宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损对无砟轨道-简支梁桥结构受力性能影响

基于弹性地基梁体理论,考虑宽窄接缝与轨道板之间界面开裂与CA砂浆脱空耦合伤损,建立伤损状态下的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-简支梁桥结构有限元模型,分析宽窄接缝与CA砂浆不同伤损型式和不同位置耦合伤损尺寸在正温度梯度荷载作用下对无砟轨道-简支梁桥结构受力及变形的影响。研究结果表明:宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损较宽窄接缝界面开裂或CA砂浆脱空单一伤损型式对结构受力与变形更为不利;当耦合伤损面积超过0.975 m×0.765 m,长度超过0.975 m或宽度超过0.51m时,轨道板拉应力超过其抗拉强度,影响结构的正常使用;随耦合伤损尺寸的增加,轨道板和CA砂浆的垂向位移均显著增大,底座板和桥梁的垂向位移呈微弱减小趋势;宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损位于轨道板板边对结构受力和变形影响最大,耦合伤损位于板端次之,耦合伤损位于板角影响最小。

基于实测数据的高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场研究

温度作用是影响桥梁-轨道结构服役性能的重要因素之一。为探究高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系的温度场变化规律,基于某拟建铁路上承式大跨拱桥桥址处的环境温度持续监测数据与卫星反演得到的太阳辐射数据,建立了考虑太阳辐射阴影遮挡效应的拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场模型,重点分析日温度变化规律和竖向温差分布规律,获得了考虑实测气温和太阳辐射逐时变化的全年日温度场;采用广义帕累托分布对竖向温差样本进行了极值分布估计,确定不同超越概率的竖向温差代表值,提出多折线形式的竖向温度梯度模式。研究结果表明,梯度相较于平原地区更为显著,无砟轨道的遮挡效应使得温度梯度分布上移,钢梁外侧腹板在冬季产生局部梯度作用;基于实测数据的温差极值估计方法考虑了环境温度和太阳辐射对结构温度场的随机影响,可为特殊地区桥梁设计阶段温度作用的计算提供参考。

静力荷载下CRTSⅡ型无砟轨道-桥梁结构体系的力学性能

利用三跨CRTSⅡ型板式无砟轨道-简支梁桥结构体系1:4缩尺模型,开展单梁和梁轨协同作用下的静载试验,并对比分析其特性及轨道结构对结构体系刚度的影响规律。根据轨道结构与简支梁桥界面滑移模式,以能量变分原理为基础,建立无砟轨道-简支梁桥结构体系的控制微分方程,并利用最小势能原理推导结构体系挠度与滑移的理论解。研究结果表明:在承受竖向静力荷载时,无砟轨道-简支梁桥结构体系横截面纵向应变沿竖向分布不满足平截面假定,但轨道结构与简支箱梁的纵向应变分别在各自的横截面高度范围内满足平截面假定;轨道结构铺设后,梁轨结构体系的抗弯刚度和竖向刚度分别较单梁提升29.14%和77.57%;无砟轨道-简支梁桥结构体系不同截面处的界面抗剪切刚度有较大差异。

循环荷载下无砟轨道-桥梁结构体系刚度退化性能

为了预测高速铁路无砟轨道梁桥结构体系的长期性能演化规律,在充分考虑轨道层间黏结性能的基础上,建立CRTSⅡ型无砟轨道-简支梁桥结构空间有限元模型。基于材料疲劳力学性能的研究,通过1次静力加载,确定材料刚度退化曲线并构造不同服役期时荷载循环加载N次后的等效静力模型,分析结构在列车荷载、温度作用或它们共同作用下的工作性能。研究结果表明:在正温度作用下,结构体系整体在纵向以受压为主;在负温度下,结构体系整体上在纵向以受拉为主;在单线列车荷载下,轨道各层纵向在梁端处受拉、跨中处受压;轨道各层应力随结构服役时间增加不断减小,各层纵向与竖向位移则不断增大;结构各层的应力与位移随结构服役时间的变化规律与材料疲劳性能的3阶段变化规律较相似;结构体系在温度与单线列车荷载共同作用下,有载侧与无载侧的力学反应稍有不同,单线列车荷载的存在仅影响结构服役初期不同侧的响应值,对结构的力学性能随服役时间变化的规律影响不大。

刚度退化对高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系受力性能的试验研究

考虑材料在循环荷载作用后导致的弹性模量下降引起的结构体系刚度的退化,建立了高速铁路无砟轨道-连续箱梁多层空间多尺度有限元模型,分析了荷载循环作用后仍在服役期内的结构在温度梯度和列车荷载作用下,结构体系受力性能的变化。分析结果表明:纵向位移、相对位移和系统各层受力在列车静载作用下不断增大;列车静荷载作用下,系统各层的纵向位移、相对位移和应力则不断增加;温度梯度作用下,系统各层纵向位移、相对位移和纵向应力均随结构刚度的退化不断减小;各层竖向位移均随结构刚度退化而增大,竖向应力则随刚度退化而不断减小;动力特性分析中,结构各层的竖向加速度、相对位移随刚度退化有增大趋势,各层竖向应力则呈减小趋势。结构刚度退化的前期,各层反应变化迅速,后期变化较平缓,结构各层的反应变化速率同时期几乎保持一致。

