公铁两用大跨度斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性研究

高速铁路大跨度斜拉桥结构变形受其复杂服役环境影响显著,而无砟轨道对工后变形的调整能力有限,因此大跨度斜拉桥的复杂变形条件将直接影响其上无砟轨道结构的适应性。以沪渝蓉高铁长江北支公铁两用大跨度斜拉桥应用无砟轨道为工程背景,建立无砟轨道-大跨度斜拉桥一体化精细空间有限元模型,分析铁路、公路以及温度等多种荷载联合作用下大跨度斜拉桥-无砟轨道体系平顺性、无缝线路稳定性和无砟轨道层间变形协调性,从而对大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性开展深入研究。结果表明:在运营荷载及温度荷载最不利组合作用下,大跨度斜拉桥主梁线形平顺,变形平缓,桥梁整体刚度较好,桥上无砟轨道几何形位可以满足静态验收标准;大跨度斜拉桥上无缝线路的强度和稳定性满足要求,扣件工作性能良好,钢轨伸缩调节器的设置可有效释放梁端钢轨的纵向应力;无砟轨道层间设置橡胶隔离层且不跨主梁桁架节间的布置方式可提高大跨度斜拉桥上无砟轨道的变形协调性能,使得桥上无砟轨道层间始终处于受压状态,达到“隔而不离”的桥上轨道层间理想服役状态;大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥-无砟轨道体系变形适应性良好。本文研究成果可为公铁两用大跨度钢桁梁斜拉桥上无砟轨道的应用提供技术参考。

钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构疲劳性能试验研究

新型钢管混凝土(CFT)双块式轨枕克服了桁架钢筋双块式轨枕存在的生产制造复杂、存放易锈蚀、运营阶段易开裂等问题,可广泛应用于高速铁路和城市轨道交通无砟轨道结构。为检验CFT双块式轨枕无砟轨道结构的疲劳性能,采用11根预制CFT双块式轨枕现浇制作足尺无砟轨道结构节段模型,开展橡胶隔振垫式减振轨道和现浇整体式轨道节段的疲劳试验,揭示其疲劳损伤特性,分析典型疲劳加载循环次数后静载作用下轨道结构应变和变形分布及其演化规律。研究结果表明:1.5倍静轴重的疲劳荷载累计作用500万次后,减振节段及整浇节段CFT双块式轨枕无砟轨道结构混凝土均未出现肉眼可见的裂缝,轨枕与现浇道床整体工作性能良好,疲劳性能满足规范要求;停机开展静载试验过程中轨道结构各测点混凝土横向应变值随荷载增大而近似线性增大,最大拉压应变值均远小于混凝土的极限应变值,工作状态良好;轨道整浇节段道床板中处于整体受拉的状态,可见设置层间连接钢筋实现了道床与底座的共同工作;疲劳试验过程中轨道结构测点竖向位移值总体随着静载的增大而逐渐增大,位移量级较小,满足规范要求,减振轨道节段竖向位移值及其变化率大于整浇轨道节段。研究结果可供类似研究及钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构工程应用参考。

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。

高速铁路主跨320 m钢-混部分斜拉桥无砟轨道适应性研究

南玉高铁六景郁江特大桥设计将钢-混部分斜拉桥结构引入时速350 km高速铁路领域,而300 m级以上大跨度桥上无砟轨道的竖向变形极易超限,影响列车通过的安全性和舒适性,因此,系统研究在此大跨桥梁结构上铺设无砟轨道的适应性十分必要。通过建立有限元及动力学模型,分析不同组合工况下无砟轨道结构的变形特点及动力特性,运用60 m弦测法探究各工况下无砟轨道的线形变化规律,从而确定大跨度钢-混部分斜拉桥铺设无砟轨道的适应性,并对设计和施工提出合理化建议。主要结论如下:在各种不利组合荷载作用下,桥上无砟轨道结构强度满足规范要求,列车通过大桥的各项安全性与舒适性指标均满足规范要求;混凝土收缩徐变和斜拉索升降温是影响无砟轨道线形标准的两大主因,应在无砟轨道施工前确保足够的沉降观测期和收缩徐变释放期,并充分考虑拉索的保温设计;在温度组合荷载作用下,桥上无砟轨道的60 m弦测不平顺幅值为6.79 mm,满足高速铁路静态验收标准;但在叠加列车荷载和收缩徐变后,变形弦测值均出现Ⅱ级及以上超限,通过合理设置预拱度后可有效改善轨道平顺性标准。

