大温差地区路基上双块式无砟轨道结构优化研究

摘要

随着我国高速铁路的快速发展，无砟轨道得到了大量建设与广泛应用。双块式无砟轨道因结构简单、整体性强、施工方便、成本低等优点，成为我国无砟轨道的主要形式。双块无砟轨道在服役期间产生的过大拉压应力导致道床板出现开裂、压溃、上拱等伤损问题，运营和研究经验表明，其病害大多由复杂温度荷载引起。
　　兰新二线采用双块式无砟轨道结构形式，而该地区温差比较大，有必要对该地区的双块式无砟轨道结构进行优化设计，这对于双块式无砟轨道设计理论的补充完善及推广应用，具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文以兰新二线路基上双块式无砟轨道为工程背景，通过理论分析与现场试验研究，确定了双块式无砟轨道的温度适用范围，并对其进行优化设计，提出适用于兰新二线气候条件的双块式无砟轨道结构方案，并应用于我国兰新二线。本文的主要研究工作和结论如下:
　　1.研究兰新二线双块式无砟轨道的温度场特性。本文结合现场试验与调研历史气象数据得出双块式无砟轨道的温度场特性。通过对历史气象资料调研得出，兰新二线最高气温为吐鲁番的47.7℃，最低气温为乌鲁木齐的-41.5℃，最大年温差出现在乌鲁木齐，达到83.6℃。试验现场一年测试期内测试得出道床板最高温度较最高气温高5℃，最低温度取最低气温值;在道床板高度范围内，可近似按线性温度梯度考虑，最大正温度梯度为75℃/m，最大负温度梯度为-45℃/m。
　　2.建立路基上双块式无砟轨道力学分析模型。本文结合双块式无砟轨道的结构特点和荷载条件，建立同时考虑整体温度变化、温度梯度、结构层间关系、列车荷载等影响因素作用下的路基上双块式无砟轨道力学模型。
　　3.路基上连续双块式无砟轨道温度适应范围的研究。分别考虑影响道床板开裂、上拱、压溃的温度荷载，得出道床板最大允许温升、温降幅值。由计算可知，道床板在出现压溃前不会出现失稳情况;不考虑温度梯度的情况下，道床板可承受最大温降幅值为31℃，最大温升幅值为65℃，可适应温差在96℃范围内的地区，考虑温度梯度的影响时需根据相应公式进行换算。经计算，在兰新二线地区最大温度梯度作用下，路基上连续双块式无砟轨道可适应的温差范围为60℃，得出连续双块式无砟轨道不能直接应用于兰新二线的结论。
　　4.带假缝的连续道床板结构设计方案的可行性研究。道床板开假缝后一定程度上释放道床板内部温度应力、增大双块式无砟轨道的温度适用范围。通过计算得出假缝的合理设计方案为间隔4～6m设置1/4～1/3板厚的假缝，该方案可以使双块式无砟轨道温度适应范围提升19℃，不考虑温度梯度时，可适用于温差达115℃以下的地区，在兰新二线地区温度梯度作用下可适应的温差范围为79℃。由假缝式道床板试验段现场试验可知，道床板在假缝处会出现伤损，假缝间伤损情况相应较少。试验过程中测试段温差与历史极限温差存在一定差距，故伤损情况较少，结合理论分析可知带假缝的连续道床板结构仍无法满足兰新二线的恶劣气候条件。
　　5.单元式道床板结构设计方案的可行性研究。根据单元板式无砟轨道设计方案的思路，将连续式道床结构改进成单元式结构，以提高双块式无砟轨道的温度适用范围。通过计算得出，单元道床板长度小于8.2m时，单元双块式无砟轨道可适用于兰新二线大温差地区。为增加道床板整体性，提出带假缝的大单元道床板设计方案。从温度适应性方面分析可知，单元式道床板方案基本适用于大温差地区。
　　通过建立的理论方法对大温差地区路基段双块式无砟轨道进行分析研究，提出适用于大温差地区路基段的双块式无砟轨道结构设计方案，攻克了大温差地区双块式无砟轨道温度适应性的难题，指导了兰新二线双块式无砟轨道的结构优化设计，并可为类似工程提供理论指导和借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 兰新二线气候条件及特点

1．2 双块式无砟轨道概况

1．2．1 国外双块式无砟轨道的发展

1．2．2 国内双块式轨道结构的发展

1．2．3 双块式无砟轨道结构受力特点

1．3 温度对双块式无砟轨道的影响

1．3．1 混凝土裂缝破坏

1．3．2 道床板上拱变形

1．3．3 混凝土局部压溃

1．3．4 其他问题

1．4 连续道床板温度影响的研究现状

1．4．1 温度的研究现状

1．4．2 温度梯度的研究现状

1．4．3 连续道床板的优化设计研究现状

1．4．4 连续双块式无砟轨道面临的问题

1．5 主要研究内容

第2章 兰新二线大温差温度场特性研究

2．1 现场试验方案

2．2 测试结果与分析

2．2．1 试验段气象数据采集

2．2．2 道床板内温度场数据采集

2．2．3 板温与气温关系研究

2．2．4 测试结果小结

2．3 气温实地调研

2．4 本章小结

第3章 双块式无砟轨道力学分析模型

3．1 路基上双块式无砟轨道结构

3．2 力学模型的建立

3．2．1 钢轨

3．2．2 扣件

3．2．3 道床板

3．2．4 支承层

3．2．5 基础结构

3．3 边界条件分析

3．4 层间关系模拟

3．5 荷载参数取值

3．6 本章小结

第4章 路基上双块式无砟轨道温度适应性分析

4．1 温度适应性影响因素分析

4．2 上拱控制的温升关系研究

4．3 压溃控制的温升关系研究

4．4 裂纹控制的温降关系研究

4．5 本章小结

第5章 假缝双块式无砟轨道力学行为研究

5．1 结构设计方案

5．1．1 假缝在混凝土结构中的发展现状

5．1．2 假缝在双块式无砟轨道中的设计方案

5．2 假缝连续式道床板裂纹理论分析

5．2．1 力学模型

5．2．2 假缝设置深度研究

5．2．3 假缝设置间隔研究

5．3 假缝连续式道床板试验研究

5．3．1 试验背景

5．3．2 测试结果与数据分析

5．4 本章小结

第6章 单元双块式无砟轨道适应性分析

6．1 单元双块式无砟轨道道床初步设计

6．1．1 单元式无砟轨道的研究现状

6．1．2 单元双块式无砟轨道设计

6．2 裂缝与长度的关系研究

6．2．1 单元长度与受力关系

6．2．2 带假缝的单元板长度与受力关系

6．3 压溃与长度的关系研究

6．3．1 单元长度与受力的关系

6．3．2 带假缝的单元板长度与受力关系

6．4 单元式试验研究

6．4．1 试验背景

6．4．2 检测数据分析

6．5 本章小结

结论及展望

主要结论

存在的不足和需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士学位期间的科研成果