基于极限状态法的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构设计研究

基于可靠度理论的极限状态设计法已经成为国际工程结构设计的主流方法。目前CRTSⅢ型板式无砟轨道主体结构设计采用传统的容许应力法,基于极限状态法的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构设计还需更多深入研究,以便我国铁路技术更好地与国际接轨。本文以商合杭铁路某工点为例,研究分析了基于极限状态法的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道底座板配筋设计过程,结果表明:底座板配筋设计时,起控制作用的为裂缝宽度要求而非承载力要求,与长期采用容许应力法得出的设计经验一致。由目前规范给出的极限状态法表达式设计的配筋稍低于容许应力法配筋,但总体差别不大。     

列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析

无砟轨道结构轨道板裂缝和结构层间离缝会导致结构性能退化,承载力降低,危及行车安全。基于弹性地基梁—体理论,建立路基上无砟轨道结构有限元模型。在正常状态和轨道板底部存在不同程度离缝状态时,对轨道板在列车竖向荷载下产生裂缝的位置和路径,以及2种状态下轨道板的翘曲位移和翘曲时轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。研究结果表明:无砟轨道板仅在列车竖向荷载作用下不会产生裂缝。当轨道板底纵向全部脱空且横向脱空宽度达到钢轨底面内侧边缘位置时,列车竖向荷载板端加载不会生成裂缝,板中部加载会产生裂缝。裂缝大致沿着轨道板纵向中心线附近开裂,在板端斜向板两侧边缘发展,预裂缝能够有效阻断裂缝的扩展路径。     

CRTSⅡ型无砟轨道板疲劳时变可靠度研究

针对CRTSⅡ型轨道板疲劳的潜在失效模式,依据混凝土材料的疲劳性能,建立列车荷载与温度荷载共同作用下CRTSⅡ型轨道板混凝土疲劳功能函数,利用该功能函数开展基于时变可靠度理论的CRTSⅡ型轨道板疲劳时变可靠性研究。时变可靠度、时点可靠度及蒙特卡洛的计算结果对比表明:时点可靠度方法的计算结果与蒙特卡洛结果有较大误差,而本文采用的时变可靠度方法的计算结果与蒙特卡洛方法的输出结果几乎一致,说明本文方法计算精度较高。算例结果表明,在轨道板服役后期,轨道板纵向轨下截面处受拉边缘纤维混凝土容易发生弯拉疲劳开裂,这说明作为主要承受疲劳荷载(循环次数较多、荷载较大)的构件,轨道板的抗疲劳性能需进一步加强。     

基于极限状态法的板式无砟轨道结构检算与优化

以CRTSⅠ型板式无砟轨道为对象,根据Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范(极限状态法)》计算了路基上预应力混凝土轨道板在列车荷载、温度梯度和不均匀沉降作用下的荷载效应,进行了承载能力极限状态与正常使用极限状态的检算与优化.结果表明:承载能力极限状态下,纵向正、负弯矩受偶然组合控制,横向正、负弯矩受基本组合控...     

板式无砟道岔脱空受力性能分析与伤损等级划分

通过建立道岔区板式无砟轨道有限元模型,计算分析了不同脱空状态对道岔区无砟轨道结构变形与受力的影响规律。结果表明:脱空对钢轨和道岔板的垂向位移影响较底座板大,道岔板受脱空影响最大;板角脱空对轨道结构影响最小,板端横向全部脱空对轨道结构变形和受力最不利。基于静力分析结果,提出了板式道岔不同伤损形式的脱空维修级别和判别标准。     

无砟轨道弹性地基梁板模型

根据无砟轨道的结构和受力特点,采用弹性点支承梁模拟钢轨、板壳单元模拟无砟轨道各结构层,建立无砟轨道弹性地基梁板模型,进行无砟轨道各结构层的荷载弯矩计算,并与弹性地基叠合梁模型及弹性地基梁体模型进行对比.结果表明:弹性地基梁板模型更符合无砟轨道结构的受力特点,能够有效地反映承载层的空间弯曲变形;在该模型的钢轨上施加轮载可直接得到无砟轨道各承载层的纵、横向弯矩,既克服了弹性地基叠合梁模型忽略无砟轨道纵、横向变形协调条件,将纵、横向弯矩分开计算而造成的较大计算误差的缺点,也克服了弹性地基梁体模型层间约束强且计算繁琐的缺点.弹性地基梁板模型计算的结果与遂渝线实测结果基本吻合,验证了模型的合理性和有效性.     

CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板横向可靠度的计算方法研究

在无砟轨道建造和运营过程中存在着诸多不确定性,因而设计轨道结构时应使用可靠度理论计算分析结构的可靠性。应用可靠度理论分析时,在最不利状况下将轨道板视为一系列串联的全支撑宽轨枕。考虑列车荷载和温度梯度荷载两种主要荷载分别服从正态分布与威布尔分布,其荷载效应可分别按轨枕全支撑受力模式及Westgaard公式计算。考虑到荷载、抗力及计算模式的不确定性,假定了各参数的均值与变异系数,对轨道板横向宽轨枕单元的轨下截面和板中截面的可靠度分别进行了计算,其可靠度指标均满足结构可靠性要求。     

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。     

基于等寿命设计理念的CRTSⅢ型板式无砟轨道配筋优化

针对非预应力轨道板在CRTSⅢ型板式无砟轨道上的适应性开展研究,将组成复合道床板的普通钢筋混凝土轨道板与自密实混凝土层考虑为等寿命的结构层,基于极限状态法对复合道床板进行配筋设计。考虑列车荷载、温度荷载和基础变形的共同作用,确定自密实混凝土层配筋,轨道板配筋时还需考虑其在制造、运输和施工时的受力状态。计算结果表明:自密实混凝土层纵向钢筋由耐久性要求确定,横向钢筋按照最小配筋率进行配筋即可满足要求;理论计算得到的轨道板下层纵、横向钢筋还需根据构造要求进行相应调整;与现有普通钢筋混凝土轨道板对比,优化后的轨道板配筋节约18.4%,复合道床板整体配筋节约4.4%。研究结果可为普通钢筋混凝土CRTSⅢ型板式无砟轨道技术在温暖地区推广使用提供理论支撑。     

圆曲线段无砟轨道横竖向温度梯度研究

研究目的:为得到设有超高的无砟轨道温度场分布的时变规律,建立无砟轨道横竖向温度梯度荷载模式,在某客运专线圆曲线段上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器对其温度场进行了长期连续观测。研究结论:(1)无砟轨道昼夜温度变化较大,表面最高日温差可达24.7℃,平均日温差达19.0℃;(2)随着距表面深度的增加,无砟轨道温度变化幅值逐渐减小,峰值出现时间不断滞后;(3)底座板底面最大日温差为6.1℃,平均为5.0℃;(4)纵连板式无砟轨道的竖向温度梯度可拟合为指数曲线,与铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布在形状上较为符合;(5)纵连板式无砟轨道横向温度梯度分为轨道板和底座板两类,轨道板横向温度梯度可采用二次函数拟合回归,底座板横向梯度可采用线性分段函数拟合;(6)研究成果可为我国中部地区高速铁路设计温度荷载模式提供指导作用。     

基于极限状态法的高铁桥上双块式无砟轨道配筋设计研究

为使我国铁路设计技术更好地与国际设计方法接轨,针对高速铁路桥上双块式无砟轨道结构,依据Q/CR9130-2018《铁路轨道设计规范(极限状态法)》,结合有限元和数值计算的方法,运用极限状态法对道床板和底座进行配筋设计研究。结果表明:极限状态法中正常使用极限状态计算弯矩结果与容许应力法基本一致,承载能力极限状态计算结果较大;道床板和底座极限状态法的配筋数量略低于容许应力法。     

有轨电车线路土质路基段单元式无砟轨道结构设计

参考铁路客运专线无砟轨道计算方法,对有轨电车线路土质路基段轨道承受的荷载作用进行了分类和组合。建立了无砟轨道的"梁-板"有限元模型,采用极限状态法对车辆荷载下的道床结构进行了设计,并基于容许应力进行了安全性复核。复核结果显示,道床正截面受弯承载能力、正常使用极限状态下的道床裂缝、道床强度等均满足规范要求。     

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。     

高速铁路桥上新型无砟轨道板设计与仿真研究

由于现有高速铁路桥上采用的普通板式无砟轨道系统在轨道板之间存在凸型挡台,排水困难,且部分轨道板由于配筋存在一定问题,在列车荷载长时间作用下,板底出现横向裂缝,为此,提出了两种新型双孔型无砟轨道板,并采用有限元软件进行仿真分析,对其在组合荷载作用下进行内力分析。结果表明：双孔型无砟轨道板相邻底座板缝之间排水不受凸台限制,可以满足铁路桥上线间的排水设计,轨道板的稳定性更好,应力和变形都满足轨道板设计要求;与普通轨道板相比,由于采用非对称预应力配筋,在总体配筋率相同的情况下,两种双孔型轨道板的极限承载力变化不大,板底抗裂度显著提高,总体性能较好。     