基于并行图卷积网络的无砟轨道监测测点异常识别

针对在服役过程中高速铁路无砟轨道结构健康监测可能出现由结构局部损伤或者传感器故障导致的测点异常问题,建立一种并行图卷积神经网络模型,来识别高速铁路无砟轨道监测测点的异常。采用结构早期初始状态的监测数据训练并行图卷积神经网络,获得结构初始状态下的测点数据之间的空间关联性;利用并行图卷积神经网络预测服役状态无砟轨道测点监测数据,实现轨道监测测点异常的识别;此外,对明显漂移的数据可基于有向图分析修正预测结果。将该方法应用于某高速铁路无砟轨道结构长期监测数据并识别了异常测点。

高速铁路无砟轨道车辆荷载传递特性研究

为进一步探讨无砟轨道荷载设计参数取值,为我国时速400 km及以上高速铁路建设提供重要理论支撑,通过开展无砟轨道静力分析以及钢轨焊缝、车轮扁疤激励下车辆-轨道动力相互作用,揭示列车静、动力载荷特征及传递规律;同时根据轨道承载特点和无砟轨道设计原理,提出车辆竖向设计荷载取值建议。研究结果表明:(1)高速列车车轮扁疤和钢轨焊缝不平顺将造成显著的轮轨冲击,其轮载动载系数最大可达5.79,远高于现行规范取值;扣件系统对扁疤和焊缝不平顺引起的轮轨力高频成分衰减作用明显,扣件支反力的动载系数最大为2.64;(2)钢轨焊缝不平顺引起的轮轨冲击力随着车速提高以及焊缝不平顺幅值的增大而迅速增大,建议500 km/h及以下高速铁路的钢轨焊缝平直度标准取0.2 mm/m;(3)列车轮载通过扣件支反力作用于轨道板,从传递特性的角度来说,以扣件支反力作为轨道板竖向设计荷载更为合理,其动载系数可取3.0,且能满足400 km/h及以上高速铁路的行车需求。

列车荷载作用下CRTS Ⅲ型板式无砟轨道层间离缝水力特性研究

在雨水充沛或排水不畅地区,积水会造成无砟轨道层间离缝扩展显著加速。针对含层间离缝的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的水力特性问题,建立列车荷载与水耦合作用下的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道-离缝积水双向瞬态流固耦合计算模型,揭示无砟轨道层间离缝内动水压力和水流速度的分布及其峰值的变化规律,并分析列车轴重、行车速度、离缝形态及积水深度对动水压力和水流速度的影响。研究结果表明:随着列车的趋近与远离,层间离缝内固定点处的动水压力与水流速度呈周期性的正负交替变化;动水压力沿着离缝出口方向逐渐减小,其峰值发生在离缝尖端处,而水流速度沿着离缝出口方向逐渐增大,其峰值发生在离缝出口处;动水压力与水流速度峰值随列车轴重增加而线性增大,轴重每增加1 t,动水压力和水流速度峰值分别增加2.850 kPa、0.085 m/s;动水压力峰值与车速呈二次方增大关系,而在车速小于300 km/h时水流速度峰值与车速基本上呈线性关系,超过该车速后流速增长趋势较之前更大;动水压力、水流速度峰值与离缝开口量呈反比关系;动水压力与水流速度峰值都随着离缝深度和离缝积水深度增加而显著增大,且两者都与离缝深度呈3次多项式增大关系,与离缝积水深度呈2次方增大关系。研究结果可为CRTS Ⅲ型板式无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的层间离缝扩展分析以及养护维修工作提供依据和参考。

