桥墩温度梯度对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

针对桥墩温度梯度引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向附加力与变形, 以梁-板-轨相互作用原理和有限元法为基础, 建立了多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型, 详细考虑了钢轨、轨道板、CA砂浆、底座板及桥梁等主要结构和细部结构的空间尺寸与力学属性; 采用单位荷载法计算了桥墩纵向温差作用引起的墩顶纵向位移, 分析了墩顶位移影响下桥上无砟轨道无缝线路纵向力与位移的分布规律。分析结果表明: 当各墩顶发生均匀位移时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力分布规律及其最大值一致, 且随着墩顶均匀位移的增加而线性增大, 轨板相对位移峰值均出现在两侧桥台、台后锚固结构末端以及第2跨和最后一跨固定支座墩顶处; 当墩顶均匀位移为5 mm时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上钢轨最大纵向力分别为79.62和79.54 kN, 最大纵向位移分别为4.94和4.91 mm, 轨板最大相对位移均为0.23 mm; 当各墩顶发生不均匀位移时, 钢轨纵向力及轨板相对位移均在邻墩位移存在差异处发生突变, 多跨简支梁桥上固结机构纵向受力大于大跨连续梁桥; 对于高墩桥梁, 需重点关注相邻墩身高差最大处的轨板相对位移、底座板与桥梁相对位移及固结机构的纵向受力。      

温梯荷载下桥上CRTS Ⅱ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.      

刚构桥上无砟轨道无缝线路静力特性分析

针对刚构桥上无砟轨道无缝线路的受力与变形进行研究，以梁-板-轨相互作用原理为基础，分别建立刚构桥上CRTSⅢ型板式和CRTSⅠ型双块式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，计算伸缩、挠曲、制动、断轨工况下轨道结构和桥梁纵向力及位移，并对两种轨道结构静力特性进行对比分析，为刚构桥上无缝线路轨道结构设计提供参考。结果显示：在温度荷载、列车荷载作用下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时钢轨纵向力更小，但轨板相对位移增幅明显，可能产生安全隐患；在列车制动荷载工况下，采用CRTSⅢ型板式轨道结构时钢轨纵向力与轨板相对位移均更小；在断轨工况下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时断缝值超过了规范容许限值。建议在刚构桥上采用CRTSⅢ型板式无砟轨道。     

桥上Ⅱ型板式无砟轨道纵向力智能分析系统

为实现桥上Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路纵向受力与变形分析的智能化，考虑了桥梁结构、轨道板以及钢轨之间的相互作用，利用有限元法建立了多跨简支梁和大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路精细化有限元模型；采用C#语言对ANSYS进行二次开发，研发了集参数输入、有限元建模、荷载施加、自动计算、数据提取及数据智能处理于一体的纵向力智能分析系统。通过与已有文献对比，验证了智能分析系统的通用性和可靠性,可为桥上Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路的设计提供参考。     

纵连底座板断裂对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道受力的影响

考虑纵连底座板断裂建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁纵向相互作用的力学模型,采用有限元法求解力学模型,确定了无砟轨道关键参数。以某大跨度连续梁桥为例,降温幅度分别为10、20、30、40、50℃时,纵连底座板在连续梁上7个代表性位置发生断裂后,分析了钢轨、轨道板、砂浆和桥梁墩台的纵向力与位移。分析结果表明：降温幅度为30℃时,纵连底座板在连续梁上发生断裂时,钢轨和轨道板的最大纵向附加力分别为155．75、233．21 kN,断板对钢轨和轨道板纵向附加力有较大影响;降温幅度不大于10℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置发生断裂,轨道板与底座板的纵向相对位移均小于0．5 mm,砂浆不会开裂;降温幅度为50℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置断裂引起的固定支座纵向附加力最大为196．12 kN,不会直接造成桥梁固定支座破坏;建议在维修作业时,锯切纵连底座板与其铺设时的温度差应不大于10℃,并检算钢轨的强度是否能满足要求。     

