单元化纵连无砟轨道在限位条件下的温度变形及损伤研究

对纵连板式无砟轨道进行单元化,有望从源头上控制温度效应过大引起的结构损伤,降低结构失稳风险,但需要在单元化过程中对轨道结构进行限位。借助数值仿真计算,研究植筋和扣压两种限位条件下不同单元节段长度的纵连板式无砟轨道温度变形和损伤。研究认为:在单元节段的两端,植筋比扣压更能有效控制轨道板纵向变形,而两种限位方式对板角变形的控制效果相差不大;层间纵向位移差的总体控制可由植筋方式实现,而在板角处采用扣压方式更佳。植筋后,单元节段长度对植筋孔的混凝土损伤几乎没有影响;扣压后,当整体温升低于5℃时,单元节段长度对板角的混凝土损伤几乎没有影响,而当整体温升大于5℃时,单元节段长度的影响显著。植筋后,受拉损伤先出现在植筋孔孔壁处,随着整体温升增高,损伤区域朝轨道板横向发展;扣压后,受压损伤最先出现在轨道板板底,随着整体温升增高,损伤区域逐渐向板表发展。两种限位条件对轨道板和CA砂浆之间界面损伤的影响差异显著,植筋时总离缝面积小于扣压,但扣压可有效控制板角处离缝。以3块轨道板为一个单元节段,并采取植筋限位方式控制轨道结构温度变形和损伤。

单元无砟道床温度场时空分布非均匀特征

无砟道床温度场是无砟道床温度效应的控制因素。基于传热学原理和实时阴影技术,构建CRTSⅡ型板式无砟轨道单元结构温度场计算模型,研究持续高温环境下温度场的时、空分布特征及在短时气温骤变作用下的演变规律。研究表明:无砟道床的温度和温度梯度以天为单位周期性变化。三天持续高温环境下,无砟道床温度逐步上升,温度梯度逐步下降。短时气温骤变引起温度梯度快速变化,但其影响会在次日清晨消失。短时气温骤升使温度梯度明显升高,但在骤变次日之后温度梯度反而低于原气温情况;短时气温骤降的影响趋势恰好相反。任意时刻,温度场沿水平和深度方向均呈强烈非均匀性。水平方向,正温度梯度时,太阳辐射起主导,阳面温度显著高于阴面,板端高于板中,板角最高;负温度梯度时,对流换热起主导,温度双向对称分布,板中高于板端,板角最低。深度方向,温度非线性变化,轨道板内尤为显著;同一深度,板中心点对气温骤变最不敏感,板角敏感性大于板端。

桥上单元板式无砟轨道无缝线路的适应性

为研究适应连续梁桥上单元板式无砟轨道的最大温度跨度,采用有限元方法建立了线-板-桥-墩一体化计算模型,分析了在不同轨温变化幅度下,桥梁伸缩、墩顶水平位移及列车制动荷载对桥上单元板式无砟轨道无缝线路温度跨度限值的影响.研究结果表明:温度跨度限值随轨温变化幅度的增加而降低;为保证钢轨强度、横向压弯变形及钢轨与轨道板相对位移等满足要求,当考虑桥梁伸缩时,以轨温变化40℃为例,其适应的温度跨度限值为271 m;随着墩顶水平位移的增加,桥梁温度跨度限值显著降低,当墩顶位移为30 mm时,温度跨度为237 m,当高墩桥梁墩顶位移超过30 mm时,应结合实际墩顶位移计算温度跨度限值;制动荷载下线路坡度对温度跨度限值影响较小,当线路坡度为20‰时,桥梁温度跨度限值为258 m.

