高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方法研究
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摘要
随着我国高速铁路建设的展开,大跨度连续梁结构频繁应用于跨越沟谷、河流及道路,在长大桥梁上铺设无砟轨道无缝线路已不可避免。目前,我国分别在京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际铁路、广珠城际铁路、京沪高速铁路、广深港高速铁路、郑武高速铁路、合福高速铁路及沪昆高速铁路等线路中的长大桥梁上铺设了无砟轨道无缝线路。但是,在相关的设计、施工、养护和维修中暴露出了一些问题,仍亟待研究解决。
本文针对当前高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方法研究中存在的不足,在综合分析国内外桥上无缝线路研究现状的基础上,考虑高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的相互作用机理,建立空间耦合的静、动力学理论分析模型,开展现场静、动态试验,从理论和试验角度对高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的静、动力学特性开展研究分析和检算评估,并对可适应的温度跨长进行研究,对设计提出合理化的建议。本文的主要工作和成果如下：
1、研究了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的设计参数合理取值
国内外对于普通桥上无缝线路或有砟轨道无缝线路的设计参数进行了一些理论与试验研究,但针对高速铁路长大桥梁上铺设的无砟轨道无缝线路的设计参数的研究相对较为缺乏。针对既有研究的不足,通过研究和分析德国、日本、其他国家及组织与我国在桥上无缝线路设计参数取值方面的差异,确定了本文研究中应采用的设计参数合理取值。
2、建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化静力分析模型,对其静力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究
基于无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的相互作用机理,首次建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化静力分析模型,详尽、细致地考虑了钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台、树脂填充层、双块式轨枕、道床板、隔离层、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、滑动层、固结机构、高强度挤塑板、L型侧向挡块、长大桥梁、桥墩、摩擦板、端刺、路基土体等结构的实际参数和细部构成。对温度变化、挠曲作用和制动条件下各细部结构的静力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究,分析了既有病害的形成机理,对设计提出了合理化的建议。
3、推导了适用于计算台后锚固体系纵向受力与变形的解析算法
综合考虑底座板、摩擦板、隔离层、端刺结构和路基土体的相互作用关系,推导出了适用于计算台后锚固体系纵向受力与变形的解析算法,并与有限元空间耦合模型进行了相互验证。基于所建立的解析算法,分析了大端刺设计尺寸、小端刺数量等对台后锚固体系纵向位移的影响规律。
4、建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化动力分析模型,对其动力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究
基于高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的动力耦合作用机理,将高速车辆视为多刚体系统,充分考虑车体、转向架、轮对、轴箱悬挂和中央悬挂系统的各种非线性因素,详尽地考虑钢轨、扣件、无砟轨道、长大桥梁、端刺锚固体系等结构的实际情况,通过刚柔耦合技术,建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化动力分析模型。对高速条件下各细部结构的动力学特性进行了计算和验证,对设计参数的影响规律进行了详细的研究,对比分析了不同无砟轨道结构型式条件下的各项动力响应。
5、开展了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的现场静、动态试验研究
通过郑西高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路和京沪高速铁路京杭运河特大桥纵连式无砟轨道无缝线路的现场静、动态试验,测试了单元式无砟轨道结构内部温度梯度分布规律,研究了长大桥梁上纵连式无砟轨道无缝线路钢轨温度力变化规律,掌握了高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的耦合振动规律,评估了高速车辆通过长大桥梁无砟轨道无缝线路时的安全性与平稳性。
6、进行了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路典型工点的静、动态检算评估
应用高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论,在对各项静、动态检算评估指标及相关标准进行汇总的基础之上,采用本文所建立的空间耦合精细化静、动力分析模型,针对沪昆高速铁路长昆线岔河特大桥上双块式无砟轨道无缝线路和京沪高速铁路京杭运河特大桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路等两处典型工点,进行了全面的静、动态检算评估。
7、研究了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路可适应的合理温度跨长
当桥梁跨度大到一定程度时,为保证轨道和桥梁结构的安全使用,必须采用一定数量的钢轨伸缩调节器。如何确定铺设无砟轨道无缝线路的大跨度混凝土桥梁合理的温度跨长,尽量减少钢轨伸缩调节器的设置是高速铁路长大桥上无砟轨道无缝线路设计的核心技术。应用高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论,对不同地段不同钢轨磨耗条件下不同气温范围可适应的高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路温度跨长合理取值开展了研究。
With the development of high-speed railway construction, long-span bridges are used for crossing valleys, rivers and roads frequently, so the laying of ballastless CWR on long-span bridge is inevitable. At present, in the Beijing-Tianjin inter-city railway, Wuhan-Guangzhou, Zhengzhou-Xi'an high-speed railway, Shanghai-Nanjing, Guangzhou-Zhuhai inter-city railway, Beijing-Shanghai, Guangzhou-Shenzhen-HongKong, Zhengzhou-Wuhan, Hefei-Fuzhou, Shanghai-Kunming high-speed railway and so on, ballastless CWR on long-span bridge is paved. But the problems existed in design, construction, maintenance and repair appear and should be solved timely.