特大型长联连续梁桥上无缝线路铺设方案研究

桥上无缝线路由于梁、轨的相互作用,钢轨会受到附加纵向力的作用,尤其在特大型长联连续梁桥上钢轨受到的纵向附加力更是不容忽视。本文建立了以轨道、桥梁、支座、墩台、基础为整体结构的纵向附加力计算空间有限元模型,计算了某特大型长联连续梁桥上钢轨的温度力。分析了：小阻力扣件铺设位置、铺设长度对钢轨伸缩附加力的影响;钢轨伸缩调节器铺设位置对钢轨温度力的影响。综合分析结果提出了该特大型长联连续梁桥上无缝线路的铺设方案。     

大跨桥上纵连板式轨道受压稳定性

为探讨大跨桥上纵连板式轨道的受压稳定措施,根据大跨桥上纵连板式轨道的结构和纵向受力特点,以某跨径为94 m 168 m 84 m的预应力混凝土连续刚构桥为例,建立了轨道板-桥梁-墩台的有限元模型,并确定纵连板和底座板最不利段.将列车荷载作用下纵连板和底座板向上的挠曲作为初始弯曲缺陷,按照第二类稳定问题对纵连板式轨道的受压稳定性进行了分析.结果表明,对大跨桥上的纵连板式无砟轨道,在列车荷载和温度压力的共同作用下,纵连板和底座板可能发生竖向失稳,可设置"倒L"型双向挡块以增加稳定性;当纵连板和底座板的最大允许温升为30℃时,该桥"倒L"型双向挡块的间距不宜大于16.7 m.     

CRTS Ⅱ型板断裂条件下桥上无缝线路伸缩力特性

为了研究桥上CRTSⅡ型轨道板断裂条件下轨道、桥梁结构纵向受力变形规律及其影响，基于有限元法和梁-板-轨相互作用机理，建立桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，分析不同轨道板断缝位置、断缝宽度、裂缝深度及轨道板、底座板伸缩刚度对断板条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力分布规律的影响. 研究结果表明:在计算轨道板断裂条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力时，应根据不同检算部件选取最不利的断板位置，建议将轨道板断缝宽度和深度分别取2 mm和200 mm、轨道板、底座板伸缩刚度折减至10%～50%，计算结果是偏安全的且不失一般性；轨道板断裂增加了断缝处CA （cement asphalt）砂浆层及底座板断裂的风险，断板侧的钢轨纵向位移及轨板相对位移均在断缝处急剧变化.      

高速铁路长大桥梁无缝线路附加挠曲力计算分析

根据高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路梁轨相互作用原理,结合京沪高铁实际情况,建立了京沪高铁整桥双线有限元模型,以10跨32 m混凝土简支箱梁桥为例,用有限元法计算分析了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路附加挠曲力及附加挠曲位移的分布。计算结果表明,列车在双线简支箱梁上单线运行时,其附加挠曲力值较小,4根钢轨的附加挠曲力值有所差别,但差别不大。钢轨附加挠曲力在桥台处较大,钢轨纵向位移则在桥梁中部较大,在桥台处较小。     

复杂地形条件下桥上CRTSⅡ型轨道系统地震响应

为了研究复杂地形对桥上CRTS Ⅱ型轨道系统地震响应的影响, 以沪昆高速铁路线16~32 m简支梁桥为例, 考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、桥梁、固结机构、端刺与挡块等部件, 建立了多跨简支梁桥-双线CRTS Ⅱ型轨道系统非线性动力学仿真模型, 研究了桥上CRTS Ⅱ型轨道系统纵向力分布特征; 设置了4种典型地形工况, 分析了不同墩高条件下桥上CRTS Ⅱ型轨道系统地震响应规律。分析结果表明: 与非纵连轨道结构相比, 桥上CRTS Ⅱ型轨道结构最大钢轨应力相对较小, 约为138.8 MPa, 应力包络曲线呈反对称, 线形平滑; 轨道板和底座板共同承受纵向力, 其最大值均出现在桥台附近, 最大拉应力分别达到25.2、27.1 MPa, 将在地震中发生开裂; 在地震中, 端刺承受着巨大的纵向力, 可达14~20 MN; 底座板与桥面之间相对位移超过24 mm, 对系统有隔震耗能作用; 地形对钢轨、轨道板和底座板纵向力的影响约为30%左右, 对墩底剪力影响较大, 在地形发生突变处, 墩底剪力增幅达4倍; 靠近桥台处的滑动层横向变形较大, 可达2.7 mm, 随着墩高增大, 扣件与滑动层纵横竖变形增大; 在地震作用下, 滑动层普遍存在着较大的竖向变形, 桥台附近滑动层竖向变形可达43.5 mm; 在地震中, 挡块与底座板之间存在着频繁的碰撞现象, 桥台附近挡块碰撞力可达38 MPa, 挡块将发生损坏。      

桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的理论研究

为获得服役期间桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论,考虑无砟轨道钢筋与混凝土的相互作用、无砟轨道混凝土的开裂与闭合效应、无砟轨道荷载的共同作用和时变特性,分别建立和验证了桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型、多尺度高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型、纵连板式无砟轨道-桥梁-桥梁墩台纵向相互作用模型,并在此基础上,提出了桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论.研究结果表明:利用提出的疲劳应力谱计算理论可得到服役期间桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线及疲劳应力谱;考虑多种荷载工况,能深入探讨桥上纵连板式无砟轨道疲劳破坏机理和影响规律;计算理论可为丰富和完善我国无砟轨道设计理论提供重要依据.      

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.      

桥梁温度跨度对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的影响

为探索桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的桥梁温度跨度的合理限值,运用线板桥墩一体化模型计算了不同温度跨度下钢轨制动力和伸缩力,基于弹性点支承梁理论分析了桥梁温度跨度对钢轨强度的影响,运用屈曲有限元分析了桥梁温度跨度对无缝线路稳定性的影响,根据钢轨与轨道板的相对位移分析了桥梁温度跨度对扣件耐久性的影响。结果表明,为保证无缝线路强度、稳定性及扣件耐久性,桥梁温度跨度的合理限值为482 m。     

垫层弹模对CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性影响

利用大型通用软件ANSYS,建立了包括钢轨、扣件、承轨台、道床板、板间树脂、垫层、支承层、基床表层、基础底层的CRTSⅢ型板式无砟轨道三维有限元力学模型,研究了在列车荷载作用下,垫层弹性模量对CRTSⅢ型板式无砟轨道系统力学特性的影响,研究结论对于完善CRTSⅢ型板式无砟轨道设计有指导意义。     

简支梁桥上无缝道岔纵向力影响因素分析

根据桥上无缝道岔纵向相互作用的特点,建立了道岔-桥梁-墩台一体化有限元计算模型,以18号道岔铺设在简支梁桥上为例,分析了钢轨温度、桥梁温度、桥梁跨度、支座布置形式、墩台刚度、辙跟传力部件结构及阻力参数等对简支梁桥上无缝道岔受力与变形的影响.计算结果表明,简支梁桥上的无缝道岔对线路和桥梁的影响范围仅限于与道岔相邻的2孔梁以内;应采用道岔里轨与简支梁伸缩位移方向相反的桥上无缝道岔布置方式;应适当增大道岔范围内桥墩的纵向刚度;桥上无缝道岔辙跟不宜采用间隔铁结构;18号道岔宜铺设在跨度32或48 m的简支梁桥上.     

