（道路与铁道工程专业论文）高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道端刺及临时端刺的力学特性分析.pdf

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- - 0 5 ，临时端刺合理长 度取值约为8 0 0 m ，而常规区的长度可以根据现场施工条件选择。 图1 0 8 幅，表3 1 个，参考文献7 4 篇。 关键词：端刺；动力响应；临时端刺；纵向力 分类号：u 2 1 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：c h i n ah a si m p o r t e dt h ec o m p l e t et e c h n o l o g yo fb o e g ls l a bt r a c ks u c ha s d e s i g n , m a n u f a c t u r i n g ，c o n s t r u c t i o n , m a i n t e n a n c e ，t o o l i n gf r o mg e r m a n y s oa f t e r e n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fj i n g - j i nh i g hs p e e dr a i l w a ya n dt e c h n i c a ls u n l n l a l yo f b a l l a s t l e s s t r a c k ，i n n o v a t i o no fb a l l a s t l e s ss y s t e m , c h i n e s er a i l w a yr e s e a r c h e r sa n dd e s i g n e r sh a s f i n i s h e dc r t si ib a l l a s t l e s st r a c kc o m p l e t et e c h n o l o g yt h a th a sc h i n e s ef e a t u r e t h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo fc r t si ib a l l a s t l e s st r a c ki st h a tt h eb a s e l a y e ro nt h e b r i d g ei si n t e g r a t e d i n o r d e rt ot r a n s l a t eb a s e l a y e rf o r c ew h i c hi sg e n e r a t e db y t e m p e r a t u r ea n da p p l y i n gt h eb r a k et or o a d b e dt i m e l y , t h e r ei st e r m i n a t i o nc u t t i n go f f a n df r i c t i o ns l a bb e h i n dt h ea b u t m e n t i ft h es t y l eo ft e r m i n a t i o nc u t t i n go f fi s o v e r t u r n e dt ，t h ew h o l ea r e ao ft e r m i n a t i o nc u t t i n go f fa n df r i c t i o ns l a bs h o u l du s e g r a d e dg r a v e lw h i c hh a sc e m e n ta sr o a d b e d c h i n e s er a i l w a yr e s e a r c h e r sh a v ed e s i g n e d d o u b l ep i l l a r st e r m i n a t i o nc u t t i n go f fw h i c hc a nb eu s e di ns t a n d a r dr o a d b e d t l l i st h e s i sb u i l tu pv e h i c l e - t r a c k - t e r m i n a t i o nc u t t i n go f fm o d e lu s i n gn o n - l i n e r f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n da n a l y s e sd y n a m i cr e s p o n s e so fd i f f e r e n ts t y l eo f t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f a f t e rt h a tt h et h e s i sa n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fa n g u l a ro fr a i l s ， v e h i c l es p e e da n dt h ed i s p o s a lo ff a s t e n e rt ot h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h es y s t e m f r o mt h er e s u l to ft h ea n a l y s e s ，i ft h e r ei sl i t t l et e r m i n a t i o nc u t t i n go f fb e h i n dt h e t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f , t h ed y n a m i cr e s p o n s e sw i l lb el e s s t h ed i s p l a c e m e n to ft h e o v e r t u r n e dtt e r m i n a t i o ni sm u c hl e s st h a nt h ed o u b l ep i l l a rt e r m i n a t i o nc u t t i n go f f a n g u l a ro fr a i l sc a ne n h a n c ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e m n o r m a l l y , t h es p e e do f t h ev e h i c l ei sh i g h e r ；t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e mi sl a r g e r i fw ed i s p o s et h e f a s t e n e ri nr e a s o n , t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e mw i l lb el e s s b e c a u s ei nc h i n at h eb r i d g e so fh i g hs p e e dr a i l w a ya l ev e r yl o n g ，i tc a nn o t c o n s t r u c tt h eb a s e l a y e ri no n et i m ea n di tm u s tc o n s t r u c ts t e pb ys t e p e a c hc o n s t r u c t i o n s t e pi sc o m p o s e db yg e n e r a la r e aa n dt e m p o r a r yt e r m i n a t i o nc u t t i n go f f t h i st h e s i su s eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r et ob u i l du pb a s e l a y e r - b r i d g e m o d e l t h e na n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw h i c hb e t w e e nt h eb r i d g e a n db a s e l a y e r , l e n g t ho ft h et e m p