温度效应下小半径曲线桥梁轨作用及扣件阻力影响研究

为研究温度效应对小半径曲线桥梁轨相互作用的影响,以某小半径有轨电车曲线桥为背景,建立考虑无缝线路线形的线-桥-墩一体化空间有限元模型并进行验证。分析并对比直线桥与小半径曲线桥梁轨相互作用规律,研究了整体升温工况与局部升温工况下小半径曲线桥钢轨伸缩附加力、桥梁墩顶横向力和纵向力的大小及其分布规律,提出3种扣件布置方案并从减小钢轨伸缩附加力的角度进行对比。研究结果表明:相较于直线桥,整体升温情况下小半径曲线桥上钢轨横向位移及墩顶横向力均较大;对于小半径曲线桥,整体升温情况下,随着桥梁温度的升高,钢轨的伸缩附加力逐渐增大;采用整体升温工况进行设计检算时,钢轨所受伸缩力及墩顶纵向力与局部升温工况相比结果偏大;相较于铺设常阻力扣件,铺设小阻力扣件可以明显减小钢轨伸缩附加力,但纵向阻力过小容易导致钢轨折断时断缝过大。研究结果可以为有轨电车小半径曲线桥上无缝线路的设计提供理论参考。

考虑加载历史的小半径曲线桥梁梁轨相互作用分析

目前,大部分考虑加载历史的梁轨相互作用研究都集中在直线桥梁上,针对曲线桥梁,尤其是小半径曲线桥梁,梁轨相互作用的研究相对较少。采用理想弹塑性滞回阻力模型模拟扣件纵向阻力,运用有限元软件,建立以城东特大桥为研究对象的钢轨-桥梁-墩台三维有限元空间力学计算模型,研究曲线半径对于梁轨相互作用的影响,探究了多荷载耦合作用、往复荷载作用以及循环荷载作用下考虑加载历史效应的曲线桥梁梁轨相互作用情况,并提出“拉力百分比”以及“压力百分比”的概念以便分析曲线半径对传统线性叠加法误差的影响。结果表明,曲线桥梁中梁轨纵、横向相互作用分别与曲线半径成正、反比,相关数据改变幅度与曲线半径成反比且当曲线半径超过800 m时基本收敛,此时可采用“以直代曲”的简化算法;曲线半径对于横向梁轨相互作用影响程度大于纵向,相较于挠曲、制动工况,伸缩工况受曲线半径影响更加显著;多荷载耦合作用下,采用传统线性叠加法相较于考虑加载历史更为保守且温度荷载起主要贡献;考虑加载历史时钢轨在往复荷载作用下会产生不可忽视的残余内力,且在循环荷载作用下将会产生收敛于第1次往复荷载下的残余内力,这是扣件纵向阻力的弹塑性滞回特性决定的;线性叠加法误差与曲线半径具有相关性,相较于挠曲、制动工况,伸缩工况下对其更为敏感。研究结果可为考虑加载历史下曲线桥梁结构设计提供参考。

基于多缝协同体系的大跨度桥梁与轨道相互作用研究

钢轨伸缩调节器结构复杂、养护工作量大、运维成本高,大跨度桥梁铺设无缝线路的关键技术难题是如何尽量少设或不设钢轨伸缩调节器。提出一种取消大跨度桥梁钢轨伸缩调节器、将梁端伸缩位移均匀分散到邻近简支梁的多缝协同设计理念,建立基于多缝协同体系的大跨度桥梁参数化梁轨相互作用计算模型,研究不同温度区域、不同扣件类型、不同简支梁跨数、不同桥梁墩台刚度及不同轨道类型的多缝协同体系钢轨受力和变形规律。研究结论为:以无砟桥梁300 m温度跨度为例,传统体系计算的钢轨伸缩力为692 kN,采用5跨多缝协同简支梁后,钢轨伸缩力可减小为469 kN,减小幅度达40%以上。随着多缝协同简支梁跨数的增加,钢轨伸缩力不断减小,制动力则大幅增加,多缝协同简支梁相邻的第1孔简支梁墩刚度从350 kN/cm增加到2100 kN/cm时,钢轨制动力可减小约30%。对于不同温度跨度无砟轨道及有砟轨道大跨度桥梁,均对应最优的多缝协同简支梁跨数及跨度。多缝协同体系的合理配置为:简支梁跨度30~40 m、跨数3跨或4跨,且与之相邻的第1跨传统简支梁墩刚度尽可能大。多缝协同受力体系适应的无砟轨道桥梁最大温度跨度为350 m,有砟轨道桥梁温度跨度为500 m。

