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。

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。

高铁大跨度斜拉桥上无砟轨道变形适应性理论与试验研究

高速铁路大跨度斜拉桥应用无砟轨道可提高线路平顺性和稳定性,消除线路的潜在限速点,统一轨道类型,减少轨道线路运维成本,是我国高速铁路的重要技术创新。依托世界首座无砟轨道大跨度斜拉桥-昌吉赣客专赣州赣江特大桥,建立大跨度斜拉桥-无砟轨道体系精细化有限元分析模型,探明了大跨度斜拉桥-无砟轨道一体化体系的变形特征,设计并制作了大跨度斜拉桥上无砟轨道变形适应性的等效比例室内试验模型,开展了大跨度斜拉桥上无砟轨道变形适应性理论与试验研究,对比分析了大跨度桥上无砟轨道的不同长度、隔离层类型及布置方式的影响,研究了在各类变形条件下大跨度斜拉桥上无砟轨道的变形跟随性和协调性。研究结果表明:大跨度斜拉桥梁端转角和主梁整体挠曲变形仍可依据现行规范中的中小桥梁相关限值进行控制;应合理控制斜拉桥主梁节间的局部变形,避免桥上无砟轨道层间出现脱空离缝;提出了大跨度斜拉桥上单元式无砟轨道设置橡胶隔离层的技术方案,论证了橡胶隔离层的应用效果,建立了桥上无砟轨道橡胶隔离层的“缓冲作用”理念和轨道层间“隔而不离”的设计目标,显著提高了桥上无砟轨道的变形适应性;本文研究成果可为高速铁路大跨度斜拉桥上无砟轨道的推广应用提供技术支持。

CRTSⅢ型板式无砟轨道-PC简支梁长期变形研究

研究目的:以CRTSⅢ型板式无砟轨道-PC简支梁体系(梁-轨体系)为研究对象,开展混凝土收缩徐变作用下梁-轨体系的长期变形研究,分析底座板、自密实混凝土及扣件长期受力特点。研究结论:(1)相较于单独箱梁(将无砟轨道转化为均布荷载作用),梁-轨体系下箱梁徐变上拱反而有所增大;(2)箱梁长期变形导致无砟轨道上拱,引起钢轨与轨道板、底座板与自密实混凝土部分区域产生竖向变形差,进而导致底座板和自密实混凝土脱空;(3)底座板和自密实混凝土的纵向拉应力、扣件竖向附加力均较小,但梁端处部分扣件纵向力达到极限值;(4)小阻力扣件能够有效削弱梁轨相互作用,减小箱梁长期变形引起的无砟轨道纵向应力和扣件竖向力;(5)本文研究成果揭示了梁-轨体系长期变形协同工作机理,可为CRTSⅢ型板式无砟轨道结构运营期间的维养提供一定的理论依据。

高速铁路千米长联桥铺设无砟轨道施工控制

千米级长联大跨桥的桥面线形在塔-梁-索温度变化、桥上荷载变动作用下易产生较明显的竖向变化。本文结合新建郑州—济南铁路长清黄河大桥工程,建立轨道-桥梁系统一体化有限元模型,并根据不同施工阶段的实际温度及桥上压重荷载对模型进行实时修正,提出线形控制技术优化方案,以实现千米级长联大跨斜拉桥上无砟轨道的高精度施工。结果表明:利用修正后的相对高差控制底座板放样施工,可将全桥底座板偏差控制在-10~10 mm内,计算相对高差时要考虑二期恒载的影响及实际施工温度与设计温度的偏差;利用修正后的绝对高程来控制轨道板精调,可使最终实测线形与设计线形的偏差控制在-2.0~1.6 mm内,每跨施工作业周期内温度变化不超过2℃;采用60 m弦中点弦测法对精调后的轨面线形进行复核,测得最大弦测值为2.67 mm,满足规范要求。