In connection with the deficiency of study on the design theory and method of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, on the basis of comprehensive analysis of present research situation of CWR on bridge home and abroad, the interaction mechanism among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge is considered, spatial coupled static and dynamic theoretical analysis models are established, field static and dynamic experiments are made. The static and dynamic mechanical characteristics of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are researched, analyzed, checked and evaluated from the point of theory and test. The suitable temperature span length are researched, and reasonable suggestion for designing are put forward. The main works and achievements are:
1、The reasonable value of design parameters of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are studied.
The design parameters of general CWR on bridge or ballast track CWR are studied theoretically and experimentally home and abroad, but the studies on the design parameters of ballastless track CWR paved on long-span bridge in high-speed railway are relatively scarce. In connection with the deficiency of existing research, by the research and analysis of the differences of design parameter values among Germany, Japan, the other countries and organizations and China, the reasonable value of design parameters used in the research of this paper are determined.
2、The spatial coupled refinement static analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established, and its static characteristics and influencing laws of design parameters are studied in detail.
Based on the interaction mechanism among CWR, ballastless track and long-span bridge, the spatial coupled refinement static analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established firstly. The actual parameters and detailed composition of rail, fastener, track slab, mortar filling layer, bed plate, convex retaining block, resin filled layer, double-block sleeper, track bed slab, isolation layer, restricted groove, rubber pad, support layer, sliding layer, consolidation mechanism, high-strength plastic extrusion plate, L type lateral retaining block, long-span bridge, pier, friction plate, terminal restricted configuration, roadbed soil and so on, are considered exhaustively. Under the conditions of temperature variation, deflection and braking, the each detailed structure static characteristics and influencing laws of design parameters are analyzed in detail. The formation mechanism of existing disease is analyzed, and reasonable suggestions for designing are put forward.
3、Analytical arithmetic used to calculate longitudinal force and deformation of anchorage system behind bridge abutment is derived.
Based on the comprehensive consideration of interaction relationship among bed plate, friction plate, isolation layer, terminal restricted configuration structure and roadbed soil, the analytical arithmetic used to calculate longitudinal force and deformation of anchorage system behind bridge abutment is derived, and is verified mutually with finite element spatial coupled model. Based on that analytical arithmetic, the influencing laws of design size of main terminal restricted configuration and number of minor terminal restricted configuration on longitudinal displacement of anchorage system behind bridge abutment are analyzed.
4、The spatial coupled refinement dynamic analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established, and its dynamic characteristics and influencing laws of design parameters are studied in detail.