温度荷载下纵连式无砟轨道梁轨耦合作用规律

研究目的:温度荷载下梁轨耦合作用规律是桥上铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道的基础,本文针对简支梁和连续梁,建立多钢轨、整桥系统的计算模型,对其梁轨耦合作用规律及其影响因素进行较为全面、细致的分析,以期为桥上纵连板式无砟轨道无缝线路的设计、施工及后期养护维修提供参考。研究结论:(1)纵连板的钢轨伸缩力与梁跨布置没有明显的映射关系,近似呈对称分布,这主要是由轨道板的位移分布特点所决定的;(2)底座板是梁轨系统中的关键部件,其伸缩影响着系统其他部件的受力与变形,端刺为底座板的锚固装置,其刚度直接决定着底座板的伸缩位移大小;(3)受梁板相对位移的影响,滑动层、"两布"隔离层、端刺产生的纵向力均会引起底座板纵向力的变化,变化幅度近似为其摩阻力或纵向力;(4)降温工况下,钢轨、轨道板、底座板三层纵连结构受桥梁伸缩的影响不大,但在剪力齿槽处波动较大;(5)滑动层摩擦系数是轨道结构中极其重要而又难以监控的参数;增大CA砂浆粘结力对轨道结构受力有利,建议严控施工质量;(6)该研究结论对纵连板式无砟轨道设计优化理论和工程实践具有一定的指导意义。

梁轨相互作用对过渡段道床板翘曲的影响

研究目的:为了明确梁轨纵向相互力学行为对无砟轨道路桥过渡段道床板翘曲的影响,建立路桥过渡段处双块式无砟轨道桥上无缝线路及道床板力学计算模型,研究桥梁及轨道结构约束作用、钢轨伸缩力、道床板温度梯度等对道床板翘曲变形的影响。研究结论:(1)考虑桥梁及轨道结构的约束作用时,道床板上拱量相对增大约28%,达到2.5 mm;考虑桥上无缝线路纵向附加力时,桥台附近的钢轨伸缩变形会降低道床板的上拱量约44%,降为1.4 mm,且随着钢轨伸缩力的增大,降低值越大;(2)正温度梯度作用下,道床板上拱量有所增加,增大约43%,达到2.1 mm,而负温度梯度作用下道床板上拱量有所减小,减小约14%;(3)桥梁升温幅度越大,道床板上拱量越小,且随着温度幅度的增加,降低趋势变缓;(4)对于大跨度桥梁梁缝处铺设伸缩调节器时,道床板上拱量较主桥铺设小阻力扣件工况增大约1.2倍,增大到7.8 mm;(5)该研究结论对无砟轨道路桥过渡段设计优化理论和工程实践具有一定指导意义。

考虑加载历程和梁轨相互作用的桥上轨道受力分析

本文基于扣件纵向位移阻力弹塑性滞回模型,建立城市轨道交通简支高架桥与钢轨相互作用模型,进行考虑加载历程的梁轨相互作用研究。选定计算使用的模型及相关参数后,比较使用考虑加载历程方法与传统线性叠加方法所得钢轨纵向附加力的差异,分析往复荷载作用下钢轨纵向附加力的特点,以及线路最大有载阻力在一定范围内变化时钢轨纵向附加力的分布特征。研究结果表明钢轨在循环荷载作用下存在收敛的残余内力。