o r a r yt e r m i n a t i o nc u t t i n go f fa n dl e n g t ho ft h en o r m a l a r e at ot h es y s t e m f r o mt h er e s u l tw ec a ns e ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h eb r i d g e a n db a s e l a y e rs h o u l db e0 2 - - 0 5 ，t h eb e s tl e n g t ho f t h et e m p o r a r yt e r m i n a t i o nc u t t i n go f f i sa b o u t8 0 0 m , t h el e n g t ho ft h en o r m a la r e ac a l lb ed e c i d e db yt h ec o n d i t i o no ft h e c o n s t r u c t o r s k e y w o r d s - t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f ；d y n a m i cr e s p o n s e ；t e m p o r a r yt e r m i n a t i o n c u t t i n go f f ；l o n g i t u d i n a lf o r c e c l a s s n o ：u 2 1 3 2 v 1 1 1 目录 中文摘要v a b s t r a c t 、，i i 第1 章绪论1 1 1 纵连板式无砟轨道的发展历史l 1 2 c r t si i 型板式无砟轨道端刺及摩擦板的应用现状5 1 3 c i 玎si i 型板式无砟轨道临时端刺的应用现状8 1 4 c r t si i 型板式无砟轨道的静力特性9 1 4 1 c r t si i 型板式无砟轨道列车荷载应力分析9 1 4 2 温度力对c r t si i 型板式无砟轨道的影响1 2 1 4 - 3 基础变形对c r t si i 型板式无砟轨道的影响1 5 1 5 c r t si i 型板式无砟轨道动力特性。2 0 1 5 1 c r t si i 型板式无砟轨道板动力特性2 0 1 5 2 c r t si i 型板式无砟轨道过渡段动力特性2 1 1 6 本文主要研究内容及意义2 2 第2 章端刺及摩擦板动力学模型2 4 2 1 客车车辆模型2 4 2 2 轨道结构过渡段模型。2 6 2 3 轮轨耦合关系模型2 9 2 4 轮轨激励模型31 2 5 模型实现方法3 2 2 6 模型验证3 4 第3 章端刺及摩擦板动力学特性的分析3 6 3 1 轨道过渡段动力性能评价指标3 6 3 2 不同形式端刺的动力响应分析。3 7 3 2 1 无后移小端刺双柱型端刺的动力响应3 7 3 2 2 有后移小端刺双柱型端刺的动力响应4 0 3 2 3 倒t 型端刺的动力响应4 3 3 2 4 不同形式端刺的动力响应对比4 5 3 3 轨面折角对系统动力响应的影响4 9 3 3 1 轨面折角对双柱型端刺区域动力响应的影响5 0 3 3 2 轨面折角对倒t 型端刺区域动力响应的影响5 3 3 4 行车速度对系统动力响应的影响5 5 3 4 1 行车速度对双柱型端刺区域动力响应的影响5 6 3 4 2 行车速度对倒t 型端刺区域动力响应的影响5 9 3 5 扣件布置方式对系统动力响应的影响6 3 3 5 1 扣件布置方式对双柱型端刺区域动力响应的影响6 3 3 5 2 扣件布置方式对倒t 型端刺区域动力响应的影响6 6 第4 章临时端刺的力学特性分析6 9 4 1 临时端刺分析模型6 9 4 2 滑动层摩擦系数对底座板及桥梁的影响6 9 4 3 临时端刺长度对底座板及桥梁的影响7 3 4 4 常规区长度对底座板及桥梁的影响7 5 第5 章结论与展望7 9 5 一主要工作与结论：7 9 5 2 未来工作的展望8l 参考文献8 2 作者简历。8 5 独创性声明8 7 学位论文数据集。8 9 第1 章绪论 1 1 纵连板式无砟轨道的发展历史 德国的博格板式无砟轨道是世界上最早的纵连板式无砟轨道。博格板式无砟 轨道的雏形是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪的一种预制板式无砟轨道。