Based on the dynamic coupled interaction mechanism among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge, the high-speed vehicle is regarded as multi-rigid-body system, considering adequately various nonlinear factors of car body, truck, wheel set, axle box suspension and central suspension, and the actual situation of rail, fastener, ballastless track, long-span bridge and terminal restricted configuration anchorage system, through the rigid-flexible coupling technology, the spatial coupled refinement dynamic analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established. The dynamic characteristics of detailed structure under the condition of high-speed are calculated and verified. The influencing laws of design parameters are researched in detail. The various dynamic response of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway of different ballastless track type are comparative analyzed.
5、The field static and dynamic experiments of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are made.
The field static and dynamic experiments of unit style ballastless track CWR on long-span bridge in Zhengzhou-Xi'an high-speed railway and longitudinal connected style ballastless track CWR on Beijing-Hangzhou Canal long-span bridge in Beijing-Shanghai high-speed railway are made. The distribution of temperature gradient in the unit style ballastless track is tested, the variation law of rail temperature force of connected style ballastless track CWR on long-span bridge is researched, the coupling vibration law among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge is mastered, and the security and stability of high-speed vehicle passing through ballastless track CWR on long-span bridge is evaluated.
6、The static and dynamic check and evaluation on typical working sites of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are made.
With the application of design theory of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, on the basis of summary of static and dynamic check and evaluation indexes and relevant standards, using the spatial coupled refinement static and dynamic analysis model, the comprehensive static and dynamic check and evaluation on double-block ballastless track CWR on Chahe river long-span bridge in Changsha-kunming line of Shanghai-kunming high-speed railway and the CRTS Ⅱ slab ballastless track CWR on Beijing-Hangzhou Canal long-span bridge in Beijing-Shanghai high-speed railway are made.
7、The reasonable temperature span length suitable for ballastless track CWR on long-span bridge are studied.
When the bridge span length is large, for ensuring the safe application of track and bridge structure, certain amount rail expansion controller should be used. How to determine the reasonable temperature span length of ballastless track CWR on long-span bridge and reduce the setting of rail expansion controller are the key technology of the design of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway. With the application of design theory of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, reasonable temperature span length of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway suitable for different temperature range under the conditions of different section and rail wear are studied.
本文针对当前高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方法研究中存在的不足,在综合分析国内外桥上无缝线路研究现状的基础上,考虑高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的相互作用机理,建立空间耦合的静、动力学理论分析模型,开展现场静、动态试验,从理论和试验角度对高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的静、动力学特性开展研究分析和检算评估,并对可适应的温度跨长进行研究,对设计提出合理化的建议。本文的主要工作和成果如下：
1、研究了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的设计参数合理取值
国内外对于普通桥上无缝线路或有砟轨道无缝线路的设计参数进行了一些理论与试验研究,但针对高速铁路长大桥梁上铺设的无砟轨道无缝线路的设计参数的研究相对较为缺乏。针对既有研究的不足,通过研究和分析德国、日本、其他国家及组织与我国在桥上无缝线路设计参数取值方面的差异,确定了本文研究中应采用的设计参数合理取值。
2、建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化静力分析模型,对其静力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究