连续梁桥上单元板式无砟轨道纵向变形的控制

研究目的:大跨度桥上铺设单元板式无砟轨道所诱发的梁轨相互作用问题较之普通桥上无缝线路更为复杂,其纵向变形控制在既有规范和工程实践应用中存在不足。本文采用有限元方法建立线-板-桥-墩一体化计算模型,研究连续梁桥墩纵向水平刚度对单元板式无砟轨道无缝线路各部件受力及变形的影响,并提出无砟轨道纵向变形控制指标,为桥上铺设单元板式无砟轨道无缝线路提供理论依据。研究结论:(1)桥梁伸缩荷载下,通过铺设小阻力扣件可显著降低凸台周围树脂变形;列车制动荷载下,铺设小阻力扣件并不能有效降低树脂变形;(2)在伸缩荷载或断轨作用下,增大桥墩刚度并不能降低树脂变形量,但对于制动荷载,增大桥墩刚度可以显著降低树脂变形量,为确保树脂层变形低于3 mm,树脂层刚度最小值为70 kN/mm;(3)对于(60+100+60)m连续梁,铺设常阻力扣件时,轨温变化幅度高于40℃时需要铺设钢轨伸缩调节器,轨温变化幅度为30℃时满足无砟轨道强度和纵向变形要求的桥墩刚度限值为1 800 kN/cm;(4)该研究结论可为桥上无砟轨道设计提供一定的理论依据。

单元板式无砟轨道结构轨道板温度翘曲变形研究

根据单元板式无砟轨道不同施工工艺和结构受力特点,采用弹性点支承梁模拟钢轨,用实体单元模拟无砟轨道各结构层;砂浆填充层采用灌注袋法施工时,轨道板和砂浆填充层之间按接触单元处理;砂浆填充层采用模筑法施工时,轨道板和砂浆填充层之间按黏结方法处理;建立相应有限元模型,进行轨道板温度翘曲变形研究。结果表明:砂浆填充层采用灌注砂浆袋法施工时,轨道板在温度梯度荷载作用下产生的翘曲变形大于模筑法施工;采用模筑法施工砂浆填充层时,轨道板的翘曲变形随上下表面温差幅值的变化呈线性关系;而采用灌注砂浆袋法施工砂浆填充层时,轨道板的翘曲变形随上下表面温差幅值的变化呈非线性关系,温差越大,轨道板翘曲变形的变化幅度越大。有限元模型计算的结果与环形铁道轨道板的翘曲变形实测结果基本吻合,验证了模型的合理性和可靠性。

CA砂浆脱空对桥上单元板式轨道动力特性的影响研究

砂浆脱空是单元板式无砟轨道主要伤损型式之一。基于轮轨系统动力学基本原理,采用有限元方法,建立列车—轨道—桥梁垂向非线性耦合振动平面模型,运用显式中心差分法,借助动力分析软件LS-DYNA编制求解系统动力响应的计算程序。用武广高铁试验数据对其可靠性进行验证后,应用该模型和程序计算和分析不同脱空情况条件下车辆和轨道结构的动力响应。结果表明:砂浆脱空对轨道结构振动的影响显著,砂浆垂向动压应力和扣件上拔力随着脱空长度的增长明显增大;当脱空长度超过0.8m时,由脱空引起的轨道动态不平顺对轮轨相互作用起主导作用,各种动力响应明显加剧;板缝两侧轨道板端部均脱空对轨道平顺性和砂浆压应力最不利,一块轨道板两端同时脱空对扣件受力最不利。可见砂浆脱空长度不宜超过0.8m。

单元板式轨道扣件刚度突变对行车安全性的影响分析

为研究单元板式无砟轨道扣件刚度整体及局部突变对行车安全的影响,指导扣件系统的养护维修,利用有限元方法和轮轨耦合系统动力学原理,建立车辆-轨道-路基系统垂向耦合动力学模型。研究扣件系统整体刚度突变和局部刚度突变对列车的振动特性和轮轨垂向作用力的影响规律。结果表明:扣件刚度从20 kN/mm增加到80 kN/mm时,轮对和转向架的振动加速度分别增加40.1%和28.2%,轮轨垂向力增加28.4%,车体变化不大;当局部扣件刚度突变时,车体、轮对、转向架的振动加速度和轮轨垂向力均较基本刚度(50 kN/mm)有所增大。扣件刚度整体突变以及局部突变均会对列车振动特性和轮轨垂向作用力产生不利的影响,建议及时对扣件系统进行养护检修,以保证行车的平稳性和安全性。

温度梯度荷载作用下纵连板式与单元板式无砟轨道结构应力-应变状态对比分析

《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)对无砟轨道设计规定正温度梯度的取值为45℃/m。通常负温度梯度的取值为正温度梯度的1/2。根据运营高铁线路的现场试验发现,规范的温度梯度取值已不能反映线路在极端气温情况下温度荷载的实际情况。本文建立有限元模型对温度梯度80,-45℃/m条件下纵连板式与单元板式无砟轨道结构应力-应变状态进行对比分析。研究结果表明:温度梯度荷载作用下,单元板式无砟轨道的纵向最大拉应力和竖向变形均比纵连板式无砟轨道大;温度梯度荷载会引起轨道板中部上拱或端部上翘,进而影响轨道结构竖向协调变形;环境温度变化与砂浆、混凝土的热行为差异是板式轨道充填层开裂、层间离缝等的重要原因。建议设计规范应对不同区域给出不同的无砟轨道温度梯度设计值。