基于1D-CNN的无砟轨道CA砂浆脱空识别

为解决水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)脱空位置识别的难题,提出考虑CA砂浆脱空的无砟轨道模型建模与计算方案。首先,基于CRTS I型板式无砟轨道“梁-板-板”建模理论,使用非线性弹簧模拟CA砂浆脱空病害,输入扣件支点反力作为模型的激励,得到监测点位的垂向加速度数据集。其次,通过对数据集缩放、添加噪声的方式进行数据增强,增强数据集的差异,以增强识别模型的泛化性,获得更加准确的识别结果。最后,建立脱空病害的识别方法,搭建一维卷积神经网络(1D-CNN)进行CA砂浆的脱空位置识别,构建准确率、查准率和查全率等评价指标评估识别结果,使用t-SNE降维算法对结果进行可视化。对比其他3种神经网络的表现,探讨1D-CNN应用于CA砂浆脱空位置识别的优势。研究结果表明:“梁-板-板”模型反映了无砟轨道的力学本征,用于CA砂浆脱空问题的仿真模拟是可行的;通过对数据集信号缩放、添加噪声的方式进行数据增强可提高深度学习模型的性能;从深度学习的角度来看,CA砂浆脱空发生在板中造成的危害较小,应重点关注板端CA砂浆脱空的养护与维修问题;1D-CNN相比其他3种模型运算时间短,在CA砂浆脱空位置识别数据集上优势更大,识别准确率可达95%以上。研究结果为进一步提高无砟轨道结构监测的自动化和智能化水平提供参考。

基于离散元的重载铁路有砟轨道阻力特性研究

研究目的:有砟轨道在重载铁路中广泛采用,随着服役时间的增加,在列车荷载反复作用下,道床性能会随之变化,线路阻力呈现动态发展的时变特性。作为求解梁轨相互作用的关键,准确合理地选取线路纵向阻力是保证梁轨相互作用计算准确的前提,关系梁轨系统的正常使用与安全运营。研究结论:(1)颗粒级配由粗到细,纵向线阻力逐渐减小;摩擦系数由小到大,纵向线阻力稍微增加;(2)结合不同级配建立的道床模型模拟出的纵向线阻力-位移曲线,获得纵向线阻力动态演化模型,可知线路纵向阻力由新建线路的阻力29.7 kN/(m·线)演化到破碎充分时的23.6 kN/(m·线),退化幅度约为20.5%;(3)本研究成果可为开展全服役期内重载铁路的梁轨相互作用等相关研究提供关键参数。

新型钢管混凝土枕式无砟轨道动力响应试验研究

采用钢管混凝土构件连接轨枕块形成钢管混凝土轨枕,基于钢管混凝土轨枕设计城市轨道交通用钢管混凝土枕式无砟轨道结构。为掌握钢管混凝土枕式无砟轨道结构在城市轨道交通列车运行条件下的力学性能,验证结构设计的安全性、合理性,分别在减振地段、普通地段铺设钢管混凝土枕式无砟轨道,通过行车试验,测试分析不同列车行驶速度下无砟轨道钢轨、轨枕、道床结构的动力响应。研究结果表明:在列车车速为40、60和80 km/h运行条件下,轮轨垂向力最大值为86.18 kN,横向力最大值为13.99 kN,脱轨系数最大值为0.21,轮重减载率最大值为0.23,测试值均明显小于相应的安全限值,无砟轨道结构满足行车安全性要求;在列车动荷载作用下,钢管混凝土轨枕钢管压应力最大值为3.55 MPa,拉应力最大值为3.77 MPa;轨枕块压应力最大值为1.32 MPa;道床钢筋压应力最大值为2.30 MPa,拉应力最大值为3.54 MPa;道床底压应力最大值0.22 MPa。这些动力响应结果均满足材料的的限值,表明结构保持了良好的力学性能,结构设计合理可行。

长联大跨钢桁梁桥-无砟轨道静动力适应性研究

研究目的:为研究高速铁路长联大跨钢桁梁桥铺设无砟轨道的适应性,本文以我国首座铺设无砟轨道的长联大跨钢桁梁桥-郑济高铁黄河特大桥为研究对象,基于梁轨相互作用原理建立钢桁梁桥-无砟轨道精细化非线性分析模型,分析无缝线路强度、变形协调性、轨道静态铺设精度指标的变化规律,研究钢桁梁桥-无砟轨道静力适应性;基于车桥耦合动力学理论建立车-轨-桥耦合动力学模型,分析不同温度下的车桥耦合振动及行车性能,研究钢桁梁桥-无砟轨道动力适应性。研究结论:(1)长联大跨钢桁梁桥-无砟轨道体系的无缝线路强度、变形协调性、轨道静态不平顺及行车性能指标等指标均满足规范要求,静动力适应性表现良好;(2)温度梯度对无砟轨道层间压缩量、扣件滑移量影响显著,与整体温差相比,分别增大了51.08%和50.00%;(3)温度梯度劣化轨道静态中短波不平顺,与整体温差相比,10 m弦长、30 m基线长指标分别增大了144.12%和76.06%,60 m弦长指标基本不变;(4)温度梯度对轮重减载率影响显著,对脱轨系数、横向轮轨力等其他安全性和舒适度指标影响较小。