大跨度连续梁桥与梁拱组合桥梁轨相互作用比较

为了比较大跨度铁路连续梁桥与梁拱组合桥梁轨相互作用特点,以(82.9+172.0+82.9)m连续梁桥与梁拱组合桥为例,分别建立考虑钢轨-主梁-桥墩-基础、钢轨-拱肋-吊杆-主梁-桥墩-基础这2种桥梁梁轨系统一体化有限元模型,系统对比温度、活载、制动力、混凝土收缩徐变等作用下连续梁桥与梁拱组合桥上无缝线路纵向力的分布规律,并对线路纵向阻力、钢轨伸缩调节器设置等参数的影响进行探讨。研究结果表明:采用德国规范与中国无缝线路规范中的纵向阻力模型,连续梁桥钢轨伸缩力最大值与梁拱组合桥的钢轨伸缩力最大值相比分别大2.3%和2.0%;连续梁桥有载侧和无载侧钢轨最不利挠曲应力与梁拱组合桥的无载侧钢轨最不利挠曲应力相比均大67.8%;温度与断轨位置对断轨力影响显著;2类桥梁钢轨应力在同向列车制动与桥梁收缩徐变作用下变化规律与大小基本一致;对下部结构,连续梁桥对梁体升温敏感程度比连续梁拱桥的大,在挠曲工况下,两者墩顶水平力最大差为176.1 k N。

地震作用下桥梁-CRTSⅡ型无砟轨道相互作用规律

为研究地震对桥梁纵连板式无砟轨道相互作用的影响,以沪昆高铁某16~32 m简支箱梁桥-CRTSⅡ型板式无砟轨道系统为研究对象,建立充分考虑轨道结构层间非线性约束的三维动力仿真模型,探讨ElCentro波和Taft波2种常见地震激励对结构受力变形的影响,对比3种不同烈度的ElCentro波对系统动力特性的影响程度。研究结果表明:地震波的频谱特性与结构动力响应紧密联系,ElCentro波对结构纵向受力与变形影响较大;地震作用下,钢轨、桥墩和端刺承受着较大纵向力;扣件、滑动层和砂浆层各向位移均在梁缝处出现峰值,扣件和砂浆层纵向位移最大值出现在端刺附近;滑动层通过底座板滑移耗能,大幅度提高了系统的抗震性能;随着地震烈度的增加,各关键构件受力变形大幅增长。

滑移支座摩阻效应对高速铁路大跨度桥梁梁轨相互作用的影响

为了研究支座摩阻力对大跨度桥梁-轨道系统相互作用的影响,以高速铁路线上某大跨度钢桁拱桥为研究对象,建立钢轨-桥梁-墩台-基础一体化有限元模型,采用非线性弹簧模拟滑移支座,对计入支座摩阻效应前后、不同类型扣件下桥梁-轨道系统的各种纵向附加力开展对比研究。研究结果表明:滑移支座摩阻力对大跨度桥梁-轨道系统的伸缩附加力和断轨附加力有较大影响。计入支座摩阻效应后,钢轨的各项附加应力有所减小,各墩台附加水平力显著增加。随着摩阻系数μ增大,墩台附加力呈不断增大趋势,而钢轨附加应力和钢轨断缝值则趋于减小。采用普通扣件下摩阻系数为0.03,0.05和0.10时,钢轨最大伸缩应力分别为不计摩阻力时的92.7%,87.3%和71.8%,而固定墩墩顶附加力分别增大至2.1倍、2.8倍和4.4倍。计入支座摩阻力后,在不同摩擦因数下,采用小阻力扣件的钢轨附加应力与墩台附加水平力较普通扣件工况下差别不大,但断缝值均增大约20%。

客货共线大跨度简支钢桁梁桥梁轨相互作用

以黄韩侯铁路上某156m大跨度简支钢桁梁桥为背景,采用理想弹塑性道床阻力模型,建立了轨-梁-墩一体化空间有限元模型,对钢桁梁桥上钢轨伸缩力、挠曲力、制动力以及断轨力分布规律进行了分析,探讨了相邻简支梁支座布置、桥墩顶纵向刚度、小阻力扣件布置等设计参数对钢轨纵向力的影响.研究表明:钢轨伸缩力为主要控制性荷载;相邻简支梁宜采用与钢桁梁相同方向的支座布置方式;随墩顶刚度的增加,钢桁梁桥上钢轨伸缩力和挠曲力增大,制动力减小;在钢桁梁桥上采用小阻力扣件即可以减小约36%的钢轨伸缩力.

