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原文传递复杂荷载条件下桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路纵向力研究

论文题名：	复杂荷载条件下桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路纵向力研究
关键词：	高速铁路;桥上无砟轨道;无缝线路;纵向力;复杂荷载
摘要：	桥上无砟轨道无缝线路以其诸多优点在高速铁路建设中得到广泛应用。桥上无缝线路的受力比较复杂，除受温度荷载、列车荷载、制动荷载外，还要受到桥梁、轨道板和底座板伸缩挠曲引起的附加力作用。桥梁与轨道板、钢轨之间相互作用产生的纵向附加力成为影响桥上无砟轨道无缝线路稳定性的重要因素。钢轨-轨道板-桥梁之间的相互作用力过大，将引起线路失稳、轨道板断裂、钢轨折断等问题，严重影响桥上行车安全。　　京津城际、京沪高速、沪昆客专等线路上广泛采用CRTSⅡ型板式无砟轨道，桥上Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路改变了传统的梁轨相互作用机理，其受力和变形也明显不同于有砟轨道及其他无砟轨道结构。本文在总结分析国内外桥上无缝线路纵向力、检测、监测技术研究的基础上，通过理论研究与现场测试相结合的方法，对复杂荷载条件下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的纵向受力与变形问题进行了研究。本文的主要研究工作和成果如下: 　　1.建立了桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型，研发了纵向力分析系统。　　根据我国高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构组成和特点，基于钢轨-轨道板-桥梁相互作用原理和有限元法，采用参数化建模的方法，分别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空间耦合有限元模型，模型中详细考虑了钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板、滑动层、固结机构、桥梁梁体、摩擦板、端刺、路基及水硬性支撑层的几何和力学特性。　　采用C＃语言对ANSYS进行二次开发，研发了桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路纵向力分析系统，该系统可实现任意简支梁跨数、简支梁跨度、连续梁跨度、结构参数和荷载参数的设置，快速建模、加载计算，计算结果存储与数据自动处理等功能。形成了集参数自由输入、空间精细化建模、加载计算、数据精准提取及数据自动处理于一体的纵向力计算分析系统。通过与现有研究成果对比，验证本文所建模型的正确性，以及分析系统的通用性和可靠性。　　2.研究了复杂温度荷载、列车垂向荷载、列车制动条件下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的纵向受力与变形特性，分析了相关参数对纵向受力变形的影响规律。　　基于所建立的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型，研究了多跨简支梁和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路在复杂温度荷载、列车垂向荷载、列车制动条件下的纵向受力与变形特性;分析了扣件纵向刚度、轨道板/底座板伸缩刚度、滑动层摩擦系数、固结机构纵向刚度、固定支座墩/台顶纵向刚度等参数对纵向受力变形的影响规律，为桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的设计、施工及养护维修提供理论依据和参考。　　3.研究了断轨和断板条件下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路纵向受力与变形特性。　　基于断轨模型和断板模型，对钢轨折断和轨道板断裂条件下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路纵向力与位移进行了计算分析;对断轨力计算时钢轨折断位置及温度荷载的加载方式提出了建议;对桥上轨道板断裂分析时裂缝位置、宽度及其深度的取值提出了建议，并详细分析了轨道板不完全断裂时其内部应力分布及裂缝扩展规律。　　4.建立了列车-无砟轨道-桥梁纵垂向耦合系统动力分析模型，分析了制动荷载作用下列车及桥上无砟轨道纵向动力特性。　　根据列车-无砟轨道-桥梁纵垂向耦合系统运动的特点，提出了车辆单元和无砟轨道-桥梁单元，运用有限元方法和Hamilton原理，分别推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，建立了车辆子系统和无砟轨道-桥梁子系统，分别列出有限元动力学方程。基于车辆子系统和无砟轨道-桥梁子系统模型，提出一种列车在桥上无砟轨道制动时列车-无砟轨道-桥梁系统动力分析方法，研究了制动荷载作用下列车及桥上无砟轨道的纵向动力特性。　　5.构建了高速铁路桥上无缝线路长期监测系统，并在京沪高速铁路先导段特大桥上得以应用。　　采用DH3819A无线静态应变测试分析系统，构建了由温度传感器、应变传感器、温度采集模块、应变采集模块、数据采集控制器、远程监控等模块构成的高速铁路无缝线路实时监测分析系统，并将其应用于京沪高速铁路京杭运河特大桥，进行了轨温、气温、板温、钢轨应变的测试，对长期测试数据进行了分析。现场实际应用证明，所开发的监测系统性能稳定，数据采集、传输顺畅，可以满足高速铁路无缝线路长期、远程、实时监测的需要。
作者：	张鹏飞
专业：	道路与铁道工程
导师：	高亮;雷晓燕
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文