高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构动力特性分析

为了分析京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的动力响应,通过建立无砟轨道结构-下部基础结构动力有限元分析模型,得到了结构前10阶模态和不同列车速度下无砟轨道结构的动力特性.分析结果表明:桥梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的自振频率都比规范的限值大,说明桥梁有足够的刚度保证列车行驶的安全性和舒适性;桥梁上板式无砟轨道结构的前10阶振型中大部分振型表现为横向扭转,桥梁结构横向刚度相对较小,在实际的高速铁路桥梁结构中应注意桥梁的横向稳定性;无砟轨道结构各个构件的竖向位移、竖向加速度、板底水平拉应力及CA砂浆层竖向压应力均随列车速度的增大而逐渐增大;线下基础结构顶面竖向压应力存在转折变化点.

高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构临界荷位和最不利位置分析

为了研究高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的临界荷位和最不利位置,以京沪高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构为例,选取轨道板板底的纵向弯拉应力作为确定轨道结构临界荷位的指标,计算得到了列车轴载位于板端位置为临界荷位;计算了轴载在临界荷位时的钢轨竖向位移、轨道板板底水平拉应力、CA砂浆层竖向压应力、底座(或支承层)板底水平拉应力,分析了车辆荷载在不同位置处的无砟轨道结构产生的应力大小,得出路基和桥梁上CRTS Ⅱ型无砟轨道结构的最不利位置。

列车竖向荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性试验研究

采用1∶1足尺模型对列车竖向静荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性进行试验,并对CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论分析模型进行验证。按实际工艺在实验室内建造一段CRTSⅡ型板式无砟轨道,通过试验机和分配梁模拟同一转向架2个轮对的竖向荷载,利用应变片、应变计、压力盒和位移计等测试元件,对钢轨、轨道板、水泥乳化沥青砂浆和底座的受力与变形进行测试。根据无砟轨道梁板和梁体理论,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元分析模型,对轨道结构在相同荷载工况下的受力与变形进行理论分析。将试验结果与计算结果进行对比,验证CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论模型的正确性和适应性。

桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的温度荷载特征试验研究

在我国华东地区一桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道线路上建立温度场自动监测系统,对环境温度、轨道板温度(横向及竖向)、底座板温度(横向及竖向)等进行测试。对实测数据进行统计,分析对混凝土结构使用性能有显著影响的因素,获得环境温度与板温间的关系、无砟轨道结构竖向和横向温度场(整体温度和温度梯度)特征。基于测试分析结果讨论了现有规范中CRTSⅡ型板式无砟轨道温度荷载取值的合理性及轨道板温度荷载取值原则,为完善我国高速铁路无砟轨道技术体系提供支撑。

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构早期温度场特征研究

以京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,通过对轨道结构早期纵连阶段温度场长达半年的现场观测,研究CRTSⅡ型板式无砟轨道结构早期温度场的分布及变化规律.结果表明：轨道板面温度、轨道板温度梯度及气温三者的变化规律基本一致,且呈周期性变化,变化周期均为1d;随着轨道结构深度的增加,其温度和温度梯度的波动幅度均逐渐减小且相位差逐渐增大,当深度超出轨道板厚度（20 cm）后,二者波动幅度很小且基本趋于稳定;CA砂浆层和支承层的温度梯度变化较小;板面温度的高低决定了轨道板温度梯度的大小.采用最小二乘法对板式轨道结构早期温度场进行回归分析,建立轨道板内不同深度处的温度预估模型及轨道板面最高温度、轨道板最大温度梯度的预估模型,相关系数为0.812～0.968,表明预估模型精度较高.

双线桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构涂刷反射隔热涂层影响分析

为降低持续高温对轨道结构的影响,分析反射隔热涂层在桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构上的适用性。对比分析反射隔热涂层涂刷前后及不同涂刷次序下桥梁–轨道系统的纵向受力特性。研究结果表明:全桥涂刷反射隔热涂层对梁体的影响可以忽略;在最不利条件下施工时,涂刷反射隔热涂层处底座板的伸缩压力增大200～400 kN,但远小于轨道板伸缩压力的降低幅度;涂刷反射隔热涂层后,轨道板伸缩压力降低约1 800 kN,有效降低了持续高温情况下轨道板上拱风险。在铁路双线桥CRTSⅡ型板式无砟轨道结构上涂刷反射隔热涂层时,优先考虑轨道板受力即可;双线同时涂刷对轨道结构受力最有利。

CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析

无砟轨道具有整体稳定性强、刚度均匀性好、线路平顺度高、耐久性强的突出优点,满足客运专线和高速铁路对轨道性能的要求,以板式无砟轨道为例,分别介绍了CRTSⅠ型板式无砟轨道与CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构组成、板型分类、断面尺寸和对线下工程设计要求,对两种轨道系统的技术特点进行了分析,Ⅰ型轨道板比Ⅱ型轨道板制造简单、造价稍低,Ⅱ型板式无砟轨道比Ⅰ型板式无砟轨道几何精度高、结构整体性和纵向连续性好。