以 后设计人员对其进行包括预应力结构、结构尺寸、纵向联接等方面的优化改进， 并且采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的承轨槽。施工时使用快速方便的 测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几何行位的严格要求，而采用的高 性能沥青水泥砂浆垫层可以牢固地粘结轨道板与支撑层，同时为轨道提供一定的 弹性。 图1 11 9 7 7 年铺设于卡尔斯费尔德达豪的博格板式轨道 f i g 1 - 18 0 e g ls l a bt r a c kp a v e db e t w e e nk a l s f d d d a c h a ui n1 9 7 7 图1 2 早期搏格预制板之间的接缝 f i g 1 2j o i n tb e t w e e nb o e g ls l a bt r a c ki ne a r l ys t a g e 如上图所示为早期的博格板式无砟轨道。博格公司为轨道板施工研制生产了 成套的设备，使得博格板式轨道机械化程度高于其他无砟轨道结构。博格板式无 砟轨道已经获得了德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁 路。下图为应用于高速铁路的博格板式无砟轨道。 挡砟墙、保护层和底座混凝土之间的钢筋连接以及轨道板嵌在底座混凝土中的限 位块来实现。保护层一方面要起到保护防水层的作用，同时又要起到在轨道与桥 梁之间的传力作用，因此对保护层混凝土的要求高，同时施工难度大。轨道结构 在长桥上具体的施工顺序是铺设悬臂板上方的防水层浇筑盖板和挡砟墙铺 设轨道板下方的防水层铺设保护层浇筑混凝土底座铺设轨道板。同短桥上 应用轨道板一样，在长桥两端也要设置端刺和摩擦板l 冽。 图1 - 4 桥上博格无砟轨道结构 f i g 1 - 4a o e g ls l a bt r a c ko i lb r i d g e 如上图所示为桥上博格无砟轨道结构示意图。无论博格板式轨道铺设在小桥上 还是大桥上，均要使用小阻力扣件，并且要延伸至桥台后路基上4 0 m 至9 0 m 范围 内，这样作用在桥梁上轨道内的纵向力在传入路基时候有一个缓冲的过程。由于 梁端转角会对梁缝上方的轨道扣件形成上拔力，故必须检算扣件容许上拔力，必 要的时候需要采用特殊扣件。 从2 0 0 5 年开始，我国系统引进了德国博格板式无砟轨道设计、制造、施工、 养护维修及工装、工艺等成套技术。在铁道部“引进、消化、吸收、再创新 的 战略部署之下，我国铁路科研设计人员通过京津城际铁路的工程实践、无砟轨道 系统技术总结和系统技术再创新等工作，在德国博格板的基础上已经形成我国 c r t si i 型纵连式无砟轨道系统成套技术i 硼。 目前，在建的京沪高速铁路以及国内的大部分客运专线铁路均采用了c r t si i 型无砟轨道，此纵连式无砟轨道系统有如下结构特点： ( 1 ) c r t si i 型轨道板与其他类型无砟轨道的明显区别在于全线轨道板和桥上 底座板均为纵向整体连续结构，此为c r t si i 型板式无砟轨道的主要特点。 ( 2 ) 轨道板采用工厂化预制，通过布板软件计算得出轨道板布设、制造、 3 豸镬；，；0，。 ；：；麓 打磨、铺设等工序所需要的全部轨道几何数据，实现了轨道板设计、制造和施工 的数据共享。 ( 3 ) 轨道板之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接，很好的解决了板端变形问题，提 高了列车行车舒适度。 ( 4 ) 轨道板采用数控机床打磨技术，打磨精度可达o 1 m m ，通过高精度的测量 和精调系统，轨道板铺设后即可获得高精度轨道几何行位，最大限度降低铺轨精 调工作，大幅度提高综合施工进度。 ( 5 ) 桥上底座板不受桥跨的限制，为跨越梁缝的纵向连续结构。桥上的轨道板 与路基、隧道内的轨道板一致，均为标准化轨道板，这样有利于工厂化、标准化 生产，便于质量控制，同时简化轨道板的安装与铺设。 ( 6 ) 桥上连续的底座板在桥台后设有端刺，以此平衡底座板温度力和制动力， 使桥梁纵向力不影响路基上的轨道结构。 ( 7 ) 在梁面加高层与底座板之间设置两布一膜滑动层，以此隔离桥梁与轨道之 间的相互作用，减小了由于桥梁伸缩引起的钢轨和板内纵向附加力，实现了大跨 连续梁上取消伸缩调节器。 ( 8 ) 在桥梁固定支座的上方，桥梁和底座板之间设置剪力尺槽和预埋剪力钉， 以此将列车制动力和轨道结构温度力及时传到墩台上。 ( 9 ) 在梁缝处设置高强度挤塑板，减小梁端转角对连续铺设的无砟轨道结构的 影响。 ( 1 0 ) 在底座板两侧设置倒l 型的侧向挡块对底座板进行横向与垂向限位。 ( 1 1 ) 路基上支持层采用水硬性材料或素混凝土，不需要配筋，结构简单，施工 方便，同时可以减小工程投资。 图1 5 纵向张拉连接的c r t s u 型板 f i g 1 - 5c r t si it e n s i o n e di nv e r t i c a l 4 图l 击纵向张拉连接可以有效防止板端翘曲 f i g 1 _ 6t e n s i o n e di nv e r t i c a le h o u l da v o i ds l a bw a r p 1 2 c r t si i 型板式无砟轨道端刺及摩擦板的应用现状 桥上c r t si i 型板式无砟轨道与其它类型的无砟轨道相比，最大的结构特点就 是底座板在整桥上连续而不在桥缝处断开。因此由于温度力作用以及列车制动力 作用等，底座板将承受巨大的纵向力。桥台后的端刺和摩擦板可以有效而迅速的 将桥上底座板纵向力传递到路基中，减小路基上底座板的纵向力。由此可以看出 端刺和摩擦板是c r t si i 型无砟轨道的重要组成部分。 我国京津城际铁路是最早整条线全部应用c r t si i 型无砟轨道的高速铁路线 路，该线路已经于2 0 0 8 年建成通车。图1 7 为京津城际铁路设置的摩擦板、端刺 和过渡板的纵断面示意图，图1 8 为倒t 型端刺示意图。摩擦板宽度一般为9 m ， 厚度为0 4 m ，长度根据不同桥梁结构设计确定，一般为5 0 m 或1 0 0 m 。倒t 型端 刺尺寸：上部结构沿线路纵向厚度为l m ，沿线路横向为9 m ，高度为2 7 5 m ；下部 结构沿线路纵向为8 m ，沿线路横向为9 m ，厚度为l m 。小端刺尺寸：厚度为l m ， 高度为l m ，宽度与摩擦板等宽同为9 m 。端刺、摩擦板及过渡板均采用c 3 0 混凝 土现场浇筑。当摩擦板长度为5 0 m 时，该长度范围内的路基填料均为掺水泥级配 碎石。 图1 7 京津城际铁路摩擦板、端刺及过渡板纵断面示意图 f i g 1 - 7f r i c t i o ns l a b ，t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f a n dt r a n s i t i o ns l a bo i lj i n g - j i nh i g hs p e e dr a i l w a y f i g 1 - 8o v e r t u r n e dt t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f 遂渝无砟轨道综合试验段的嘉陵江桥上铺设应用了纵连板式无砟轨道，而由 于嘉陵江桥两端都是长大隧道，没有端刺的设置空间，因此在隧道里打桩、灌注 钢筋混凝土来将桥上底座板纵向力传递到隧道底面。桥梁及端刺基本结构示意图 如下图所示。 钢轨一端刺固结一底座与桥梁固结一扣件阻力一 底座板一 图1 - 9 逐渝线无砟轨道试验段端刺结构 f i g 1 9t e r m i n a t i o nc u t t i n go f fo ns u i - c h o n gl i n e 我国的武广客运专线的雷大桥也采用了c r t s i i 板式无砟轨道，在雷大桥广州 端也同样设置了摩擦板、端刺和过渡板结构。具体结构见下图所示。摩擦板宽度 为9 r n ，厚度为0 4 m ，长度约为4 0 m 。端刺尺寸：上部结构沿线路纵向厚度为4 5 m ， 沿线路横向宽度为9 m ，高度为l m ；下部结构沿线路纵向为6 5 m ，沿线路横向为 1 3 m ，厚度为l m 。小端刺尺寸：厚度为l m ，高度为l m ，宽度与摩擦板等同为9 m ， 各个小端刺沿线路方向间距一般为3 5 m 。端刺、摩擦板及过渡板均采用c 3 0 混凝 土现场浇筑。 6 ii 图1 1 0 武广客运专线端刺、摩擦板及过渡板纵断面示意图 f i g 1 1 0f r i c t i o ns l a b ，t e r m i n a t i o nc u t t i n go f f a n d t r a n s i t i o ns l a b0 1 3w u - g u a n gh i g hs p e e dr a i l w a y 图1 1 1 武广客运专线端刺示意图 f i g 1 - 11t e r i m n a t i o nc u t t i n go f f o nw u - g u a n gh i g hs p e e dr a i l w a y 我国石武客运专线郑武段铺设的无砟轨道类型同样为c r t si i 型无砟轨道。