城市轨道交通高架桥无缝线路梁轨相互作用研究

针对城市轨道交通高架桥的具体结构形式,建立了考虑后继结构影响的城市轨道交通高架桥梁轨相互作用有限元计算模型。计算分析了某典型城市轨道交通高架桥的无缝线路纵向附加力,并对城市轨道交通高架桥长钢轨纵向水平力的合理计算模型进行探讨。研究结果表明,所建立的梁轨相互作用计算模型较传统的干线铁路桥无缝线路纵向附加力计算模型更能反映城市轨道交通高架桥的结构特征,其计算结果也更为合理。

大轴重重载铁路简支梁桥梁轨相互作用研究

为探明大轴重重载铁路简支梁桥上无缝线路钢轨纵向应力和墩顶水平力的分布规律,以我国在建的30t轴重重载铁路双线32m简支T梁为例进行梁轨相互作用分析。采用ANSYS建立多跨重载简支梁桥-无缝线路一体化分析模型（桥梁与轨道的非线性连接采用非线性杆单元模拟）,研究温度和活载作用下钢轨纵向应力与墩顶水平力的分布特点,分析简支梁跨数对纵向力分布的影响。在此基础上,探讨检算钢轨应力时,挠曲力与制动力组合方式的合理性。分析表明：重载铁路简支梁桥上无缝线路钢轨所受纵向应力普遍比客货共线铁路大9.8%~31%;简支梁跨数增加至8跨时,钢轨和墩顶的受力逐渐趋近于稳定;在检算墩顶水平力时,采用挠曲力、制动力耦合的方式进行计算较为安全。

纵连板式轨道在墩台位移作用下梁轨相互作用规律研究

针对简支梁和连续梁,建立整桥系统的计算模型,对墩台位移引起的作用力作用下桥上纵连板式无砟轨道的梁轨耦合作用规律进行分析研究。研究表明:墩台位移引起的作用力是纵连式无砟轨道梁轨相互作用较重要的附加作用力,建议受日照及风荷载影响较大的高墩桥设计中考虑墩台位移引起的作用力的影响;连续梁与简支梁桥墩向右位移时所受的外荷载大致相当,轨道及桥梁各部件所受附加力也大致相等,且桥墩纵向位移越大,各部件所受附加力越大;考虑桥梁伸缩及桥墩位移的共同作用时,轨道及桥梁各部件的受力与变形均较单因素作用时量值大,且连续梁上各部件的受力与变形较简支梁大;从梁体位移方向的比较来看,当桥墩位移与桥梁伸缩方向相同时,钢轨、轨道板、端刺的受力及轨道各部件的位移较大,而当桥墩位移与桥梁伸缩方向相反时,剪力齿槽、墩台、底座板所受纵向力较大;从荷载耦合方式来看,桥梁伸缩及桥墩位移两种荷载耦合时,轨道及桥梁各部件的受力与变形要小于两种荷载单独作用后将计算结果叠加的情况,主要是由于滑动层摩阻力等线路约束阻力的塑性极限造成的。

梁轨相互作用对台后短路基上端刺设置的影响

研究目的:端刺作为台后轨道结构的限位结构,是桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的重要组成部分。本文采用有限元方法建立线-板-桥-端刺-路基一体化计算模型,研究梁轨纵向相互力学行为对短路基地段端刺受力与变形的影响,并对短路基地段端刺设置方案进行优化,提出底座板在短路基上连续铺设、在底座板中部设置倒T型端刺并采用AB组填料填筑的方案。研究结论:(1)短路基上底座板连续铺设时,短路基长度对温度力下轨道结构-端刺的纵向受力与变形几乎没有影响,且端刺与摩擦板受力很小;(2)对比文中三种端刺设置方案,底座板连续且设置端刺时,连续梁右端钢轨纵向力与位移变化较为平缓,且钢轨纵向位移约降低22%;(3)提出的优化方案为:短路基地段底座板连续并设置倒T型端刺,但采用更经济适用的AB组填料填筑,检算结果表明,温度力作用下端刺与摩擦板的受力均较小,能够满足工程应用要求;(4)该研究结论可为CRTSⅡ型板式无砟轨道设计提供一定的理论依据。