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。

考虑路基剪切效应的高速铁路有砟轨道-车辆系统移动元分析

为在现有三层离散支撑梁有砟轨道模型中考虑路基土体间的剪切效应,在Pasternak双参数地基模型基础上对剪切层进行离散处理,采用移动单元法建立了考虑路基土体剪切效应的有砟轨道-车辆耦合动力学模型,将移动单元法与MATLAB相结合,编制计算程序,通过MATLAB数值计算,研究路基剪切效应对车-轨耦合系统的影响,以及轨道不平顺和轨枕空吊对系统动力特性的影响规律。研究结果表明,考虑路基剪切效应时,钢轨、轨枕、道砟的位移响应均有不同程度的减小,并且抑制情况从钢轨到道砟相差逐渐增大,三者的加速度响应也均有较为明显的下降,其对加速度响应的抑制效果从道砟到轨枕依次减小,但钢轨的加速度减幅大于道砟,对轮轨接触力有一定影响,但影响不明显,减幅仅为0.85%;不平顺幅值和波长特性对系统的动力响应会产生显著影响,随着幅值增大和短波成分增加,系统动力响应加剧,其中2 m左右短波不平顺和90%百分位数谱对轮轨动力特性影响显著;列车经过空吊区域时,空吊及周围区域轨道结构动力响应会发生突变,导致系统动力响应超过限值。建立的基于移动单元法的有砟轨道-车辆耦合模型及相关分析可为高速铁路的振动分析提供参考依据。

基于惯导数据的铁路有砟轨道智能捣固技术

研究目的:随着铁路建设的不断发展,中国的有砟铁路速度也在不断提高,目前200 km/h及以上的有砟铁路在铁路建设中已经占据了相当大的比例,而相对应的2010年发布的《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》(TB 10754—2010)中,针对高速有砟铁路的特点,增加了轨道精调整理作业这一工序,后续2018年发布的新版沿用了这道工序。目前由于各施工单位对技术规范的条文理解不同,各单位在轨道精调整理作业时做法不一,效果也相差较大。基于惯导数据的铁路有砟轨道智能捣固技术,目的是以CPⅢ轨道控制网为依托,利用惯导小车测量系统进行测量和数据分析,为大型机养设备精调作业提供及时有效的数据支持。通过对08-32捣固车GVA控制系统升级改造,可批量导入轨道测量数据,避免了人工录入数据时的差错和误操作,提高了精调作业质量和效率。通过上述先进技术应用,总结出一整套适合高速铁路有砟轨道精调工艺方法,使新建有砟轨道能够快速达到高平顺性、高稳定性状态,达到保证施工质量、减少现场精调作业遍数及对扣件的扰动、提高施工效率、确保施工安全的目的。研究结论:(1)基于惯导小车测量系统和自主升级改造的08-32捣固车开发的有砟轨道精调整理成套技术,轨道精调精度高、工艺先进、安全可靠、工效显著;(2)应用惯导小车测量系统对有砟轨道精调施工进行测量和数据分析,测量效率及精度高,可为大型机养设备精调作业提供及时有效的数据支持;(3)GVA控制系统升级改造后的08-32捣固车,提升了自动化程度,提高了作业效率,拓展了适应范围,作业精度高;(4)该项技术可广泛应用于时速200 km及以上铁路有砟轨道精调作业,实现有砟轨道几何尺寸快速达标。

新型装配式无砟轨道设计方案理论与试验研究

为适应城市轨道交通铺设装配式无砟轨道的发展趋势,克服传统现浇整体道床混凝土浇筑量较大等缺点,提出一种新型装配式无砟轨道结构设计方案,采用理论分析与试验测试相结合的方法,建立轨道系统有限元精细化分析模型和室内实尺试验模型,对城市轨道交通新型装配式无砟轨道力学响应开展理论分析和试验研究。研究表明:新型装配式无砟轨道在列车荷载作用下轨道板最大拉应力为0.696 MPa,最大位移为0.04 mm;静载试验中轨道结构应变随着垂向静荷载增大呈线性增加趋势,在510 kN垂向加载力作用下轨道板最大压应变为38.4με,卸载后残余变形很小,未出现明显塑性变形,结构承载能力满足要求;疲劳试验中随着疲劳加载次数增加,轨道板混凝土和钢筋应变在较小范围内变化,钢筋变化最大幅值为3με,混凝土最大变化幅值为10με,结构未见裂缝,抗疲劳性能良好;轨道结构加速度和位移峰值从上往下逐层递减,衰减效果显著;结构第一阶主频为70 Hz,与车辆系统频率相差较大,不会产生共振。