客运专线无砟轨道桩-板结构路基

研究目的:为实现无砟轨道铁路严格的路基工后沉降控制,遂渝线无砟轨道综合试验段首次采用了桩-板结构路基方案,其工作机理、承载及动力特性需要研究。研究结论:桩-板结构路基是无砟轨道铁路一种新的路基结构形式,其承载特性和动力性能良好,且具有较好的经济性,适用于新建客运专线无砟轨道铁路中的工程地质条件复杂的低路堤和路堑地段以及两桥(隧)之间短路基、道岔区路基等特殊地段软弱地基加固,同时也可用于已建路堤的补强加固。

无砟轨道桩-网结构路基设计方法研究

分析客运专线无砟轨道桩-网结构路基的破坏模式,提出桩-网结构路基设计对策,并对桩-网结构路基设计方法进行了探讨。钢筋混凝土桩-网结构应进行单桩承载力验算、地基沉降验算、桩顶加筋垫层验算;当地基土层较差,特别是单一无硬壳层的极软地基,还应进行桩-网结构抵抗路堤荷载侧向滑移作用的横向稳定验算。在桩-网结构单桩承载力验算中,为充分发挥桩的承载作用,建议引入单桩承载力发挥系数。

高速铁路箱梁-无砟轨道结构温度场模型的级数解

为了预测高速铁路箱梁-无砟轨道结构的温度场分布及升温模式,结合箱梁-无砟轨道结构的实测温度和气象参数,建立第三类边界条件的温度场预估模型。基于热阻网络法分析箱梁-无砟轨道结构的复合换热过程,采用积分变换法求得结构升温过程的级数解,并结合预估模型对箱梁-无砟轨道结构升温模式进行分析。研究结果表明:采用积分变换法求得结构升温过程的级数解,其前8项求和结果与数值结果和实测结果的最大误差分别为5%和8%;当辐射气温大于混凝土结构表面温度时,可采用半无限域温度场模型近似计算表面温度,与有限域模型的温度级数解的相对误差在1℃之内;高速铁路箱梁-无砟轨道结构的四折线及指数温度模式与实测温度模式拟合度很高,可满足实际工程应用。结构指数温度模式的计算公式可预测不同截面高度、不同工况(施工、运营)的结构升温模式。

长期列车荷载下无砟轨道-桥梁结构刚度退化试验研究

为研究长期列车荷载作用下高速铁路无砟轨道-桥梁结构刚度退化规律,制作了CRTSⅡ型无砟轨道-简支箱梁结构体系1∶4缩尺试验模型。通过开展1.8×107次多级变幅长期列车荷载试验,分析了无砟轨道-桥梁结构体系的挠度与刚度演化规律,研究了结构体系刚度退化情况并预测了其服役寿命。研究结果表明:多级变幅列车荷载长期作用下,无砟轨道-桥梁结构未出现肉眼可见裂缝,结构体系承载力满足设计和使用要求;列车荷载循环作用的次数和列车荷载幅的大小对结构体系力学性能影响非常显著;动力荷载作用下结构体系挠度具有显著的放大现象;结构体系静刚度变化总体上呈下降趋势,退化较为显著,动刚度在服役初期退化迅速,后期退化缓慢,刚度退化具有不可恢复性;试验后结构体系的静、动刚度累计损伤分别达到23.82%、19.25%,有效动刚度剩余61.5%,长期列车荷载作用下,我国现行无砟轨道-桥梁结构体系在设计使用年限内不会发生疲劳破坏,箱梁服役寿命预计可达420 a。

高速铁路无砟轨道-桥梁结构动力响应试验研究

以沪昆高铁某无砟轨道-桥梁的三孔32.0m标准跨径预应力简支箱梁为研究对象,建立多断面多结构监测系统开展无砟轨道-桥梁结构动力响应测试,研究该无砟轨道-桥梁各结构层在不同行车速度下的动力响应规律及轨道结构-桥面协调变形特性。研究结果表明:在行车速度为290~350km/h情况下,该预应力简支箱梁的梁体跨中竖向振动加速度随着列车行车速度的增大而增大,在行车速度320~340km/h之间达到峰值;梁体跨中各结构层的竖向、横向加速度从上至下呈现明显的逐级减小趋势,振动衰减明显;梁体跨中及1/4跨测点竖向动位移与行车速度没有明显相关关系,振动变形满足规范要求;轨道板-底座板间相对动位移远大于底座板-桥面板间相对动位移,竖向相对动位移均大于横向相对动位移,在长期动力循环加卸载条件下,此种相对动位移可能引起较大的塑性累积变形,应予以重视。