桥 台后面的端刺和摩擦板的结构形式与京津城际铁路的端刺和摩擦板相同。但是京 津城际铁路的端刺和摩擦板范围以下的路基全部采用掺水泥级配碎石。在满足端 刺和摩擦板功效的前提下，石武客运专线从工程经济角度考虑，采取的方案为小 端刺下基床表层和基床底层深度范围路基填筑掺水泥级配碎石，大端刺两端各5 m 宽按1 ：2 刷坡范围路基填筑掺水泥级配碎石。 到目前为止，京津城际铁路已经运营将近2 年。鉴于c r t si i 无砟轨道在京津 城际铁路上的出色表现，如今在建的世界上一次性建成里程最长的高速铁路 京沪高速铁路全线采用c r t si i 型无砟轨道。由于京沪高速铁路线路漫长，地形条 件复杂，因此长大桥台后的端刺和摩擦板的形式也比较的多。 京沪高铁多数情况下采用与京津城际铁路一样的倒t 型端刺和摩擦板形式， 摩擦板、端刺及过渡板范围填筑掺水泥级配碎石。当特大桥台后路基为直线地段 时，采用5 0 m 长摩擦板( 宽度9 m ，厚度0 4 m ) + 标准倒t 型端刺( 高度3 7 5 m 、 宽度9 m ) 方案。当特大桥台后路基为曲线地段时，采用6 0 m 长摩擦板( 宽度9 m ， 厚度0 4 m ) + 标准倒t 型端刺( 高度3 7 5 m ，宽度9 m ) 。而当路基下部设置筏板时， 端刺的竖墙与筏板相连接，将筏板作为倒t 型端刺的底板。当下部路基为基岩的 时候，可以在基岩上钻孔植筋，将端刺竖墙与基岩结合为一个整体。 采用倒t 型端刺的时候，为满足端刺和摩擦板能够在有限的长度范围内将桥 梁上底座板传递过来的纵向力及时传递到路基中而减小对路基上底座板的影响， 在摩擦板及端刺范围内的路基需要全部使用掺水泥级配碎石。但是在京沪高铁线 7 路上，由于施工组织安排导致部分桥台后的路基全部安装标准路基形式压实填筑， 无法满足倒t 型端刺的使用要求。而全部再换添为掺水泥级配碎石，不仅延误工 时，而且造成巨大经济浪费。因此秉着“引进、吸收、消化、再创新”的思想， 我国铁路科研人员设计出可以在a b 组填料上使用的双柱型端刺及摩擦板系统。双 柱型端刺包括两种结构形式，一种是无后移小端刺双柱型端刺，一种是有后移小 端刺双柱型端刺。 无后移小端刺双柱型端刺的结构形式见图1 1 2 所示，桥台后共计有七个小端 刺，其中距离桥台最近的前4 个小端刺高l m ，剩下的3 个小端刺高1 5 m ，全部小 端刺沿线路纵向宽度均为l m 。后面的两个大端刺的几何尺寸保持一致，高为2 m ， 沿线路纵向宽度为3 m 。全部端刺沿线路横向宽度为1 2 m 。摩擦板、两大端刺之间 的连接板和后面的过渡板宽度均为1 0 m ，连接板的厚度为0 6 m 。 图1 1 2无后移小端刺双柱型端刺锚固机构 f i g 1 - 1 2d o u b l ep i l l a r st e r m i n a t i o nc u t t i n go f f w i t h o u ts m a l lo n ei nb e h i n d 有后移小端刺的双柱型端刺的结构形式见图1 1 3 所示，与无后移小端刺的双 柱型端刺相比较，小端刺及大端刺的数目以及结构尺寸保持不变，仅将一个高1 5 m 的小端刺从大端刺前方移至两个大端刺的后面。 图1 1 3 有后移小端刺的双柱型端刺锚固机构 f i g 1 1 3d o u b l ep i l l a r st e r m i n a t i o nc u t t i n go f f w i t hs m a l lo n ei nb e h i n d 1 3 c r t si i 型板式无砟轨道临时端刺的应用现状 桥上c r t si i 型板式无砟轨道底座板施工过程中需要设置临时端刺。由于我国 客运专线桥梁以长大桥梁为主，每一座桥梁长度动辄几十公里长，故无法一次将 桥上的底座板浇筑完成，需要分段浇筑。临时端刺位于每一浇筑段常规区的两边， 临时端刺与桥台后永久端刺的作用效果类似，目的是减小底座板在温度力作用下 的纵向位移。 桥上c r t si i 无砟轨道系统的底座板每次浇筑完成的单元称为一个浇筑段，每 个浇筑段由中间的一个常规区以及两边的临时端刺区组成。当相邻的浇筑段与先 8 前完成的浇筑段合并为一个浇筑段后，两者之间的临时端刺失去以前的作用效果， 变为常规区底座板。为了及时将底座板纵向力传递到桥梁上，在桥梁固定支座处 设置有由剪力尺槽和剪力钉组成的固结机构。