温度力作用下单元板式无砟轨道钢轨横向变形研究

为了研究无砟轨道钢轨横向稳定性,以曲线上单元板式无砟轨道无缝线路为对象,建立包括钢轨、扣件、轨道板和限位部件的无砟轨道钢轨横向变形计算模型,结合不同轨道板长度分析钢轨在温度力作用下的横向变形特性,讨论不同、限位部件弹性和初始弯曲半波长对钢轨横向变形幅值和扣件横向抗力的影响。计算表明,巨大温度力可导致钢轨沿线路纵向产生以轨道板为波长的周期横向不平顺,在小半径曲线地段,应采用刚度较大且塑性变形小的弹性限位垫层材料,重视半波长过小的初始弯曲的治理,并加强对钢轨横向位移和板端扣件使用状态的监测。

高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板混凝土裂纹综合防治技术

在分析比较双块式无砟轨道纵连道床板优缺点的基础上,提出从根本上解决路基地段双块式无砟轨道道床板开裂问题的途径是设计采用单元结构的双块式无砟轨道。在此基础上,提出了可以采用钢筋混凝土结构底座板和水硬性支承层2个具体的设计方案。另外,提出了混凝土水灰比、入模温度等施工控制工艺及养护控制措施。

列车荷载与温度梯度共同作用下单元轨道板层间局部支承效应研究

运用Abaqus软件建立考虑层间接触关系的单元式无砟轨道分析模型,研究列车荷载与温度梯度共同作用下单元轨道板层间接触关系及轨道板受力。结果表明:在无列车荷载、正温度梯度达85℃·m^(-1)时轨道板呈现4角支承状态,在正温度梯度达90℃·m^(-1)时列车荷载作用于轨道板任何位置均无法使板下脱空完全闭合;无温度梯度时,列车荷载作用的截面处层间支承较为均匀,温度梯度增加会导致层间支承不均匀性增加,逐渐由均匀支承转化为局部支承;局部支承效应会带来轨道板横向弯矩的非线性增加,在大温度梯度下更为明显,90℃·m^(-1)温度梯度时的计算结果与按现有设计规范计算的结果相差77%,现行设计方法偏于不安全,因此在进行单元轨道板受力分析时应考虑局部支承效应。

CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构优化设计研究

针对CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构特点,提出技术合理,经济性好的优化设计方案。对传统和优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道在各种荷载作用下的结构受力进行计算对比分析,为优化设计方案提供理论指导。研究结论:(1)优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道可应用于高速铁路、城际铁路项目;(2)通过轨道结构受力计算可知,在列车荷载作用下,路基地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道减少,底座弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增加;桥梁地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增大,增大幅度不大。单元式结构道床板在整体温度荷载作用下受到的轴力可大幅度减小。

CRTS Ⅲ型先张法预应力轨道板流水机组法生产工艺预应力筋张拉力锁紧方式研究

在轨道板预应力筋采用单根同步张拉方式基础上,分析了插入楔块顶紧、皮带摩擦旋紧、螺母机械拧紧3种预应力筋张拉力锁紧方式的技术特点。为验证3种方式的锁紧效果,进行了有效张拉力对比试验,通过对不同锁紧方式时轨道板预应力筋有效张拉力的大量测试,得到了其概率分布特性。试验结果表明,采用螺母机械拧紧方式时,预应力筋有效张拉力离散性小,更有利于保证预应力筋有效张拉力及其均匀性。

CRTSⅢ型轨道板先张流水机组法制造技术

根据高速铁路线路运行平顺度要求,设计并制作了用于CRTSⅢ型无砟轨道板先张流水机组法生产线可控、能自动流转的单体钢模。该生产线由动力电源与机械、计算机控制与电器、电液伺服工作系统和监测检验系统4套主要功能设备组成完整体系。阐述了CRTSⅢ型无砟轨道板先张流水机组法制造关键技术,并对轨道板模型系统,预应力张拉/放张控制系统,混凝土的输送、浇筑与振捣系统,蒸汽养护系统4个环节进行了技术创新。CRTSⅢ型无砟轨道板先张流水机组法生产线以混凝土灌注工序效率为控制指标,合理布置生产工位实现连续生产,具有广阔的应用前景。