弹性支承块式无砟轨道结构参数动力学优化设计

建立车辆-弹性支承块式无砟轨道耦合动力学模型。模拟落轴试验荷载条件,分析轨下刚度与块下刚度的匹配关系,得出轨下刚度与块下刚度的合理取值范围。在轨道刚度确定的前提下,提出不同运营条件下满足动态轨距扩大限值的弹性支承块式无砟轨道合理结构参数。评估不同半径曲线上铺设弹性支承块式无砟轨道时重载货车和快速客车的运行安全性和舒适性。研究隧道内弹性支承块式无砟轨道与隧道外有砟轨道过渡段动力学问题,结果表明:将有砟轨道向隧道内延伸一定长度可明显改善连接处轨枕的受力状况,同时使支承块免受雨水侵蚀。延伸段长度以10～20 m为宜。

CRTSⅢ型板和双块式无砟轨道振动噪声特性研究

【目的】探究高速铁路CRTSⅢ型板和双块式无砟轨道的结构振动与噪声特性。【方法】以有限元、多体动力学与边界元相结合的方法为基础,通过建立高速列车-无砟轨道-箱梁耦合动力学模型和边界元模型,研究列车高速通过时的列车-轨道-箱梁耦合系统的结构动力响应,以及噪声辐射特性。【结果】结果表明,列车通过桥上CRTSⅢ型板与双块式轨道结构段时,列车的最大轮重减载率分别为0.0536与0.1657,下部箱梁挠度分别为1/9673与1/8457。与双块式无砟轨道相比,CRTSⅢ型板的轨道板及底座位移响应更小,并且轨道-箱梁系统的竖向振动衰减更快,减振性能更优。另外,比较两种轨道结构条件下的高架箱梁结构噪声,CRTSⅢ型板段的箱梁噪声总声压级更小。但是,桥下远场点噪声峰值差异较小,峰值频率接近,均为31.5Hz左右;而桥下峰值频率差异较大,Ⅲ型板的峰值频率为63Hz,双块式则为20Hz。【结论】CRTSⅢ型板式无砟轨道更适合在高速铁路桥梁段使用。

轨道-路基体系一致动力相似设计方法与动力试验

在室内动力试验中,为考虑缩尺模型轨道和路基结构的动力效应以及二者的相互作用,提出了轨道-路基体系一致动力相似设计方法:即在对轨道结构进行动力相似设计的同时,保持轨道-路基模型的加速度相似比为1,再通过轨道和路基遵循相同的长度相似比、控制路基模型剪切波速相似来进行路基结构动力设计.采用该方法进行了缩尺比为1/4的轨道-路基模型结构的相似设计,开展了不同激振频率工况下模型体系的动力试验,测试并分析了路基模型不同位置处的加速度反应等,确定了试验模型体系一阶固有频率.结果表明:加速度在向下传递过程中存在时间尺度上的滞后效应;同一激振频率下,路基不同结构层处加速度频谱分析的特征频率一致.

基于深度学习的高速铁路简支梁桥震致损伤预测

基于卷积神经网络,提出了一种快速预测高速铁路无砟轨道-简支梁桥系统震致损伤的方法。为得到更多地震动信息,通过连续小波变换,将一维地震动数据输入变换成三维图像输入。通过对比损伤样本库中的结果,验证了提出方法的可靠性,分析了卷积神经网络的不同超参数对预测结果和训练时长的影响,得到了贝叶斯优化后的卷积神经网络超参数组合,对比了不同抗震分析方法得到高速铁路无砟轨道-简支梁桥系统震致损伤所需时间。利用优化后的卷积神经网络预测了高速铁路无砟轨道-简支梁桥系统中不同关键构件的震致损伤。研究表明:初始学习率是影响网络预测准确度的最主要因素,学习率下降系数、最小批次及训练轮数会对网络预测结果造成一定影响。而训练卷积神经网络所需时长主要由训练轮数及最小批次决定。提出的方法对高速铁路无砟轨道-简支梁桥系统中不同构件的震致损伤均具有较高预测准确度,网络结构具有较高的适用性,优化后的卷积神经网络训练耗时更短且对高速铁路无砟轨道-简支梁桥系统震致损伤预测更准确。研究成果可为震后高速铁路系统震致损伤的快速修复提供参考。