高铁大跨度斜拉桥上无砟轨道轨排平面位置测控新方法研究

为探讨高铁大跨度斜拉桥主梁结构稳定性差且桥面形变量大,主梁上CPⅢ控制点平面坐标受到荷载、温度变化导致多值性,海湾风力大导致主梁上智能型全站仪难以整平和设站精度低等问题,依托新建福厦高速铁路安海湾大跨度斜拉桥工程,对上述技术问题进行研究,提出一种采用“准直线法”进行高铁大跨度斜拉桥主梁上无砟轨道轨排平面位置测控的新方法。通过在主梁上单侧钢轨的中心线布设若干个平面基准点,建立一条无砟轨道轨排平面位置测控基准线,通过“准直线法”实测无砟轨道轨排工具轨与基准线间的横向偏差,并验证“准直线法”测控坐标与设计坐标较差小于规范要求的2 mm限差,进而指导无砟轨道轨排工具轨平面精调工作。研究结果表明:“准直线法”克服了大跨度斜拉桥主梁上CPⅢ点坐标的多值性和智能型全站仪设站困难等问题,达到指导主梁上无砟轨道横向精调的目的;通过检测点间的横向坐标偏差之差,验证了“准直线法”的精度和可靠性均能够满足高速铁路工程测量规范的要求。该方法已经成功指导安海湾大跨度斜拉桥主梁上的无砟轨道施工,从而保证了新建福厦高铁控制性工程的顺利施工,可为今后大跨度斜拉桥上无砟轨道轨排工具轨施工平面精调工作提供参考。

高铁大跨度长联连续钢桥铺设无砟轨道的适应性

雄安—商丘高铁黄河桥主桥(60+80+4×260+280+80+60) m连续钢桁梁柔性拱桥上铺设无砟轨道,具有结构构造复杂、跨度大、联长长、温度敏感性高等特点。本文以该桥为对象,研究高铁长联大跨度连续钢桥桥上铺设无砟轨道的适应性。采用MIDAS/Civil建立全桥空间有限元模型,对竖向刚度、梁端转角、桥面系结构构造、梁端伸缩装置及车-线-桥耦合振动动力响应进行研究。结果表明:钢桁梁柔性拱的结构可为无砟轨道提供较大的竖向刚度,保障安全行车的平顺性;采用较短边跨组合可有效减小梁端转角;设置断缝的混凝土桥面板轨面平顺性优于不设置断缝的连续桥面板;在相同抗剪安全系数的情况下,混凝土垫层与钢桥面板之间的连接采用圆柱形剪力钉经济性优于PBL(Pretensioned Bolted Lock-up)剪力键。通过梁端变形计算,建议选择伸缩量为±600 mm的钢轨伸缩调节器,可满足本桥梁端变形要求;通过车-线-桥耦合振动动力仿真分析,列车各项动力性能指标及乘坐舒适性均满足规范要求。

剑潭东江特大桥无砟轨道施工线形控制分析应用

依托赣深高铁剑潭东江特大桥无砟轨道各阶段的施工,通过施工过程中的数据采集和优化控制,逐步做到把握当前施工状态,并预估未来情况,从而避免施工差错。该方法可以帮助确保大跨度桥梁无砟轨道施工的质量和准确性,通过对数据的分析和预测,提高施工的科学性和可靠性。

帕德玛大桥铁路连接线无砟轨道系统设计

研究目的:帕德玛大桥铁路连接线是孟加拉国首条铺设无砟轨道的铁路,也是我国工程技术人员首次在120 km/h、25 t轴重客货共线条件下开展的大跨钢桁梁上无砟轨道设计和简支梁上无砟道岔设计,设计过程中面临着结构限界和轨道自重受限、2350 mm超宽梁缝及7.5‰超大梁端转角、简支梁上无砟无缝道岔群布设等难题,亟需对轨道结构及部件开展系统研究,以指导铺轨实践。研究结论:(1)提出了底座板与桥面板一体化设计的单层长枕埋入式无砟轨道,克服了大跨度钢桁梁上结构限界和轨道自重受限的难题;(2)研发了±800 mm调整量梁端伸缩装置及钢轨伸缩调节器一体化装置,解决了2350 mm宽梁缝、7.5‰梁端转角条件下的轨道结构自适应调整问题;(3)基于“岔梁墩一体化”模型开展了岔桥相互作用分析,解决了25 t轴重条件下简支梁上的无砟无缝道岔群设计难题;(4)上述创新实践指导了孟加拉国首条无砟轨道铺设,对海外工程复杂桥梁结构上无砟轨道设计具有一定的参考作用。