单元化后高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向力分布规律研究

针对我国高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板、离缝等病害问题,按照四块板的单元化方案对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行单元化处理,建立多跨简支梁桥无缝线路桥梁-轨道耦合模型,研究桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向力分布规律,分析不同弹性模量的宽窄接缝对钢轨纵向力、钢轨位移、轨道板纵向应力及桥梁纵向位移的影响。研究结果表明:(1)当弱连接处弹性模量取15500MPa时,无砟轨道结构整体受力减小,钢轨纵向力、钢轨纵向位移及轨道板纵向应力出现应力、位移突变现象,突变幅值在安全范围之内;(2)单元化时需关注弱连接位置、梁缝处钢轨受力及钢轨的爬行,防止钢轨力变化幅度过大导致钢轨疲劳断裂,在弱连接位置发生较大变形;(3)单元化时,弱连接处填充材料的弹性模量是影响CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力的关键因素;(4)单元化对桥梁整体纵向位移的影响很小,可忽略不计。

冲击荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构振动与噪声的关联性研究

为揭示冲击荷载作用下无砟轨道结构振动和噪声的内在关联性,采用1∶1足尺模型对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构进行多组冲击振动试验。通过在板式无砟轨道不同方向、不同位置的锤击,获得钢轨轨顶、轨腰、轨底各个位置的加速度及声强声压数据,采用快速傅里叶变换(FFT)获得了振动和噪声的频谱图,并进行频域特性对比分析,研究振动和噪声的内在关联性。结果表明:侧向冲击荷载下,轨顶轨腰处声强主要与侧向振动有关,频谱图峰值对应良好;垂向冲击荷载下,0~1 500 Hz区段的声强主要受垂向振动影响。

京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构病害检查的优化建议

以京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构病害为研究对象,调研沿线3个铁路局无砟轨道病害检查现状,对CRTSⅡ型板式无砟轨道病害检查存在的问题进行总结分析,针对当前采用的检查原则、检查周期、检查内容、检查方法等提出相应优化建议。根据检查现状和对上拱影响因素的研究,提出专用检查建议表格和相应的检查时间、检查内容、检查频率等,供现场检查人员试点应用。

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构翘曲响应分析

采用Abaqus有限元软件建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构模型,综合考虑温度荷载以及材料性能变化产生的不同荷载作用状态,分析轨道板翘曲响应规律及其对轨道几何形位的影响.分析结果表明:轨道板在纵连后能有效减小翘曲变形,并且在计算时考虑钢轨约束的作用可以进一步减少翘曲病害;设置不同的CA砂浆弹性模量,发现其对翘曲变形影响很小,可以忽略不计;在相同的温度梯度荷载作用下,整体温度荷载越大,轨道板翘曲变形也越大.

路基不均匀沉降对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的影响分析

CRTSⅡ型板式无砟轨道采用纵连结构,轨道板刚度较大,一旦路基发生不均匀沉降,将影响无砟轨道结构的受力。本文基于有限元分析理论,建立了三维有限元计算模型,分析了路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的力学特性。研究结果表明:(1)随着不均匀沉降的出现和发展,轨道结构的应力峰值迅速增长,当沉降量大于10 mm/20 m时,轨道板已处于开裂工作状态;(2)不均匀沉降对扣件竖向受力的影响不大,对其纵向受力影响较大;(3)当沉降量为25 mm/20 m时,轨道结构出现空吊问题,并且随着沉降量的增大,轨道结构的空吊问题越来越严重,为了使轨道结构在运营期间不产生空吊问题,建议路基不均匀沉降量应小于20 mm/20 m。

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。

低温环境下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土温度效应试验研究

为探明低温环境下CRTS Ⅱ型板式无砟轨道混凝土结构的温度效应,制作了1∶4无砟轨道-简支箱梁结构缩尺模型,通过开展低温环境下温度荷载试验,分析了轨道结构的温度分布、结构应力以及纵向位移时程变化规律。试验结果表明:CA砂浆层对温度的竖向传递具有阻滞效应,最不利温度结构出现于轨道板-CA砂浆层间界面,整体温度分布呈“锄形”;纵向方向中间应力值均大于两侧的应力值;轨道结构竖向位移及纵向位移与温度均呈现明显的线性关系;最后指出CRTS Ⅱ型板式无砟轨道低温适应性较差,严寒地区应尽量减少该结构类型的采用。