基于极限状态法的桥上长枕埋入式无砟轨道结构设计

长枕埋入式无砟轨道在我国桥上铁路应用较少,为了能够给今后桥上无砟轨道设计和建造提供参考,在某大桥工程情况的基础上,运用极限状态法,在考虑耐久性的情况下,采用简化模型,对桥上客货共线长枕埋入式无砟轨道进行结构设计。我国铁路极限状态法设计规范尚未系统的建立起来,因此参照德国无砟轨道极限状态法设计规范进行荷载取值和设计计算。计算结果表明,桥上客货共线单层长枕埋入式无砟轨道满足静力要求,而且对桥梁的适应性较好;当配筋率达到1.1%~1.2%即可满足耐久性要求。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能分析

研究目的:目前无砟轨道结构在高速铁路中应用广泛,但对其疲劳问题的研究却并不多见。为了探究路基上CRTSⅡ型无砟轨道结构体系在恒载、温度和列车往复荷载作用下的疲劳力学性能,本文基于等效静力法实现了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能及损伤发展的三维仿真分析,揭示出CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系在运营过程中的经时性能演变规律。研究结论:(1)冬季轨道板大部分区域处于受拉状态,假缝处可能发生开裂损伤;夏季轨道板基本处于受压状态,仅板底假缝附近局部受拉;(2)轨道板、CA砂浆、支承层最大应力随着时间增加而减小,竖向位移差随着时间增加而增大,但都在约20年后趋于稳定;(3)轨道板除假缝(拼缝)位置外基本无严重疲劳损伤,且各条假缝(拼缝)的开裂损伤发展会在5年内趋于稳定,最终各断面的开裂面积比大约稳定在0.7左右;(4)本文可为路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系的设计、维护和维修提供一定的理论依据。     

新型市域快线装配式无砟轨道结构设计

针对广州市轨道交通18号线的工程特点,结合无砟轨道的功能、施工、服役状态,提出一种新型装配式无砟轨道.建立弹性地基梁板模型,对列车荷载效应、温度梯度作用效应、基础变形作用效应进行计算;基于极限状态法,将列车荷载效应、温度梯度作用效应、桥梁挠曲变形作用效应进行组合,按基本组合和偶然组合的最不利值对预制道床板进行结构配筋设...     

梁体温差对桥上无砟轨道横向稳定性影响研究

随着桥上无缝线路在运营中出现各种病害,桥上无砟轨道的横向稳定性问题越来越引起重视。基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道横向稳定性分析模型,分别计算分析梁体在均匀温度和双向温度梯度下对无砟轨道结构横向变形的影响,有益于进一步深入研究桥上无砟轨道的横向变形机理。结果表明:与均匀温度荷载相比,双向温度梯度荷载对无砟轨道结构横向变形影响相对较小,但对钢轨轨距的影响较大,桥上无砟轨道结构的横向稳定性受梁体伸缩附加力与梁体几何形变的共同影响。因此建议在设计桥上无缝线路时,无论考虑哪种梁体温差荷载,都需要对桥上无砟轨道结构的横向稳定性进行检算。     

基于WJ-12型扣件的双块式无砟轨道结构优化设计

既有双块式无砟轨道结构在以货为主的客货共线铁路上存在扣件、轨枕安全储备不足、道床开裂严重等问题，尚未推广应用。针对上述问题，对采用WJ-12型扣件、配套无挡肩双块式轨枕的无砟轨道进行结构优化，并将隧道地段基础不均匀沉降作为偶然荷载纳入作用效应组合，基于数值模拟和极限状态法对道床板配筋进行重新设计。结果表明：为便于养护维修、增强轨道绝缘性能，满足钢筋保护层厚度，隧道地段轨道结构高度建议调整为545 mm;为减少施工流程，提高无砟轨道施工及运营质量，建议双块式轨枕取消穿筋孔设置；与高速铁路双块式无砟轨道通用参考图对比，建议客货共线双块式无砟轨道距隧道洞口小于200 m范围加强横向配筋，大于200 m范围加强纵向配筋。     

既有混凝土梁桥加宽改造的时变可靠度分析

为了研究桥梁加宽后构件刚度劣化对新旧桥时变可靠度的影响,建立了混凝土构件在劣化环境下的可靠度计算模型。以一座钢筋混凝土梁桥为研究对象,在考虑新旧桥刚度劣化不一致的情况下,运用MATLAB软件分析了新旧桥时变可靠度指标的具体变化规律。研究结果表明:钢筋锈蚀会造成原桥主梁抗弯承载能力下降,承载力标准差上升,从而引起新旧桥主梁荷载横向分布系数以及变异系数发生变化,在新旧梁拼接缝处变化最为明显;桥梁加宽改造后,原桥时变可靠度指标上升,而新桥明显下降。