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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于轨道结构高差特征值的CRTSⅡ型板离缝定量检测方法

高速铁路无砟轨道的离缝病害对行车安全至关重要,对此提出一种基于轨道板-支承层相对高差特征值的离缝定量检测方法。通过集成线结构光等传感器构建离缝检测原型系统设备,用于采集轨道轮廓线;将轨道轮廓线按轨道结构分成三段并基于RANSAC算法分别进行拟合,拟合直线相交两点间的距离以此作为轨道结构高差特征值;以轨枕位置为里程定位基准,对比同一区段内轨道结构高差特征值的多次检测结果,通过变化量精确计算离缝病害的长度和高度值。在此基础上进行线路试验,结果表明:检测系统多次重复测量结果的标准偏差系数稳定在2%以内;在95%的置信度下,重复测量偏差小于0.25 mm;将检测结果与铁路部门当期的病害库进行对比,离缝高度和长度检测结果的平均绝对误差分别为0.24 mm和0.34 m,均方对数误差值分别为0.011和0.017。

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。

弱纵连下CRTS Ⅱ型板式无砟轨道解锁温度研究

在弱纵连施工过程中,为了避免轨道板凿除宽窄接缝后在解锁位置发生较大的位移变形,有必要明确不同解锁条件、不同解锁温度下轨道结构的受力变形特征,指导现场施工。基于梁轨相互作用原理和有限元法,建立无砟轨道-多跨简支梁桥精细化模型,利用有限元软件中“生死单元”的功能分步骤解锁轨道板,研究桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在不同解锁工况下轨道结构受力变形规律,据此分析得出合理解锁条件及解锁温度,并对应仿真计算中板端植筋工况,在预加固植筋地段进行了现场解锁实验。研究结果表明:不松开钢轨扣件,解锁板温在初始施工锁定板温±5℃范围内,可以直接解锁宽窄接缝;解锁板温在初始锁定板温±5℃之外,轨道板纵向位移不满足规范限值要求,需严格控制解锁温度;松开扣件解锁轨道板,轨道结构整体受力变形增大,轨道板纵向位移超过规范允许限值,建议解锁时不松开钢轨扣件;板端植筋有利于减小解锁后结构的受力变形,但轨道板纵向应力除外,板端植筋可作为解锁时的预防性手段。现场试验表明,解锁时轨道板板端植筋,宽窄接缝位置处轨道板间相对位移几乎不发生变化。研究成果对于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道高温胀板病害提出了一种新的解决思路—弱纵连CRTS Ⅱ型板式无砟轨道。

地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道纵向动力响应分析

为研究地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的动力响应,以11×32 m简支梁桥为例,基于有限元法和梁-轨-板相互作用原理,建立了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型,分析了不同地震波及地震动强度对系统受力变形的影响.研究结果表明:与El-Centro波相比,天津宁河波对系统动力响应有显著的增强效应,钢轨应力曲线均关于跨中呈反对称分布,最大拉压应力为206.5 MPa;各层间构件受力变形曲线均关于桥梁纵向呈轴对称分布,钢轨位移线形平滑,在中跨桥右侧1/3处达到最大,为100.6 mm;轨道板、自密实混凝土层、底座板位移随桥跨数的增加呈阶梯增减变化,最大值出现于第6跨桥,轨板相对位移在最右侧梁缝处达到最大,各结构的纵向力较小;随着地震动强度的提高,系统受力变形显著增加;与设计地震相比,罕遇地震下轨板相对位移最大值增加了146.9%,可达85.5 mm,极易导致轨下胶垫窜出引发扣件失效;左侧桥台与相邻固定支座墩顶最大位移差值显著,为96.6 mm,增加了落梁风险;对于地震区桥上无缝线路,需加强对薄弱位置处轨板相对位移以及相邻墩/台顶位移的关注.

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。