构损伤。针对这一问题,采用有限元方法,首先建立考虑层间关系的无砟轨道静力分析模型,对大温度梯度下轨道板翘曲变形及轨面周期性不平顺进行分析;然后,建立车辆-轨道系统动力学模型,模拟分析温度梯度作用下无砟轨道层间动态受力特征,研究高速行车条件下无砟轨道真实服役状态。结果表明:温度梯度作用下,轨道板呈椭球形变形趋势,正温度梯度时轨道板中部向上鼓起、4角支承,负温度梯度时轨道板4角翘起、板中支承;温度梯度会导致轨道板与CA砂浆间产生不同程度离缝,板下接触面积减小,高速行车时层间接触面积逐渐增加,但离缝不会完全闭合;负温度梯度对轨道结构振动和砂浆层受力影响较小,正温度梯度影响较大,温度梯度为90℃·m^(-1)时,轨道板振动加速度增大10倍左右,轨道板与CA砂浆层间压力最大值增加6.6倍,板角处CA砂浆应力较无温度梯度下钢轨正下方CA砂浆应力增加5.4倍,正温度梯度下轨道板侧边及4角位置处CA砂浆受力加剧效应显著,是导致该区域CA砂浆出现结构性破坏的主要原因。

CRTSⅠ型板式无砟轨道抬板维修力学行为分析

路基下沉地段采用抬板注浆工艺抢修后,CRTSⅠ型板式无砟轨道的凸台受力将发生变化,因此建立有限元模型对凸台加高后CRTSⅠ型板式无砟轨道的主要部件受力情况进行了对比分析。结果表明：轨道板抬高高度在10 cm以下时,可不对凸台和树脂进行加高处理;轨道板抬高10~15 cm时,需加高凸台和树脂5~10 cm;凸台及树脂加高高度不能超过10 cm。

简支梁桥上Ⅰ型板式无砟轨道挠曲受力与变形

研究目的:桥上无缝线路受力比较复杂,桥梁、轨道结构的受力变形成为广泛关注的问题。为研究列车荷载作用下桥上轨道结构的受力变形规律及影响因素,根据多跨简支梁桥上单元板式无砟轨道无缝线路的结构特点,基于有限元法建立多跨简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,计算列车荷载作用下桥上轨道结构的挠曲力与位移,并分析扣件纵向阻力、墩台顶固定支座纵向水平线刚度以及桥梁跨数等因素对挠曲受力与变形的影响规律。研究结论:(1)在列车荷载作用下,钢轨挠曲拉力及压力最大值分别出现在左侧桥台固定端与最后一跨跨中位置,钢轨位移呈先增后减的趋势,并在两侧路基段逐渐减小至零;(2)采用小阻力扣件可明显降低钢轨及轨道结构的受力,但同时会增加轨板相对位移,需要重点关注钢轨在桥台处的爬行;(3)采用较大纵向水平线刚度的低墩桥对列车荷载作用下桥上轨道结构纵向位移而言是不利的;(4)随着桥梁跨数的增加,轨道结构的纵向力与位移也不断增大,在6跨之前增幅明显,6跨之后增幅明显放缓并逐渐趋于平稳;(5)本研究成果对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的设计及结构安全性具有参考价值。

严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场及变形研究

通过对哈大线TJ-Ⅱ标和TJ-Ⅲ标路基段及桥梁段CRTSⅠ型板式无砟轨道温度梯度及变形的观测,获得严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场。通过对该区段轨道板翘曲变形的调研发现砂浆充填层灌注质量的关键在于时机选择,圆曲线地段曲线外侧灌注质量尤为重要。采用有限元方法建立CRTSⅠ型板式无砟轨道模型,通过改变板厚及温差条件,对比分析了轨道板的翘曲规律。分析结果表明:随着温差的增大,翘曲值呈线性增大;相同温差作用下,轨道板厚度越大,翘曲值的增长速率越大。

高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路力学特性分析

在桥上铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道后,梁轨相互作用机理、计算模型及设计参数与传统的有砟轨道明显不同。特别是在大跨度连续梁上采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构之后,其梁轨相互作用机理更加复杂。针对既有研究的不足,本文基于有限元方法建立纵横垂向空间耦合模型,对树酯填充层弹性模量、砂浆充填层弹性模量和扣件纵向阻力等设计因素的影响规律进行了计算与分析,对高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路的设计参数的选择提出了建议。

CRTSⅠ型板式无砟轨道路基沉降快速维修技术

根据CRTSⅠ型板式无砟轨道结构为单元板的特点,提出CRTSⅠ型板式无砟轨道路基沉降快速维修技术。通过抬升轨道板并增加填充层厚度的方式,在不破坏轨道结构的条件下对CRTSⅠ型板式无砟轨道路基沉降实现天窗内快速维修。通过采用乙烯基树脂和发泡橡胶材料克服了抬板后快速充填和密封两大技术难点,并制定了完善的施工工艺。本文所介绍的维修技术2013年在某线路沉降区得到实际应用,轨道结构抬升精确,效果良好。