基于无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的相互作用机理,首次建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化静力分析模型,详尽、细致地考虑了钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台、树脂填充层、双块式轨枕、道床板、隔离层、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、滑动层、固结机构、高强度挤塑板、L型侧向挡块、长大桥梁、桥墩、摩擦板、端刺、路基土体等结构的实际参数和细部构成。对温度变化、挠曲作用和制动条件下各细部结构的静力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究,分析了既有病害的形成机理,对设计提出了合理化的建议。
3、推导了适用于计算台后锚固体系纵向受力与变形的解析算法
综合考虑底座板、摩擦板、隔离层、端刺结构和路基土体的相互作用关系,推导出了适用于计算台后锚固体系纵向受力与变形的解析算法,并与有限元空间耦合模型进行了相互验证。基于所建立的解析算法,分析了大端刺设计尺寸、小端刺数量等对台后锚固体系纵向位移的影响规律。
4、建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化动力分析模型,对其动力学特性和设计参数的影响规律进行了详细的研究
基于高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的动力耦合作用机理,将高速车辆视为多刚体系统,充分考虑车体、转向架、轮对、轴箱悬挂和中央悬挂系统的各种非线性因素,详尽地考虑钢轨、扣件、无砟轨道、长大桥梁、端刺锚固体系等结构的实际情况,通过刚柔耦合技术,建立了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合精细化动力分析模型。对高速条件下各细部结构的动力学特性进行了计算和验证,对设计参数的影响规律进行了详细的研究,对比分析了不同无砟轨道结构型式条件下的各项动力响应。
5、开展了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路的现场静、动态试验研究
通过郑西高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路和京沪高速铁路京杭运河特大桥纵连式无砟轨道无缝线路的现场静、动态试验,测试了单元式无砟轨道结构内部温度梯度分布规律,研究了长大桥梁上纵连式无砟轨道无缝线路钢轨温度力变化规律,掌握了高速车辆、无缝线路、无砟轨道和长大桥梁之间的耦合振动规律,评估了高速车辆通过长大桥梁无砟轨道无缝线路时的安全性与平稳性。
6、进行了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路典型工点的静、动态检算评估
应用高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论,在对各项静、动态检算评估指标及相关标准进行汇总的基础之上,采用本文所建立的空间耦合精细化静、动力分析模型,针对沪昆高速铁路长昆线岔河特大桥上双块式无砟轨道无缝线路和京沪高速铁路京杭运河特大桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路等两处典型工点,进行了全面的静、动态检算评估。
7、研究了高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路可适应的合理温度跨长
当桥梁跨度大到一定程度时,为保证轨道和桥梁结构的安全使用,必须采用一定数量的钢轨伸缩调节器。如何确定铺设无砟轨道无缝线路的大跨度混凝土桥梁合理的温度跨长,尽量减少钢轨伸缩调节器的设置是高速铁路长大桥上无砟轨道无缝线路设计的核心技术。应用高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论,对不同地段不同钢轨磨耗条件下不同气温范围可适应的高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路温度跨长合理取值开展了研究。
With the development of high-speed railway construction, long-span bridges are used for crossing valleys, rivers and roads frequently, so the laying of ballastless CWR on long-span bridge is inevitable. At present, in the Beijing-Tianjin inter-city railway, Wuhan-Guangzhou, Zhengzhou-Xi'an high-speed railway, Shanghai-Nanjing, Guangzhou-Zhuhai inter-city railway, Beijing-Shanghai, Guangzhou-Shenzhen-HongKong, Zhengzhou-Wuhan, Hefei-Fuzhou, Shanghai-Kunming high-speed railway and so on, ballastless CWR on long-span bridge is paved. But the problems existed in design, construction, maintenance and repair appear and should be solved timely.
In connection with the deficiency of study on the design theory and method of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, on the basis of comprehensive analysis of present research situation of CWR on bridge home and abroad, the interaction mechanism among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge is considered, spatial coupled static and dynamic theoretical analysis models are established, field static and dynamic experiments are made. The static and dynamic mechanical characteristics of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are researched, analyzed, checked and evaluated from the point of theory and test. The suitable temperature span length are researched, and reasonable suggestion for designing are put forward. The main works and achievements are:
1、The reasonable value of design parameters of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are studied.
The design parameters of general CWR on bridge or ballast track CWR are studied theoretically and experimentally home and abroad, but the studies on the design parameters of ballastless track CWR paved on long-span bridge in high-speed railway are relatively scarce. In connection with the deficiency of existing research, by the research and analysis of the differences of design parameter values among Germany, Japan, the other countries and organizations and China, the reasonable value of design parameters used in the research of this paper are determined.
2、The spatial coupled refinement static analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established, and its static characteristics and influencing laws of design parameters are studied in detail.