高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法

成桥预拱度的设置关系到高速列车运行的舒适性和安全性。提出合理成桥预拱度的计算方法和应满足的基本指标,以昌赣铁路赣江特大桥为例,基于车-线-桥耦合振动分析模型,分析设置预拱度与否对桥梁结构长期使用性能演变的影响,以验证所提方法的可靠性。计算结果表明:预拱度的设置降低了车体垂向加速度、轮重减载率,且服役时间越长,效果越显著,在成桥10 a后,车体垂向加速度较不设预拱度降低约67%,轮重减载率降低约18%,改善了车-线-桥系统动力学性能。所提方法理论清晰、简便可行,对于同类型桥梁的预拱度设置具有指导意义。

杭州湾跨海铁路大桥总体设计

新建通甬高速铁路杭州湾跨海铁路大桥为设计速度350 km/h双线高速铁路桥,全长29.2 km,全桥采用无砟轨道,包括北、中、南航道桥及海中引桥和浅滩区引桥。北航道桥为(71.85+169.5+450+169.5+71.85)m双塔双索面钢箱-钢桁组合梁斜拉桥;中航道桥为(85.4+182+2×448+182+85.4)m三塔双索面钢桁梁斜拉桥,采用中塔纵向固定、边塔纵向弹性约束的约束体系提高了结构刚度及经济性,更有利于无砟轨道平顺性;南航道桥为(71.25+154+364+154+71.25)m双塔双索面钢桁结合梁斜拉桥;海中引桥采用80 m跨长联预应力混凝土连续梁,采用多墩固定、设置减隔震结构体系以减小基础规模及梁端位移,第1联与第2联间设置1孔60 m简支梁以减小温度跨,进而减小轨道伸缩调节器规格;浅滩区引桥采用48、40 m跨预应力混凝土简支梁。针对海洋环境混凝土结构及钢结构开展耐久性设计并采用附加措施提高了结构耐久性。航道桥主梁采用大节段吊装施工,引桥主梁采用预制、架设施工,海中引桥采用钢管打入桩基础,充分体现了装配化设计、施工的理念。

高速铁路大跨度斜拉桥上无砟轨道振动特性试验研究

应用橡胶隔离层可提高大跨度斜拉桥上无砟轨道的适应性,但橡胶隔离层的引入会改变桥上无砟轨道结构的振动特征。文章设计制作了大跨度斜拉桥-无砟轨道节段模型,开展了多个工况的力锤锤击试验,探讨了土工布隔离层或橡胶隔离层无砟轨道的振动特征和振动传递规律,对比分析其减振效果。主要得到以下结论:橡胶隔离层的引入,降低了道床板的振动频率,对其振动模态特性也有一定的影响;在选择无砟轨道隔离层时应充分考虑道床板-橡胶隔离层体系的固有频率。橡胶隔离层使无砟轨道结构的振动激励频段更加集中,振动更加稳定,衰减过程更加平稳。橡胶隔离层对混凝土道床板的振动传递有明显的衰减作用;与土工布隔离层相比,橡胶隔离层具有明显的减振作用,其减振效果高达土工布隔离层的10倍以上,在无砟轨道中合理地引入橡胶隔离层可以有效地降低振动水平,在提高大跨度斜拉桥上无砟轨道服役性能的同时改善其振动特征。

高速铁路主跨450m斜拉桥应用无砟轨道可行性研究与设计优化

大跨度桥梁铺设无砟轨道现已成为扩大无砟轨道应用范围的又一技术难题,因此研究大跨桥上铺设无砟轨道的可行性十分必要。以某高速铁路主跨450 m大跨斜拉桥为例,针对无砟轨道应用的可行性及轨道结构设计参数进行研究,从而为大跨度桥上无砟轨道应用及结构设计提供理论依据。主要结论如下:(1)在大跨桥梁活载、温度等变形条件下,无砟轨道各静、动力学指标均能满足安全服役要求,主跨450 m斜拉桥应用无砟轨道可行;(2)温度组合荷载作用下,桥梁主跨竖向变形曲率半径最小值为191 771 m,满足行车舒适性要求;(3)橡胶弹性垫层可有效协调轨道结构层间变形,显著降低底座动力响应,建议弹性垫层刚度取0.10 N/mm^(3);(4)轨道板常用板型均满足层间变形不脱空要求,设计布板时应尽量选择板长较小的轨道板;(5)考虑桥梁成桥偏差影响,底座板厚度取220 mm,自密实混凝土层加厚至105 mm。