如下图所示为底座板浇筑段示意图。 图1 - 1 4 底座板浇筑段示意图 f i g 1 1 4s u b s e c t i o no f b a s e l a y e rf o rp o u r i n g 在浇筑一个底座板浇筑段的时候，有的固结机构处的底座板不与桥梁其他部 分的底座板同时浇筑，而是留有空隙等到以后再浇筑，这样的地方称为固结机构 后浇带。对于常规区的固结机构后浇带，底座板浇筑完成之后在恰当的时候全部 浇筑完成；而对于临时端刺区的固结机构后浇带，则在底座板浇筑完成后仅浇筑 中间的两个固结机构后浇带。临时端刺通过其中间的两个固结机构以及临时端刺 与桥梁之间的摩擦力来阻止常规区底座板在温度力作用下的伸缩变形。 1 4 c r t si i 型板式无砟轨道的静力特性 轨道是直接承受列车荷载的结构物，承受列车荷载并引导机车车辆运行永远 是铁路轨道的首要任务，列车荷载是c r t si i 板式轨道首先需要考虑的设计荷载。 c r t si i 板是纵向连续结构，需要重点考虑温度荷载与混凝土收缩对结构的影响。 连续混凝土道床板纵向配筋就是考虑温度变化和混凝土收缩而设置的。我国地貌 复杂，很难实现工后“0 ”沉降，而且由于采用了大量的长大桥梁结构，桥梁变形 势必会对轨道结构有一定影响，故需要考虑基础变形对无砟轨道的影响。c r t si i 板是允许横向开裂的连续结构物，在每一个枕间均设置有假缝，轨道板横向按照 预应力宽轨枕设计1 7 4 j 。 桥上c r t si i 板式轨道的纵向力计算较为复杂，一般需要通过建立包括轨道结 构与桥梁结构在内的整体有限元计算模型，计算温度荷载、起制动力、单侧桥梁 挠曲等影响下的底座板受力，分析滑动层摩擦系数、不同开裂状态下的轨道板和 底座板纵向刚度、扣件阻力等对底座板受力的影响。 1 4 1 c r t si i 型板式无砟轨道列车荷载应力分析 c r t s i i 板式轨道各承载层在厚度方向上的尺寸远小于其他两个方向上的尺 9 寸，且荷载作用下的挠度远小于其厚度，符合弹性薄板的结构特点，适合于采用 薄板模型模拟；钢轨属于细长结构，适合于采用梁模型模拟；扣件、中间弹性层 以及下部基础弹性则宜采用不同的弹簧进行模拟，共同构成无砟轨道弹性地基梁 板模型n 钔。 钢轨采用e u l e r 梁模型，仅考虑其竖向弯曲，由于钢轨的支撑不连续，只能采 用数值解法。目前随着计算技术的发展，多采用有限元法求解。采用有限单元法 求解时，可以选用如图1 1 5 所示的梁单元竖向位移和转角位移作为基本未知量： 4 ) e = 嵋，够，w i + l ，只+ ，)( 1 1 ) 式中，。0 ：- d - w 。 取钢轨梁单元的形函数： = i 一等+ 等，一x + 芋一乒，等一等车一乒i o 2 ， 由此得到梁单元刚度矩阵的表达式为： k r 】。- 也e r jr z 3 图1 1 52 d 梁单元 f i g 1 1 52 - db e a me l e m e n t 无砟轨道各承载层模拟为弹性薄板，符合以下假设： ( 1 ) 垂直于中面方向的形变分量z 很小，可忽略不计。由力学几何方程 1 0 掣盐产学 半半 称 立 对 e p 2 一 压llllill d 乞2 i 2 0 ，有o = o ( x ，y ) ，即挠度只与平面位置x , y 有关。 ( 2 ) 应力分量k 、 g z y 、和吼远小于其余三个应力分量，可忽略其引起的应 变分量，即协1 矿= 0 ，板的应力应变关系( 物理方程) 为： q 2 莩1 ( 吒一仃， 勺2 i i t ( c r y 一吒) 产( 1 - 4 ) 岛：下2 ( 1 + z ) 岛j ( 3 ) 薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移，即“i 瑚21 ，i ：= 。50 ，因而 i 删= q i 删= i 脚= o ，即中面的任意一部分在弯曲为弹性曲面前后，在x y i 葑 上的投影形状保持不变。 由于无砟轨道刚度较大，为实现高速铁路所要求的高弹性和高稳定性要求， 无砟轨道扣件多设计为带铁垫板、设置轨下和板下双层胶垫的结构型式。假设轨 下胶垫和板下胶垫刚度分别为k z l 和k z 2 ，则扣件系统的竖向刚度为： k ：竺! 竺2 2 k ：l + k ：2 ( 1 5 ) 为较好的模拟扣件系统的弹性和荷载分散作用，对扣件系统的模拟采用双层 弹簧+ 板壳模拟，其中铁垫板采用刚度较大的板壳模拟，轨下垫板刚度较大，采用 一根线性弹簧模拟，其弹簧刚度即为轨下胶垫刚度，k 亍k z l ，板下胶垫是实现扣件 弹性的，采用多个( 假设为n ) 平行的线性弹簧模拟，每个弹簧的刚度k = k z 2 n 。 