CRTS-Ⅱ型板式轨道CA砂浆配合比设计研究

研究了水泥品种、Ma/Mc(沥青与水泥质量比)、Ms/Mc(砂与水泥质量比)、聚羧酸减水剂掺量对CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道CA砂浆流动性和强度,膨胀组分铝粉和U型膨胀剂掺量对CA砂浆体积稳定性和强度,Ms/Mc以及消泡剂DF掺量对CA砂浆容重和含气量的影响规律。研究结果表明:采用PⅠ52.5水泥作为主要胶凝材料,Ma/Mc值0.4,Ms/Mc值1.3,聚羧酸减水剂掺量1.2%,铝粉掺量0.04‰,U型膨胀剂掺量10%,消泡剂掺量1.6%,稳定剂掺量1.29%时,制备出了满足性能指标要求的CA砂浆。

适应不同温度的CRTS-Ⅱ型板式轨道CA砂浆干料配方设计

基于CA砂浆性能的温度敏感性,研究了多种施工温度下干料中铝粉、稳定剂、缓凝剂、早强剂与引气剂的调控技术方法,研制出了4℃～20℃和20℃～35℃两个温度区间内干料的配合比参数范围,20℃时CA砂浆的基本配合比以及此配比下对应干料的级配和性能。

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。

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。

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。

路基上CRTS Ⅱ型板式轨道裂纹影响分析

为分析路基上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道轨道板开裂对车辆和无砟轨道结构的影响,根据弹性地基梁理论、有限元方法和轮轨系统耦合动力学理论,建立了弹性地基梁体的有限元模型和车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型.采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分析了轨道板开裂对轨道结构的静、动力学性能和行车性能的影响.分析结果表明:轨道板开裂对轨道结构受力的影响较小,不影响行车的平稳性和安全性;随列车速度增大和轨道板开裂,均会增大轮轨作用力和轨道结构的动力响应;在裂缝地段,应采取减振、隔振、控制轨道几何不平顺等措施降低轨道结构的动力响应;轨道板开裂将影响无砟轨道的耐久性和使用寿命,应及时修补.

温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一,水泥乳化沥青砂浆具有支承、缓冲、传载等作用,离缝将影响无砟轨道的变形与受力。基于弹性地基梁体理论和有限元方法,建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型,分析在温度荷载和自重作用下不同离缝长度以及产生离缝后CA砂浆层参数对轨道结构的影响。结果表明:轨道板的翘曲位移及纵向应力均随着离缝长度增大而增加;当离缝长度超过1.95 m时,轨道板的翘曲变形及纵向应力都急剧增大,建议轨道板与CA砂浆层离缝长度不宜超过1.95 m。

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.

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。

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型板式轨道宽接缝开裂及修补材料对轨道板的影响分析

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,由于宽接缝处存在着新老混凝土结合的问题,容易出现裂缝。在现场发现宽接缝处开裂较大,对于裂缝宽度超过标准的地方需要采用修补材料进行修补。当采用修补材料对裂缝进行修补后,可能影响轨道板的变形和受力。通过ANSYS有限元软件建立无砟轨道弹性地基梁体模型,分析出现裂缝后,不同的裂缝宽度、深度以及不同弹性模量的修补材料对轨道板的影响,为CRTSⅡ型板式无砟轨道裂缝的修补提供参考。

CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损修复研究

CRTSⅡ型板式无砟轨道通过30 mm厚的砂浆充填层实现轨道板的均匀支承及与底座板(支承层)的连接,因此砂浆层应满足强度和弹性双重要求。通过对高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损调研,将砂浆层伤损分为离缝、裂缝、缺损掉块及泛浆四种类型,在对不同类型伤损进行原因分析的基础上,提出伤损判定标准和检查方法,并给出砂浆层不同伤损的修复方法和注意事项,为砂浆层养护维修技术提供支撑,保证线路安全运营。

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.

CRTSⅡ型板式无砟轨道充填层离缝修复技术研究

充填层离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道结构主要的病害形式。在实地调研我国CRTSⅡ型板式无砟轨道充填层离缝病害的基础上,分析了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构充填层离缝的主要种类、原因及危害。根据高速铁路无砟轨道结构特点,研究充填层离缝修复材料技术要求。结合现场实践给出了离缝修复工艺,并对离缝修复效果进行跟踪考察。

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土疲劳寿命预测模型试验研究

为研究桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土的力学特性,对5块轨道板单元进行静载试验,分析桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板的开裂荷载、极限荷载、开裂弯矩和破坏弯矩等力学参数。并在静载试验研究的基础上,结合2010版《混凝土结构设计规范》和国内外混凝土结构疲劳特性的研究成果,确定适用于服役期间组合荷载下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土疲劳寿命预测模型的混凝土S-N曲线。研究结果表明:桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土抗拉强度和抗压强度可取2010版《混凝土结构设计规范》中的规定值;可采用修正宋玉普混凝土S-N曲线或Goodman平均应力修正的Tepfers混凝土S-N曲线作为桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土S-N曲线。本文的研究成果可为服役期间组合荷载下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土疲劳寿命预测模型的建立提供试验依据。

CA砂浆离缝对CRTS Ⅱ型板式轨道的影响研究

基于有限元理论,利用ANSYS软件建立了路基上CRTSⅡ型板式轨道计算模型,研究轨道板与水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)层离缝长度和离缝高度对CRTSⅡ型板式轨道受力和变形的影响。研究结果表明:与CA砂浆正常工作状态相比,CA砂浆离缝将造成轨道结构变形和受力增大。在列车静载和正温度梯度共同作用下,当离缝长度达到2.6 m时,轨道板的垂向位移从0.397 mm增大到0.937 mm,CA砂浆层的压应力从30.33 kPa增大到111.57 kPa。随着离缝高度的增大,轨道结构的变形和受力也迅速增大。

温梯荷载下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的力学特性

为研究横向和竖向温度梯度对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学特性的影响,以梁-板-轨相互作用原理为基础,建立大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间精细化有限元模型,计算了轨道板竖向温度梯度和阴阳面横向温度梯度荷载作用下各轨道和桥梁结构的纵向力和位移.结果表明:在其他温度荷载相同的情况下,轨道板竖向温度梯度对钢轨的纵向力和位移影响不大;当阴阳面横向温度差为10℃时,连续梁上背阴侧钢轨最大的纵向力是向阳侧的1.4倍,背阴侧桥墩最大的纵向力是向阳侧的3.5倍;在横向温度梯度作用下,钢轨纵向附加力由梁体伸缩和扭曲变形共同作用产生,横向温度梯度越大,背阴侧钢轨纵向力、位移最大值越大,向阳侧钢轨纵向力、位移最大值越小;横向和竖向温度梯度的存在不利于轨道和桥梁结构安全使用,因此,在高温差地区设计东西走向的大跨度桥上无缝线路需重点关注钢轨、轨道板和桥梁墩顶受力,并且对无缝线路的横向稳定性进行验算.