大跨度梁拱组合桥的梁轨相互作用设计参数研究

为了解梁轨相互作用设计参数对大跨度梁拱组合桥无缝线路的影响,以兰渝线广元段某(82.9+172+82.9)m梁拱组合桥为例,采用ANSYS软件建立了考虑拱肋-吊杆-主梁-桥墩-桩基-轨道梁轨系统一体化有限元模型,分析了拱肋与吊杆升温、纵向阻力模型、吊杆间距、桥墩高度、制动力率、风荷载等参数对钢轨纵向力的传递规律。结果表明:拱肋升温对钢轨应力的影响较大,计算钢轨伸缩力时,按梁体升温15℃考虑较为安全;梁拱组合桥的梁轨相互作用根据《铁路无缝线路设计规范》计算较为安全;钢轨制动力随固定墩高度的增加而增大,固定墩的墩顶水平力与其墩高基本呈线性递减关系;钢轨应力随吊杆间距的增大而增加;钢轨的最大制动拉、压应力和固定墩的墩顶水平力均与制动力率呈线性关系;风荷载作用下,钢轨应力可达5.8 MPa以上,风速较大区域需考虑风荷载对钢轨的影响。

千米级以上超大跨径桥上无缝线路梁轨相互作用分析及应用

千米级以上超大跨径桥梁已逐步应用于高速铁路建设,但桥上无缝线路更加复杂的梁轨相互作用给安全运营带来了新的挑战.温度作用下千米级以上超大跨径桥梁空间变形大,可能对其上无缝线路造成影响.常规分析模型无法充分体现温度对千米级以上超大跨径桥上无缝线路的影响.因此,以超大跨径公铁两用悬索桥为例,建立无缝线路-超大跨径桥梁空间耦合模型,不考虑风、车荷载的影响,分析温度作用下桥梁空间变形引起的梁轨相互作用变化规律.研究结果表明:由温度引起的钢轨纵向力除传统的基本温度力、伸缩附加力外,还包括温度作用下桥梁挠曲引起梁轨相对位移而产生的新附加力—“温度挠曲力”.该力导致了梁轨相对位移及钢轨纵向力均发生了不同于普通桥上无缝线路的变化.在超大跨径桥上无缝线路中不存在传统意义上的“固定区”,为此提出了有关“实际锁定轨温”测试与应用的新方法.可为千米级以上超大跨径桥上无缝线路的设计、建造及养护维修提供参考.

支座摩阻力对高速铁路大跨度悬索桥梁轨相互作用的影响

运用ANSYS软件,建立某高速铁路大跨径悬索桥桥梁-轨道-塔墩空间有限元分析模型,采用组合弹簧模拟滑动支座,通过计入滑动支座摩阻力前后悬索桥桥梁-轨道系统的纵向附加力对比分析,研究支座摩阻力对梁轨相互作用的影响。结果表明:滑动支座摩阻力对大跨度悬索桥的制动附加力、偏载下的挠曲附加力和断轨附加力的影响比较显著,对伸缩附加力和对称加载下的挠曲附加力的影响较小;当摩阻系数分别为0.03,0.05和0.1时,偏载下钢轨最大挠曲附加应力分别是不计摩阻力时的58.65%,54.67%和53.39%,对称加载下钢轨最大制动附加应力分别是不计摩阻力时的72.85%,71.87%和71.01%,偏载下钢轨最大制动附加应力分别是不计摩阻力时的42.28%,39.80%和37.67%;随着摩阻系数的增大,钢轨的制动附加应力、偏载下的挠曲附加应力和断轨后钢轨断缝宽度均呈不断减小趋势,而主塔和活动墩的墩顶水平力则呈不断增大趋势。