Based on the interaction mechanism among CWR, ballastless track and long-span bridge, the spatial coupled refinement static analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established firstly. The actual parameters and detailed composition of rail, fastener, track slab, mortar filling layer, bed plate, convex retaining block, resin filled layer, double-block sleeper, track bed slab, isolation layer, restricted groove, rubber pad, support layer, sliding layer, consolidation mechanism, high-strength plastic extrusion plate, L type lateral retaining block, long-span bridge, pier, friction plate, terminal restricted configuration, roadbed soil and so on, are considered exhaustively. Under the conditions of temperature variation, deflection and braking, the each detailed structure static characteristics and influencing laws of design parameters are analyzed in detail. The formation mechanism of existing disease is analyzed, and reasonable suggestions for designing are put forward.
3、Analytical arithmetic used to calculate longitudinal force and deformation of anchorage system behind bridge abutment is derived.
Based on the comprehensive consideration of interaction relationship among bed plate, friction plate, isolation layer, terminal restricted configuration structure and roadbed soil, the analytical arithmetic used to calculate longitudinal force and deformation of anchorage system behind bridge abutment is derived, and is verified mutually with finite element spatial coupled model. Based on that analytical arithmetic, the influencing laws of design size of main terminal restricted configuration and number of minor terminal restricted configuration on longitudinal displacement of anchorage system behind bridge abutment are analyzed.
4、The spatial coupled refinement dynamic analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established, and its dynamic characteristics and influencing laws of design parameters are studied in detail.
Based on the dynamic coupled interaction mechanism among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge, the high-speed vehicle is regarded as multi-rigid-body system, considering adequately various nonlinear factors of car body, truck, wheel set, axle box suspension and central suspension, and the actual situation of rail, fastener, ballastless track, long-span bridge and terminal restricted configuration anchorage system, through the rigid-flexible coupling technology, the spatial coupled refinement dynamic analysis model of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway is established. The dynamic characteristics of detailed structure under the condition of high-speed are calculated and verified. The influencing laws of design parameters are researched in detail. The various dynamic response of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway of different ballastless track type are comparative analyzed.
5、The field static and dynamic experiments of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are made.
The field static and dynamic experiments of unit style ballastless track CWR on long-span bridge in Zhengzhou-Xi'an high-speed railway and longitudinal connected style ballastless track CWR on Beijing-Hangzhou Canal long-span bridge in Beijing-Shanghai high-speed railway are made. The distribution of temperature gradient in the unit style ballastless track is tested, the variation law of rail temperature force of connected style ballastless track CWR on long-span bridge is researched, the coupling vibration law among high-speed vehicle, CWR, ballastless track and long-span bridge is mastered, and the security and stability of high-speed vehicle passing through ballastless track CWR on long-span bridge is evaluated.
6、The static and dynamic check and evaluation on typical working sites of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway are made.
With the application of design theory of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, on the basis of summary of static and dynamic check and evaluation indexes and relevant standards, using the spatial coupled refinement static and dynamic analysis model, the comprehensive static and dynamic check and evaluation on double-block ballastless track CWR on Chahe river long-span bridge in Changsha-kunming line of Shanghai-kunming high-speed railway and the CRTS Ⅱ slab ballastless track CWR on Beijing-Hangzhou Canal long-span bridge in Beijing-Shanghai high-speed railway are made.
7、The reasonable temperature span length suitable for ballastless track CWR on long-span bridge are studied.
When the bridge span length is large, for ensuring the safe application of track and bridge structure, certain amount rail expansion controller should be used. How to determine the reasonable temperature span length of ballastless track CWR on long-span bridge and reduce the setting of rail expansion controller are the key technology of the design of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway. With the application of design theory of ballastless CWR on long-span bridge in high-speed railway, reasonable temperature span length of ballastless track CWR on long-span bridge in high-speed railway suitable for different temperature range under the conditions of different section and rail wear are studied.
引文
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