CRTS Ⅲ型轨道板流水机组生产工艺预应力筋张拉方式研究

分析整体张拉、单根张拉、单根与整体结合张拉3种方式对CRTS Ⅲ型双向先张预应力轨道板流水机组生产工艺的适应性,试验研究了整体张拉和单根同步张拉对预应力筋张拉力及均匀性的保证能力。结果表明:整体张拉方式不同预应力筋之间张拉力的均匀性、单根与整体相结合方式的张拉效率难以满足流水机组生产工艺需求;单根同步张拉方式能够满足流水机组生产工艺高精度、高效率的张拉要求,但锁紧过程会产生张拉力精度损失,应加强控制。

CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板施工技术

盘营铁路客运专线为国内首条时速350 km铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道的高速铁路,本文详细介绍CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板在客运专线中的应用及施工方法。

CRTSⅡ型板式无砟轨道疏控技术方案研究

研究目的:为有效缓解高温作用下Ⅱ型板胀板问题,从源头上削减因轨道板变形受限而形成的温度力,有必要开展Ⅱ型板应力疏控技术方案研究。通过分析桥上和路基无砟轨道结构特点,研究提出连续式无砟轨道单元化和弱纵连方案,运用解析法和有限元法对解锁单元长度、填充材料弹性模量等关键参数进行分析;并基于建立的有限元模型研究单元化后的控制方案,提出轨道板上拱评估方法和限值。研究结论:(1)路基和桥梁地段Ⅱ型板在高温作用下受力特性基本一致,通过解析法分析伤损状态下上拱临界波长为19 m,建议以3块板为一单元进行解锁;(2)分析了宽窄接缝局部和全部填充低弹模高韧性材料弹性模量的影响,采用全填充方案对填充材料弹性模量的取值范围更有利;(3)当轨道板单元化后,均匀植筋更有利于限制高温作用下轨道板的位移;(4)提出了基于轨面高低变化量和轨底-板面高差变化量识别轨道上拱的方法,应重点关注高温季节轨面高低变化量大于2 mm的区段;(5)本研究可为连续式无砟轨道上拱整治提供借鉴和参考。

高速铁路CRTSⅢ型轨道板平面度控制主要措施

在具有我国自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构中,轨道板主要采用双向先张预应力混凝土结构。轨道板在实体使用中,在运行的过程中曾经有CRTSⅢ型板式无砟轨道板平面度翘曲超偏的问题,,为有针对性的进行平面度控制,本文对轨道板平面度产生影响的两种主要措施方案进行简单介绍,通过两种措施的实施成功解决了高速铁路CRTSⅢ型轨道板翘曲的问题,为高铁的运行安全提供了安全保障。

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅰ):单元板式无砟轨道系统

在分析钢轨随桥墩沉降变形机制的基础上,从理论上推导了桥上铺设单元板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间的映射关系,给出了钢轨随桥墩沉降发生变形的解析表达式,与相应有限元模型的计算结果进行了对比,并分析了不同沉降量条件下的钢轨变形区域长度.研究结果显示解析模型和有限元模型得出的钢轨变形曲线十分吻合,表明两种模型均可用于求解单元板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;常用跨度桥梁结构的桥墩沉降会对高速行驶的列车产生低频激励,该激振频率与车体的垂向自振频率相近,将对车体振动产生较大影响.

浮置板组合道床系统振动控制效果分析

介绍了一种用于轨道交通的新型浮置板组合道床系统的结构和特点。利用动力吸振原理,设计了谐振单元,实现对道床主振动系统的动力调谐消振。同时,结合多种减振措施,有效降低了轨下部分振动能量的传递。在线测试结果表明,组合道床系统采用浮轨扣件,轨道动态变形均满足轨道安全性要求;依据GB 10071-1988测试评价方法,垂向和横向减振效果分别为18.7 dB和10.8 dB;依据CJJ/T 191-2012测试评价方法,垂向和横向减振效果分别为20.4 dB和11.7 dB,可以满足特殊减振地段的减振要求。