考虑加载历史多因素耦合作用下的梁轨相互作用附加力

目前,大多数考虑加载历史的梁轨相互作用研究都集中在梁桥、拱桥以及斜拉桥等桥型上,对于悬索桥上考虑加载历史的梁轨相互作用研究还存在不足,采用理想弹塑性滞回模型模拟道床纵向阻力,建立以五峰山大桥为研究对象的高速铁路大跨度悬索桥梁轨相互作用分析模型,研究多因素耦合作用时加载历史对梁轨相互作用附加力的影响规律,以及往复荷载和循环荷载作用后道床纵向阻力的滞回特性对于梁轨相互作用产生的残余应力及位移的影响规律。分别采用加载历史法和线性叠加法计算温度、挠曲和制动荷载耦合作用下钢轨纵向附加应力,分析往复荷载和循环荷载作用下钢轨内部残余应力和梁轨残余相对位移的分布特点。研究结果表明:在多因素耦合作用下,虽然2种方法的梁轨相互作用附加力分布规律总体趋势保持一致,但是线性叠加法计算结果相较于加载历史法过于保守;钢轨在往复荷载和循环荷载作用下存在明显残余应力且经历过一次循环后其内部的残余应力就能达到收敛的稳定值,这是道床纵向阻力的弹塑性滞回特性决定的;温度因素不管是在多因素耦合作用下还是在往复或者循环荷载作用下对梁轨相互作用附加力的产生都占据主导地位,表明温度作用对考虑加载历史的悬索桥上梁轨相互作用有重要影响。

列车制动参数对大跨度悬索桥梁轨相互作用影响研究

为研究列车制动下大跨度悬索桥无缝线路纵向力的分布规律,基于ANSYS软件和梁轨相互作用理论,建立大跨度悬索桥梁轨一体化动力分析模型,根据CRH动车组列车的制动力时程,分别研究制动停车位置、制动初速度、列车种类、列车挠曲力和制动力等因素对钢轨附加应力和梁轨相对位移的动力、静力影响。结果表明:由于动力计算考虑到前一荷载步对后一荷载步的影响以及线路纵向阻力滞回特性的影响,动力、静力计算结果差别显著,传统静力计算低估了列车荷载作用下钢轨的受力,在实际工程应用时有必要按动力方法计算列车荷载作用下大跨度悬索桥梁轨相互作用问题;制动停车位置对钢轨附加拉应力和梁轨相对位移增量影响显著,列车制动停止于主跨跨中位置为本文研究大跨度悬索桥梁轨相互作用所选4种典型工况中的最不利工况;列车制动力对梁端位置钢轨附加拉应力和梁轨相对位移影响显著,列车挠曲力对主桥范围内钢轨附加应力和梁轨纵向位移的分布规律影响显著,并与钢轨附加压应力峰值大小表现出较强的相关性;CRH5和CRH2型动车组列车为研究CRH型动车组制动下大跨度悬索桥梁轨相互作用的不利车型,其中CRH5型动车组最不利制动方式为最大常规制动;由于CRH动车组列车制动初速度不影响列车制动力峰值大小,大跨度悬索桥梁轨相互作用对制动初速度因素变化并不敏感。研究成果可为完善列车制动下桥上无缝线路设计和计算提供参考和借鉴。

有轨电车桥上无缝线路梁轨相互作用检算系统研究

目前,国内有轨电车桥上无缝线路梁轨相互作用检算多参照目前已成熟的铁路检算软件。有轨电车本身具有一定的特殊性,其曲线半径较小,桥梁结构为了适应线路的曲线半径也存在曲线桥梁。目前的无缝线路相关计算软件已无法满足有轨电车桥上无缝线路相互作用的计算。文章依托VBA、MATLAB软件和ANSYS软件平台,结合有轨电车桥上无缝线路的特征,研究了有轨电车桥上无缝线路梁轨相互作用的通用程序。