分级地震下跨断层高铁简支梁桥行车安全与抗震设计优化研究

以跨越走滑断层的某高速铁路八跨简支梁桥为研究对象,基于OpenSEES平台建立其考虑梁-轨相互作用的线桥体系非线性数值模型,合成平行断层方向的水平地震动,分析了不同地震动强度下桥梁结构及CRTSII型板式无砟轨道结构的损伤特性,量化评定了结构构件的地震安全性。基于规范给出的轨道水平变形控制标准,评价了不同车速下线路的行车安全性,探讨了轨道结构的优化设计。研究结果表明:断层跨及其邻跨的地震响应最大,强震下面临严峻的破坏风险;地震下轨道水平变形明显,存在行车安全隐患的位置主要集中在断层跨及其两侧邻跨梁端;增加轨道侧向挡块数量可有效降低轨道水平变形,将侧向挡块增加至每跨每线6对时,罕遇地震下,除断层跨梁端处轨道的平行转角外,其余位置的轨道水平变形指标仍能满足车速为100 km/h时的行车安全限值。

冲击载荷下有砟轨道动力学响应仿真研究

为研究冲击载荷下有砟轨道的动力学响应,采用离散元-有限元耦合的方法,建立了有砟轨道离散元-有限元耦合动力学模型,研究了有砟轨道的典型结构参数对有砟轨道沉降的影响,结果表明道砟粒径越小或道床厚度越大越能有效地将来自轨枕的载荷分散至基床表层顶部;随着地基刚度的减小,轨枕检测点的下沉量和垂向应力增大,残余变形量也增大。地基刚度越小时,其变化引起的沉降和垂向应力变化越明显。以上仿真研究可为有砟轨道的结构设计、沉降预测和状态评估提供理论参考且具有重要意义。

无砟轨道沥青混凝土支承层准静态设计方法

沥青混凝土铺装轨道结构中,沥青混凝土支承层的厚度设计目前以经验为主。本文建立了轨道板在均布荷载作用下的层状弹性体系理论模型,应用有限元分析和实测数据验证了理论模型的有效性,提出以沥青混凝土层层底拉应变、路基面竖向应力、路基面竖向位移为关键设计指标的沥青混凝土支承层厚度准静态设计方法,并进行了实例设计。结果表明:理论分析结果相比有限元计算结果偏于保守,两者都在实测数据取值范围内;理论模型修正后可用于无砟轨道沥青混凝土支承层的厚度设计;设计指标的阈值可控制设计层的最小适宜厚度。

高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟

从现场实测和数值模拟 2个方面分析研究上海高架轨道交通明珠线引起的环境振动实况、发生机理及振动传播规律 .根据实测资料提出了预测明珠线引起环境振动振级的统计回归公式 .建立了车 -桥子结构和框架 -地基基础子结构 2个体系的分析模型及计算方法 .计算了典型区段在列车通过时引起的沿线环境振动 .数值模拟分析结果表明 ,用提出的分析模型和计算方法算得的环境振动振级与统计回归公式符合较好 .

高速铁路桥-路过渡段动应力响应测试与分析

在山区修建高速铁路时,桥、涵、隧等构筑物工程较多,结构物间路基长度小于1 5 0 米的情况也较多。在旧版《高速铁路设计规范》(TB10621-2009)第6.6.6条中,要求“两桥之间、桥隧之间及两隧之间的短路基宜采取适宜措施,平顺过渡;当两桥之间为小于1 5 0米非硬质岩路堑时,路基基础可采用桩板结构或保证刚度平顺过渡的工程措施”

高速铁路桥梁-轨道体系检测监测与行车安全研究进展

为了提升桥梁-轨道结构服役安全性能,保证复杂环境条件下高速铁路结构适应性和行车安全舒适性,研究了高速铁路桥梁-轨道体系检测监测装备的改进与优化,分析了桥梁-轨道结构服役性能动态演变规律,总结了复杂条件下桥上行车安全评价与预测方法,展望了未来研究重点与方向。研究结果表明:在桥梁-轨道体系检测监测技术方面,现有研究聚焦于传统检测监测装备的优化和智能化技术与损伤识别方法的深度融合,核心目标是提高桥梁-轨道结构检测监测的效率、精度与标准化程度,实现基础设施服役状态的精准评判与预测;在桥梁-轨道空间变形映射关系方面,考虑基础结构各部分交互影响的变形映射模型能够准确描述结构层间界面状态演变引起的轨面几何形态变化趋势、发展规律和频谱特性,但目前尚缺乏对高速铁路桥梁-轨道协同设计和变形智能调控装置的深入研究;结构服役性能演化研究大多基于理想化的弹塑性本构模型,且对于服役性能劣化行为与规律的研究局限在特定服役环境;正在逐步深入开展基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论的长期服役条件下高速铁路桥梁行车安全性研究,建立基于不同指标体系的行车安全评价准则;充分利用桥梁-轨道体系检测监测数据,加强复杂服役环境下桥梁-轨道结构性能演变机制和损伤失效机理研究,信息更新条件下具有高可移植性的行车安全性智能评价与预测新方法是今后重点关注的研究方向。