【摘 要】
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CRTSⅢ型板式无砟轨道作为我国自主研发的新型轨道结构,以其优良的性能在高速铁路建设中得到广泛应用。我国地理环境复杂,线路难免穿越高寒多震地带,地震一经发生,将对轨道、桥梁结构造成一定程度的损伤,极端低温环境也会使无砟轨道结构表面和内部产生较大温度应力及变形,都将直接或间接降低无砟轨道结构的耐久性和可靠性,影响高速行车安全。本文从静、动力学角度出发,对多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路
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CRTSⅢ型板式无砟轨道作为我国自主研发的新型轨道结构,以其优良的性能在高速铁路建设中得到广泛应用。我国地理环境复杂,线路难免穿越高寒多震地带,地震一经发生,将对轨道、桥梁结构造成一定程度的损伤,极端低温环境也会使无砟轨道结构表面和内部产生较大温度应力及变形,都将直接或间接降低无砟轨道结构的耐久性和可靠性,影响高速行车安全。本文从静、动力学角度出发,对多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路在极寒多震环境下的受力与变形特征进行了全面分析,主要研究内容包括以下几个方面:1.建立了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型。根据桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路结构组成及设计参数,以及广泛应用于我国高速铁路的多跨简支梁桥,选取不同的无砟轨道结构参数,基于梁-板-轨相互作用机理和有限元法,充分考虑轨道及桥梁结构的空间尺寸与力学属性,运用ANSYS建立不同参数下的桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型。2.验证了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型的准确性与可靠性。建立了与文献相同桥跨的计算分析模型,并施加相同的温度荷载,对比了钢轨与轨道板在温度作用下的受力规律及其数值大小,验证了本文所建模型在静力作用下的正确性和可靠性;在已验证的静力模型基础上考虑非线性相互作用关系,施加与现有文献相同的地震波以及地震作用时长,对比了钢轨纵向应力包络图的变化规律与数值大小,验证了本文建立的地震分析模型的准确性和可靠性。3.分析了极寒条件下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路的纵向受力特征。从静力角度出发,计算并分析了整体温度、温度梯度以及不同扣件纵向阻力、固定支座墩/台顶纵向刚度等因素对桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路层间纵向力与位移分布规律的影响。结果表明:不同的梁体温差条件对结构的受力与变形影响较大,梁体负温度梯度作用下,钢轨高低不平顺值均超过其规定的安全限值,轨道板、底座板、自密实混凝土层凸台下表面产生较大拉应力,需加强对薄弱部位的观测与养护,防止凸台拉裂,引发结构失效;不同轨道板板面温度对结构的受力与变形具有较大影响,特别是对轨道板和自密实混凝土纵向应力以及轨向与轨距的改变尤为显著,在分析时,需考虑合理的轨道板板面温度取值,采用规范中确定的梁体负温度梯度荷载与轨道板降温梯度值计算的结果是偏安全的;桥上采用小阻力扣件能有效的减小钢轨、固定支座墩/台顶力,但轨板相对位移增幅不明显,在极端温度下,建议采用桥上小阻力扣件;固定支座墩/台顶纵向刚度以及弹性垫层模量的改变对结构受力与变形的影响不大。4.研究了单向、多维地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道系统动力响应。计算了地震波频谱特性、地震动强度以及多维地震耦合下轨道桥梁结构的动力响应,研究了不同扣件纵向阻力、固定支座墩/台顶纵向刚度等因素对系统受力与变形规律的影响。结果表明:总体上多维地震激励下结构所受的纵、竖、横向力会大于地震单独作用时,且将发生较大的横向位移;设计地震、罕遇地震激励下轨道结构不会承受较大的应力,但会产生较大的轨板纵向相对位移;相同地震波在多维地震和纵向地震激励下,钢轨、轨道板、自密实混凝土层、底座板纵向受力与纵向位移响应分布规律一致,且位移响应曲线基本重合;多维El-Centro地震波作用时,钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板竖向位移响应包络图变化规律与施加El-Centro竖向地震激励一致,多维天津宁河地震波作用时的结构竖向变形规律与施加竖向地震时的变形规律没有必然联系,且在同等地震烈度作用下天津宁河波作用时结构的受力与变形响应均大于El-Centro波;轨道结构的动力响应随着地震动强度的增加而显著增强,较大的地震会极大地增加落梁以及扣件失效风险;采用小阻力扣件能够有效的降低地震作用下钢轨、固定支座墩/台顶的受力,但会显著增加轨板纵向相对位移,建议桥上扣件阻力大小不低于10 k N/组;固定支座墩/台顶纵向刚度越大,钢轨应力减小幅度明显大于固定支座墩/台顶纵向力的增加幅度,且各结构位移响应得到不同程度降低,为有效保证地震发生时桥上高速列车行车安全,同时不至于产生较大的位移,建议桥上固定支座墩/台顶纵向刚度宜采用不低于1.0倍系数值;改变弹性垫层模量几乎不对结构受力与变形产生影响。
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