简支梁桥上Ⅰ型板式无砟轨道制动力与位移分析

基于有限元法,建立多跨简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究列车制动荷载作用下钢轨、轨道板及底座板的受力与变形特性,并对相关影响参数进行分析。研究结果表明:在制动荷载作用下,钢轨制动力的峰值出现在两端桥台及中间活动支座上方,钢轨的纵向位移呈现先增后减的趋势,在中间活动支座达到最大值,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;制动力加载方式对轨道结构纵向力及位移有较大影响,在紧急情况下,应尽量避免两列列车同时在桥上同向制动,以免钢轨承受过大的拉力,防止因相对位移过大而导致扣件失效;采用小阻力扣件对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的受力是有利的,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;随着桥墩纵向刚度的增大,轨道结构的受力随之减小,因此,为改善桥上轨道结构的受力条件,在可能的情况下,应尽量采用纵向刚度较大的低墩桥。

CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端凸形挡台纵向力分析

针对近几年大跨桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端半圆凸形挡台的剪切破坏现象,参考国内某连续刚构桥实际参数,根据桥梁梁端半圆形凸形挡台的配筋计算出凸形挡台的设计承载力,基于有限元方法,建立线-板-桥-墩一体化计算模型,计算分析在不同扣件阻力,桥梁温度跨度和桥墩线刚度等因素下的梁端半圆形凸形挡台受力。结果表明:扣件纵向阻力是梁端凸台剪切破坏的主要影响因素,随着扣件纵向阻力的增大,梁端半圆形凸形挡台所受纵向力也随之增大,当扣件纵向阻力达到17.0k N/m/轨时,凸形挡台所受纵向力将会超过凸形挡台的抗剪承载力,即发生破坏;桥梁温度跨度、桥墩线刚度、有无起制动力对梁端半圆形凸台所受纵向力影响很小。

胶垫老化对CRTSⅠ型板式无砟轨道结构动力特性的影响

胶垫是轨道结构中的重要部件,起着缓冲轨道结构剧烈振动并保护轨下结构的重要作用。现场调研发现,随着轨下胶垫的老化,其减振与弹性性能逐渐降低。为得出运营状态轨下胶垫老化前后刚度的变化规律,本文选取现场老化胶垫进行室内常温状况下的静刚度测试,并基于其试验结果,利用有限元软件ABAQUS建立有限元动力学模型,对比分析胶垫老化对轨道结构动力特性的影响。试验得到2组实际运营地段无砟轨道老化胶垫平均刚度分别为144,79 k N/mm,均大于新胶垫刚度40 k N/mm。理论计算结果表明:当胶垫刚度分别为40,79,144 k N/mm时,钢轨垂向位移最大值分别为0.95,0.74,0.63 mm,而扣件垂向力最大值分别为32.1,39.2 k N。

CA砂浆离缝对桥上CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的影响分析

我国高速铁路无砟轨道无缝线路发展迅速,但随着列车的运营,轨道板与CA砂浆层之间常会出现离缝,这将对无砟轨道的长期服役性能产生一定的影响。以高速铁路多跨简支梁上CRTS Ⅰ型板为例进行分析,研究板边、板端、板角、板中4种典型CA砂浆离缝病害对轨道几何形位及对无缝线路受力变形情况的影响。研究结果表明:离缝病害作用下,随着桥轨间温差变大,轨道水平偏差增幅较大,轨道高低偏差最值偏大,并且板端病害对离缝区平顺性影响大。在温度荷载作用下含病害的轨道结构伸缩受力更加明显,尤其体现轨道板、底座板上,其中板边位置的病害受力变形最为明显。在列车荷载作用下在离缝病害区域轨道结构挠曲受力情况变化较大,其中板角及板端病害影响大。根据计算结果建议在无缝线路养护维修时着重检查轨道板及底座板下表面的情况,及要注意检修钢轨正下方病害情况。

客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道疲劳寿命预测

针对客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道的疲劳寿命问题,采用有限元软件,通过应力等效原理及列车运行速度确定了室内混凝土疲劳试验的加载值和加载频率;在各组合工况下对混凝土试件进行重复加载,分析了抗折强度和动弹性模量的关系,确定采用动弹性模量衰减幅值来评价混凝土疲劳寿命;将试验结果拟合为混凝土损伤曲线,并基于Palmgren-Miner疲劳累积伤损准则得到不同荷载作用下轨道板疲劳寿命预测值。结果表明:混凝土动弹性模量和抗折强度之间存在良好的相关性;荷载频率越低或应力水平越高,混凝土损伤发展速度越快;忽略其他荷载耦合作用时,客车荷载作用下轨道板的疲劳寿命约为货车荷载作用下的2倍,而客、货车荷载交替作用下无砟轨道的疲劳寿命则介于上述2种荷载作用之间。

基于动刚度的CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层病害评估方法

以CRTSⅠ型板式无砟轨道结构CA砂浆层为研究对象,采用冲击荷载作用下轨道板的动刚度变化指数作为评估指标,进行CA砂浆层粉化和局部脱空病害评估研究。提出CA砂浆层病害分步评估方法,首先利用轨道板上少量测点初步定位病害,然后通过在初步定位病害区域密布测点对病害进行精细化评估。运用数值模拟方法分析CA砂浆层病害位置和程度对动刚度变化指数的影响规律,确定对应关系,据此提出用于CA砂浆层病害状态评估的建议准则,即将CA砂浆层病害状态分为AA,A1,B和C共4级,对应的动刚度变化指数分别为≥0.5,[0.2,0.5),[0.1,0.2)和<0.1。对1个实际轨道结构进行现场试验,并应用所提方法和准则对CA砂浆层的病害进行评估,评估结果和实际病害状况一致,证明所提方法的可靠性。