长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道断板影响与可靠性研究

摘要

中国高速铁路在长期服役过程中出现了层间离缝、上拱、断板等多种形式、不同程度的病害。其中，断板作为典型病害，一旦出现将严重影响线路运营安全。尤其在梁轨作用复杂的长大桥上，断板的产生可能带来更为严重的衍生病害，如支座失效、桥梁失稳等，从而导致整个轨道-桥梁大系统的失效。因此，开展无砟轨道断板影响研究，对断板条件下无砟轨道-桥梁系统的可靠性进行评估意义重大。
　　本文以断板条件下长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象。通过有限元模型的建立，分析了断板对轨道-桥梁系统受力特性的影响。并基于结构可靠度理论提出了一种病害条件下无砟轨道-桥梁系统可靠性评估方法，为无砟轨道养护维修提供指导。主要研究工作如下:
　　(1)基于有限元法，建立了断板条件下长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道梁-体-梁空间耦合非线性有限元模型。将长大桥梁采用欧拉梁单元模拟，轨道板、底座板采用三维实体单元模拟，完成了长大桥梁大尺度与细观病害小尺度的多尺度精细化模拟，并采用多点耦合法实现了长大桥梁梁单元与底座板空间实体单元空间耦合。
　　(2)针对长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板断裂病害，分析了整体降温幅度、不同断裂位置和不同断裂深度对无砟轨道结构受力变形特性的影响。
　　结果表明:轨道结构各部件受降温幅度和断裂深度影响较大，当降温幅度大于30℃、断裂深度大于180mm时，断缝周围30m内底座板纵向附加力超过其极限拉力值，有开裂风险;降温幅度超过15℃、断裂深度大于20mm时，断缝两侧50m范围内扣件纵向阻力超限，钢轨爬行;CA砂浆层发生剪切破坏。轨道板最不利断裂位置为连续梁右端滑动支座处。
　　(3)针对长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板断裂病害，研究了整体降温幅度、不同断裂位置和不同断裂深度对无砟轨道结构受力变形特性的影响。
　　结果表明:与轨道板断裂类似，轨道各部件受降温幅度和断裂深度影响较大。当降温幅度超过30℃、断裂深度大于180mm时，断缝周围20m内轨道板纵向附加力超过其极限拉力值，有开裂风险。降温幅度超过5℃、断裂深度大于20mm时，断缝两侧60m范围内CA砂浆层粘结失效。底座板最不利断裂位置为连续梁右端滑动支座处。
　　(4)基于Monte Carlo抽样法，结合MATLAB和ABAQUS软件提出了一种断板条件下无砟轨道-桥梁系统可靠性分析方法。通过建立轨道板/底座板纵向力和桥梁墩台顶纵向位移功能函数，分别从部件和整体的角度对轨道-桥梁系统可靠性进行分析。结果表明，轨道板失效概率最大，可达28.3％。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 无砟轨道发展应用现状

1．2．1 国外无砟轨道发展应用现状

1．2．2 国内无砟轨道发展应用现状

1．3 无砟轨道病害研究现状

1．3．1 无砟轨道运营阶段病害

1．3．2 无砟轨道病害分析方法

1．4 结构可靠度理论研究及应用现状

1．5 研究内容及思路

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究思路

2 钢轨-无砟道床-长大桥梁三维梁-体-梁空间耦合模型

2．1 轨道结构计算参数

2．1．1 温度荷载取值

2．1．2 结构参数取值

2．2 有限元模型的建立

2．3 力学平衡方程的建立及求解

2．4 模型的验证

2．5 本章小结

3 轨道板断裂影响下轨道-桥梁系统力学特性分析

3．1 不同降温幅度下轨道结构受力特性

3．2 不同断裂位置下轨道结构受力特性

3．3 不同断裂深度下轨道结构受力特性

3．4 本章小结

4 底座板断裂影响下轨道-桥梁系统力学特性分析

4．1 不同降温幅度下轨道结构受力特性

4．2 不同断裂位置下轨道结构受力特性

4．3 不同断裂深度下轨道结构受力特性

4．4 本章小结

5 断板条件下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构可靠性评估

5．1 断板下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道可靠性分析方法研究

5．2 轨道板断裂下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道可靠性分析

5．2．1 功能函数的建立

5．2．2 随机参数的确定

5．2．3 轨道结构可靠性分析

5．3 底座板断裂下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道可靠性分析

5．3．1 功能函数的建立

5．3．2 随机参数的确定

5．3．3 轨道结构可靠性分析

5．4 本章小结

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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