基于形变分析的高速铁路震后线路修复拟合研究

针对某高速铁路无砟轨道线路遭受地震灾害造成的损毁修复,从全面分析轨道形变特征入手,探究以顺应变形趋势为原则重构灾后线路几何形态,为线路总体修复方案奠定基础,同时研究高速铁路长大直线段拟合的约束条件,以及适合高平顺性轨道线路拟合重构的技术路线与方法。通过对兰新高铁大梁隧道段线路震后形变状态分析,提出基于形变分析的线路重构拟合方案,即论述错断处“S”形曲线衔接段线元参数的优先符合原则和对长大直线拟合引入小折角与边长双重约束的思路,可为类似线路的修复提供有益借鉴;同时,引申出补充当前无砟轨道线路关于长大直线定义方面技术空白的必要性;采取虚拟化转换的平面线形可视化拟合重构技术路线,将通常难以直视的微观变形可视化,可借助其观察了解线路形变细节,通过人工精准判断及主动干预,提高进行平面线形拟合重构的效率与质量。

纵连板式轨道脱空对行车安全可靠性的影响分析

结构脱空是我国高速铁路纵连板式无砟轨道中典型结构病害之一,其存在严重影响了无砟轨道结构的长期服役性能,实现结构脱空病害的定量化评价与管理对线路养修作业具有显著的工程实践价值。采用轮轨耦合动力学和蒙特卡洛混叠建模的方法,根据轮轨系统安全性评价指标,建立了纵连板式无砟轨道服役可靠性方程。其次,针对所建立方程无法显示化求解问题,采用蒙特卡洛法进行轮轨系统可靠度的求解;针对轮轨耦合动力学模型求解时间长的问题,采用长短时记忆神经网络代理模型方法对轮轨非线性映射关系进行表达。最后,提出了纵连板式无砟轨道服役可靠性求解的混合模型,对板端及板中脱空损伤状态下纵连板式无砟轨道服役可靠性分别进行计算。研究结果表明:长短时记忆神经网络代理模型方法可以有效地实现轮轨关系的映射,轮轨动力学计算效率提升27倍。利用长短时记忆神经网络代理模型和蒙特卡洛的混合计算方法对于无砟轨道服役可靠性的求解是可行的。板端脱空病害对脱轨系数可靠性指标影响较板中脱空显著,轨道板端全部脱空对服役可靠性危害性最大,存在结构失稳的风险。建议将结构可靠度指标作为无砟轨道状态管理的指标之一。

大跨度无砟轨道连续梁-拱组合桥的工后徐变作用效应

大跨度无砟轨道铁路桥梁存在明显的工后徐变作用效应,对桥上轨道的长期线形及平顺状态产生影响。以沪苏湖高速铁路(上海—苏州—湖州)青浦特大桥为工程背景,建立大跨度连续梁-拱组合桥-CRTS双块式无砟轨道体系精细化分析模型,计算分析工后徐变作用引起的桥上无砟轨道竖向变形变化规律,并给出初步估计大跨度连续梁-拱组合桥徐变作用效应的简化计算方法。结果表明:工后徐变发生3年时,大跨度连续梁-拱组合桥上无砟轨道竖向变形已经超过了无砟轨道工后徐变10年竖向变形的50%,且中跨比边跨发展速率更快。对大跨度连续梁-拱组合桥进行徐变效应的初步计算时,可以采用折减系数为0.5的简化方法对管内混凝土徐变系数进行修正。研究结果能为考虑工后徐变的桥梁设计、运维提供了一定的理论支持。