活动断裂带大调整量无砟轨道设计与试验研究

研究目的:为满足跨活动断裂带线路铺设无砟轨道需求,提升该地区无砟轨道的线路平顺性与舒适性,提出一种大调整量活动承轨台式无砟轨道。采用ANSYS有限元软件建立整体和轨枕局部有限元模型,分析活动承轨台式无砟轨道的受力特性,在此基础上进行大调整量无砟轨道结构参数优化研究以及疲劳试验研究,分析结构刚度、位移和应变变化情况。研究结论:(1)活动承轨台式无砟轨道在列车荷载与温度荷载叠加作用下,最大拉应力出现在轨枕位置,为3.47 MPa,各部件应力均满足强度要求且在轨枕尺寸和材料优化后进一步降低;(2)疲劳试验中随着疲劳加载次数增加,结构横、纵向刚度在疲劳前后变化分别为3.4%和24.2%,结构应变小幅增加,未见塑性变形与明显损伤;(3)仿真与试验结果可为活动断裂带地区无砟轨道设计提供参考和借鉴。

不同基础条件下预制板式无砟轨道结构设计与检算

基于城市轨道交通工程建设需求,在非预应力轨道板结构设计基础上,采用有限元软件建立了不同基础条件下的无砟轨道结构耦合模型,结合极限状态法,研究开展了综合考虑列车荷载、温度梯度和基础变形作用下预制板的弯矩及配筋计算。结果表明:合理的非预应力板式无砟轨道结构设计,能够满足工程建设需求,路基段承载能力极限状态配筋设计受偶然组合作用控制,不同基础类型的轨道板纵横向配筋均受正常使用极限状态标准组合控制。

桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道早期开裂行为研究

以桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道为研究对象,基于混凝土早期性能发展基本理论,利用Ansys建立三维温度场与应力场分析模型,考虑养护方法、拆模龄期、拆模温度与钢筋直径等参数影响,对双块式无砟轨道早期开裂行为进行数值模拟。结果表明:无砟道床不同位置处混凝土主拉应力整体呈循环上升趋势;拆模前后混凝土应力时程曲线波动程度差异较大,拆模后4 h内道床混凝土主拉应力时程曲线出现明显增长。合理选用养护方式可有效降低道床板早期开裂风险;伴随着拆模龄期的延长与拆模温度的升高,拆模后无砟道床4 h内温度改变量与道床混凝土开裂风险均呈降低趋势;相同配筋率下,减小钢筋直径可降低桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道早期开裂风险。

基于粉煤灰和矿粉作为掺合料的无砟轨道自密实混凝土性能对比分析

随着中国高速铁路的快速发展,无砟轨道自密实混凝土在高速铁路建设中的应用越来越广泛。为了提高无砟轨道自密实混凝土的性能,粉煤灰和矿粉作为两种重要的混凝土掺合料被广泛使用。文章将对这两种掺合料在无砟轨道自密实混凝土中的应用进行对比分析,旨在为工程实践提供有益的参考。

32 m T型梁梁端变形对无砟轨道扣件受力规律研究

无砟轨道扣件实现了钢轨与混凝土道床、下部基础的连接。扣件受力除轮轨作用下的正常服役工作状态外,还包括桥梁地段梁端变形诱发扣件受力状态变化。为保障桥梁地段无砟轨道扣件正常服役状态,本文以32 m T型梁为载体,通过分析梁端转角、垂向位移、预留梁缝及扣件安装位置等变量,研究了T型梁梁端变形及接口构造对无砟轨道扣件受力的影响。结果表明:梁端变形引起的扣件上拔力与梁端转角、垂向位移及转角位移组合变形线性相关,提出了不同构造变量与扣件上拔力的线性表达式。研究成果可为客货共线桥梁铺设无砟轨道梁端变形控制及构造设计提供参考。