不同温度速率下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道热力学性能研究

针对我国CRTSⅡ型板式无砟轨道的复杂温度荷载效应,重点研究不同温度速率变化对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构热力学性能的影响。通过大型环境模拟试验箱,开展简支箱梁上5块CRTSⅡ型板式无砟轨道的1∶4几何缩尺模型的温度试验,对比分析3种环境温度变化速率下无砟轨道内的温度和应力分布特征;建立两端自由和两端约束条件下缩尺模型的热传导数值模型,验证了该数值模型的有效性,分析了两种约束条件下无砟轨道-箱梁结构的三维温度场、应力场和位移的变化规律。结果表明,随着温度变化速率下降,无砟轨道-箱梁结构的竖向位移和温度变化幅值在增大,但竖向多层的温度和位移数值在下降;结构的应力、轨道板轴力也不断增大,特别是温度变化速率从0.67℃/min下降到0.44℃/min时。此外,两端自由的纵向应力和竖向位移均比两端约束的小,但其温度要大于两端约束的,约束边界条件会加速轨道内热传递过程。

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。

层间离缝下车辆-CRTSⅡ型板式无砟轨道耦合系统动力特性研究

随着CRTSⅡ型板式无砟轨道结构服役时间的延长,层间离缝发生发展对轨道结构和行车安全的影响成为迫切需要解决的问题之一.为厘清不同程度的层间离缝对车辆-无砟轨道系统动力特性的影响程度,建立了考虑层间离缝的车辆-CRTSⅡ型轨道板的耦合动力学模型,用ABAQUS和Simpack联合仿真,研究了不同尺寸的单一离缝以及多离缝不同位置组合对车辆及轨道结构动力响应的影响.结果表明,单一离缝横向深度和纵向长度分别在522 mm、1.275 m及以上时,离缝发展明显加快;多离缝的不同位置组合中板端与板边组合为最不利情况.研究结论为高速铁路轨道结构运维提供参考价值.

CRTSⅡ型板式无砟轨道层间摩擦参数及性能影响研究

针对CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝后的层间相互作用关系,开展现场运营线及室内推板试验,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道的力学特性分析模型,研究离缝条件下不同层间摩擦参数对轨道结构力学性能的影响。研究结果表明:实际运营状态下的轨道板随着顶推力不断增大,轨道板与砂浆层逐渐脱粘,完全脱粘后发生滑移,轨道板失稳发生水平位移的推力在160~200 kN之间,轨道板发生稳定滑移的水平推力在210~250 kN之间,对应摩擦系数为2.5~3.1;室内试验轨道板与砂浆层之间在无粘结力的最不利状态下,轨道板发生稳定滑移的水平推力在55~56 kN之间,对应摩擦系数为0.79~0.80;随着层间摩擦系数增加,会一定改善轨道结构受力变形,但影响程度有限,摩擦系数由0.7增加至3.1时,宽窄接缝受力最大减小6.6%,钢轨和轨道板最大上拱位移分别减小了4.19%和5.7%;对于已经出现离缝的CRTSⅡ型板式无砟轨道,层间摩擦状态影响较小,应提前预防和避免层间离缝病害的产生,保证层间粘结完好。

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构底座混凝土优化及开裂性能研究

对于CRTSⅢ型板式无砟轨道结构底座混凝土的优化及开裂性能,文章通过进行工作性能、力学性能、体积稳定性能试验分析,得出不同的坍落度对混凝土的抗压强度、塑性收缩及干燥收缩的影响几乎可以忽略不计,但在施工时,坍落度影响底座混凝土的泌水层,因此应尽可能降低混凝土的坍落度;增加TK-ac型减缩抗裂剂会增加混凝土塑性收缩变形,降低干燥收缩变形,因此,在添加TK-ac型减缩抗裂剂后,要做好早期保湿养护工作,减少胶凝材料用量及用水量,以降低混凝土的早期塑性收缩,提高混凝土的抗裂性能。

不同气象因素下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构热力学响应

CRTSⅢ板式无砟轨道是我国自主研发的一种竖向多层轨道结构,其热力学响应容易受到气象多因素的影响,本文建立了桥上CRTSⅢ板式无砟轨道有限元模型并进行了模型验证,然后分析了不同气象因素(环境温度、太阳辐射、风速)对无砟轨道结构热力学性能的影响规律。结果表明:该三维有限元模型可以较好反映无砟轨道热力学性能,三种气象因素中,太阳辐射是影响结构热力学响应的最重要因素,导致轨道内多层结构较大的温度、应力、位移变化,其次是环境温度作用,风速作用影响最小,特别是轨道板的热力学响应变化幅值明显大于自密实混凝土层与底座板。研究结果有助于揭示CRTSⅢ板式无砟轨道的温度荷载效应,为无砟轨道的长期结构性能评估与养维提供重要的意义。