CRTSⅢ型板式无砟轨道减振过渡段动力特性分析

针对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道减振地段与非减振地段的刚度过渡段进行研究,基于车辆-轨道耦合动力仿真分析,在各级过渡段减振垫刚度按双倍递减的情况下,讨论过渡段范围每一级过渡长度和过渡级数对轮轨动力响应的影响。研究结果表明:当过渡级数一定,每一级过渡长度采用3块轨道板长度(约15 m),轮轨力幅值、过渡段与减振地段交界面板缝两侧扣件下压力差值、车体垂横向加速度幅值、脱轨系数及轮轨减载率均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;当每一级过渡长度一定时,过渡级数采用3级,轮对垂向位移突变值、轮轨力幅值、钢轨挠曲变化率幅值、板缝两侧扣件下压力、过渡段与非减振地段交界面板缝两侧的错台量和扣件下压力差值均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;过渡段范围内,列车在经过轨道板缝时存在较大的轮轨冲击作用,尤其在各级过渡段的交界面,轮轨冲击作用更加显著,建议加强对板缝、各级过渡段交界面附近扣件系统的养护和核查。     

连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移计算

将钢轨和梁体视为杆单元,轨枕视为梁单元,扣件阻力、道床阻力和桥墩刚度视为弹簧单元,建立了计算连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移的有限元力学模型,根据变分原理和“对号入座”法则建立了模型求解的非线性方程组,分析了道岔设计参数对桥上无缝道岔伸缩力和位移的影响。研究结果表明:伸缩调节器布置在道岔的后端,连续梁固定墩的纵向力可降低43.2%;增加连续梁固定墩纵向刚度有利于减小钢轨位移;连续梁固定支座的位置对系统的受力与变形有双重影响,实际设计时应综合考虑。     

小阻力扣件桥上无缝线路附加力

在铁路桥梁上铺设无缝线路，为了降低梁跨结构和钢轨之间的相互作用力，往往采用小阻力扣件。在有碴桥上无缝线路采用小阻力扣件，在钢轨、轨枕及梁跨结构三者之间将产生较明显相对位移，以往的计算模型没有考虑轨枕和钢轨相对位移的影响，与有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路工况存在较大偏差。在吸收国内外研究成果的基础上，建立了一种能综合考虑钢轨、轨枕、梁体三者相互作用的有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算力学模型，给出了算例，对不同力学模型计算结果作了对比。计算结果表明，新模型计算结果要小于既有模型，对于柔性墩台结构，差分尤其明显。不考虑轨枕位移，该模型也适用于无碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算，相比有碴桥，小阻力扣件无碴桥上无缝线路附加力有较大幅度增加。     

桥上无缝线路附加力影响参数

根据桥上无缝线路附加力影响区两端的边界条件，研究了不同计算条件下的桥外影响区长度，分析了铁路桥上无缝线路附加纵向力计算的各影响参数，阐明了桥外影响区长度、钢轨最大受力以及钢轨最大位移的变化规律。结果表明，桥外影响区的长度并不是定值，减小线路纵向阻力、桥梁的跨度、跨数、惯性矩以及增大桥墩的刚度，可以减小钢轨的最大拉力以及钢轨的最大位移，减小断轨发生的可能性；同时，减小线路纵向阻力，可以减小桥梁墩台的受力。     

大跨系杆拱桥上道岔纵向耦合及列车走行性分析

针对大跨系杆拱桥上铺设无缝道岔的工程需求,根据岔-桥相互作用原理和列车-道岔-桥梁耦合动力学原理,分别建立了纵向耦合与垂横向耦合振动仿真分析模型.以某新建客专205 m连续梁桥为例,结合3种桥型共9种布置方案,对其岔桥耦合特性和列车走行性进行综合分析研究,结果表明:温度跨度对此类桥上无缝道岔纵向受力变形影响较大,不同桥跨形式的伸缩附加力规律相同,大小不同,其中尼尔森刚架拱方案伸缩附加力、道岔尖轨尖端和心轨尖端相对基本轨的位移、钢轨断缝的最值最小,大跨连续梁拱桥最大;就大跨系杆拱桥上无缝道岔而言,转辙机处基本轨与桥梁相对位移是影响桥垮选型的重要因素;尼尔森拱桥因主跨跨度较大导致桥梁动位移相对较大,存在轮重减载率瞬时超限的问题,而小跨连续梁拱桥梁动位移仅1.33 mm,列车走行安全性和舒适性表现良好,车体横向振动加速度最大仅0.035g.