通常情况下地基可以分为弹性地基、弹塑性地基和塑性地基三类，由于铁路 工程结构物的地基，特别是客运专线无砟轨道的基础，不允许在列车荷载作用下 出现塑性变形，因此无砟轨道的基础多数情况下属于弹性地基。 弹性地基的计算方法主要有w l r d d e r 地基系数法和弹性半空间法两种，地基系 数法在西方国家和日本较为盛行，而弹性半空间法则在前苏联和德国的资料中提 及较多。 18 6 7 年，w m k l e r 在研究铁路路基上部结构时提出了w i n l d e r 地基假设，即地 基每单位面积上所受的压力与地基沉陷成正比，地基的反力以地基反应模量k 乘 上该点的挠度w 来表示，即： p = k w( 1 6 ) w m k l c r 地基假设认为地基的受压作用如同许多不相联系的弹簧受压时一样， 地基某一点的沉陷仅决定于作用于该点的压力，而与邻近的地基无关。 轨道板与支撑层共同构成c r t si i 纵连板轨道的轨下基础。由于两者之间用沥 青水泥砂浆填充，保证了两者之间具有很好的粘结性。为了保证轨道板裂纹宽度 不超过容许限度，需配置0 8 - - 0 9 的钢筋，而路基上的支撑层则采用了素混凝 土。因此支撑层更加容易开裂，而支撑层一旦开裂则形成通缝，引起轨道板与支 撑层应力的重分配，对整体轨道结构抗弯刚度影响很大。 c r t si i 无砟轨道承载层中有预应力混凝土、钢筋混凝土、素混凝土和水泥稳 定材料结构等，其对裂缝的要求不同。预应力混凝土结构一般不允许出现裂缝， 钢筋混凝土结构容易出现裂缝但其宽度受钢筋控制，而素混凝土和水泥稳定材料 结构更容易出现裂缝且裂缝宽度不受控制。 采用素混凝土或水泥稳定材料构筑的无砟轨道支撑层在列车与稳定作用下容 易开裂，一旦开裂则在开裂位置处传递弯矩的能力降低，表现为整体刚度和弹性 模量的折减，计算时若仍采用设计时的弹性模型，将使得上部结构强度不足，需 研究不同裂缝开展情况下的支撑层弹性模量折减问题。对于钢筋混凝土结构，其 中的钢筋对于提高结构层的抗弯刚度有帮助，但由于裂缝处的弯矩传递作用有所 减弱，因此计算时仅采用混凝土的弹性模量进行计算，不考虑钢筋和裂缝的影响。 对于预应力混凝土结构，其中的预应力钢筋和普通钢筋对于整体抗弯刚度的提高 有帮助，在设计时可不考虑其影响，仅取混凝土的弹性模量进行计算。 研究表明，高弹性模量支撑层在开裂时候的抗弯刚度折减程度明显高于低弹 性模量支撑层，而在实际中混凝土支撑层不可避免的是带裂缝工作的，因此没有 必要使用高弹性模量的混凝土。为了减小支撑层刚度折减率，可以提高其配筋率。 1 4 2 温度力对c r t si i 型板式无砟轨道的影响 无砟轨道直接暴露在大气之中，气温的周期性变化将使得无砟轨道温度产生 周期性变化，并在其内部产生温度应力。c r t s i i 型无砟轨道是纵连形式的，更需 要重视温度力对轨道结构的影响。对无砟轨道影响较大的温度变化主要有两种： 年温度变化和日温度变化。混凝土的收缩特性使得混凝土产生收缩变形，相当于 对混凝土降温1 7 4 j 。 温度年变化是指气温随季节发生的周期性变化，冬冷夏热，变化缓慢，可视 为沿无砟轨道厚度方向均匀分布，将引起无砟轨道温度伸缩应力。温度荷载是 c r t si i 型无砟轨道的主要荷载。根据德国统计资料，混凝土结构物温度较气温高 约5 - - - ，1 0 。c 。参考德国统计资料和我国无缝线路关于轨温的规定，无砟轨道的最高 温度取为当地最高气温+ 1 0 c 、最低温度取为当地最低气温。年温度变化可用以年 为周期的余弦函数表示。由于年温度变化是长期、缓慢的作用，无砟轨道承载层 在温度应力的作用下将发生徐变，计算年温度变化引起的承载层温度应力时应考 虑徐变弹性模量。 1 2 日温度变化中，晴天变幅大，阴天变幅小，计算温度日变化引起的承载层温 度应力时可以不考虑徐变的影响。 混凝土在空气中凝固和硬化过程中，会产生收缩变形。试验表明，收缩变形 在混凝土开始时发展较快，以后逐渐减慢，大部分收缩在3 个月龄期内出现。c r t s i i 纵连板承载层的理论厚度一般在2 0 0 r a m 以上，依据我国混凝土结构设计规范， 混凝土收缩终极应变值为1 1 - 2 x 1 0 4 ，相当于混凝土降温1 1 - 2 0 。 轨道板在阳光照射下，其上表面温度高，下表面温度低，由于混凝土的热传 导性能差导致轨道板在厚度方向存在温度梯度。而强冷空气的侵袭作用、突然的 降雨等会造成