桥上纵连板式无砟轨道无缝线路力学性能分析

基于有限元法,考虑钢轨、无砟道床、滑动层、桥梁等结构的相互作用关系,建立桥上纵连板式无砟轨道无缝线路纵—横—垂向空间耦合模型,进行滑动层摩擦系数、扣件纵向阻力、无砟道床伸缩刚度等对桥上纵连板式无砟轨道无缝线路的受力和变形影响规律的研究。结果表明:滑动层减弱了桥梁、轨道间的相互作用,当滑动层摩擦系数为0.1～0.5时,无缝线路伸缩力仅为22.821～55.361kN,远小于一般桥上无缝线路结构;滑动层摩擦系数越小越有利于轨道和桥梁结构的安全使用;底座板/轨道板的伸缩刚度减小会明显增大部分轨道和桥梁的受力,伸缩刚度折减至10%时,伸缩力会增大近6倍,因此应该注意控制底座板和轨道板的开裂现象;扣件的纵向阻力变化对轨道和桥梁结构的受力和变形几乎没有影响,但为了防止钢轨爬行或断缝值超限,扣件阻力不宜太小。

大跨度斜拉桥—无砟轨道结构变形适应性研究

以某高速铁路客运专线上铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道的大跨度斜拉桥为例,采用非线性阻力模型模拟扣件阻力、凸型挡台咬合力、隔离层摩擦阻力,基于有限元法建立无砟轨道—桥梁空间精细化非线性分析模型。通过计算列车竖向荷载和温度荷载作用下轨道结构和桥面板的竖向变形曲率、无砟轨道层间压缩量和梁端转角,分析无砟轨道与大跨度斜拉桥间的变形适应性。结果表明:列车竖向荷载在斜拉桥中跨时会引起各构件产生较大的竖向变形曲率;同一工况下轨道结构和桥面板竖向变形曲率的分布规律相同、数值大小相近;相比于列车竖向荷载,温度荷载作用下各结构竖向变形曲率较小,但分布更为复杂;除整体升温、整体降温作用下结合段无砟轨道出现局部层间脱空外,荷载作用下无砟轨道层间基本处于受压状态;梁端转角均未超过规范限值,具有较高安全富余度。

长大温度跨混凝土桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的力学性能研究

运用ANSYS有限元软件,建立长大温度跨混凝土桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道三维模型,分析无砟轨道结构的力学性能及底座板设计荷载组合的适应性。结果表明：制动工况下长大温度跨主要影响剪力齿槽的受力,最大温度跨150,290和450m连续梁相邻简支梁剪力齿槽的剪力分别为通常区域简支梁的1.12,1.28和1.33倍;当梁体从0℃升或降20℃时,最大温度跨350m连续梁相邻5～8跨简支梁区域内的无砟轨道砂浆和剪力齿槽的受力约为简支梁的1.4～2.2倍,底座板和轨道板的受力则达到简支梁的4.6～7.9倍,因此,在设计时应重点关注与最大温度跨相邻5～8跨简支梁区域内无砟轨道轨道板、底座板、砂浆及剪力齿槽,并采取相应的加强措施;最大温度跨350m连续梁桥上无砟轨道底座板内的伸缩附加力约为底座板既有设计荷载组合值的1/3～1/2,因此长大温度跨桥上无砟轨道底座板的设计荷载组合应考虑梁体的伸缩附加力。

京张高铁官厅水库特大桥总体设计及创新技术

官厅水库特大桥为冬奥会交通保障项目京张高铁重点工程"一桥两隧"中的"一桥",全桥长9077.89 m,是全线重点工程。主桥跨越北京市备用水源地、一级水源保护区官厅水库库区,环保要求极为严苛。大桥设计采用多孔曲弦钢桁梁桥式,主桥长度880 m,上部结构为华伦式桁架、钢-混组合桥面,下部结构采用双柱式桥墩,为减少地震位移主桥两端设置阻尼器。桥上铺设CRTSⅠ型无砟轨道,通过整体-局部刚度匹配,控制了桥轨变形,列车设计速度达到350 km/h。主桥采用大跨度顶推法施工,配合超耐候钢桥防腐涂装、长寿命开放式桥面雨水收集系统等创新技术,大幅降低桥梁施工、线路运营、维修养护对官厅水库水体的影响,保护了环境。配套研发了曲弦桁架智能检查车,非检修期可自主装卸回库贮存保养。