高速铁路桥上无砟道岔系统空间精细化设计理论及试验研究
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摘要
随着高速铁路的建设与发展,由于轨道高平顺性、高稳定性的要求及环保、地形、地质等诸多条件的限制,会有相当数量的无砟道岔设置在大桥、特大桥或高架结构上,形成高速铁路桥上无砟道岔结构。高速铁路桥上无砟道岔系统不仅综合了无缝道岔、桥上无缝线路、无砟轨道以及大跨度桥梁的技术特点,而且衍生出一系列新的技术难点,已经成为轨道工程研究领域面临的重大技术难题之一。
本文在国内外桥上道岔研究资料调研分析的基础上,基于大系统及协同仿真理论,自主建立了高速铁路桥上无砟道岔的精细化空间耦合模型,采用以静为主、静动结合的分析方法,对高速铁路桥上无砟道岔的参数影响规律及典型设计难题进行了系统研究,设计开展了高速铁路桥上无砟道岔的现场综合试验,并对高速铁路桥上无砟道岔典型工点进行了系统检算评估,成功指导了郑西等高速铁路桥上无砟道岔的设计。本文的主要研究工作及成果如下：
(1)建立了高速铁路桥上无砟道岔精细化空间耦合模型。
基于无缝道岔(车辆)-无砟轨道-桥梁-墩台的相互作用机理,首次建立了完善的高速铁路桥上无砟道岔精细化空间耦合模型。模型由无缝道岔(车辆)、无砟轨道、桥梁、墩台结构以及相互作用模块组成,不仅利用实体单元实现了道岔板、底座板、限位凹槽、道岔梁等结构实际尺寸及物理属性的准确模拟,而且详尽考虑了道岔里轨截面变化、转辙机作用等细部因素及限位器、间隔铁、扣件、滑动层等部件的非线性作用。
(2)开展室内及现场试验研究,提出了高速铁路桥上无砟道岔关键设计参数的合理取值。
既有参数多适用于普速或提速道岔,不能满足高速铁路桥上无砟道岔的设计需要。针对目前研究的不足,率先开展了高速道岔扣件阻力、间隔铁阻力等关键参数的室内试验研究,参与了砂浆层阻力、制动力率等参数的现场试验,提出了关键设计参数的合理取值,形成了完整的高速铁路桥上无砟道岔设计参数体系。
(3)系统研究掌握了高速铁路桥上无砟道岔的力学特性及参数影响规律。
利用精细化空间耦合模型,揭示了无缝道岔-无砟轨道-桥梁-墩台的相互作用机理,研究掌握了高速铁路桥上无砟道岔在不同荷载作用下的力学特性,对辙跟结构型式、扣件阻力、摩擦板长度、桥墩刚度、道岔梁跨度及型式等主要参数的影响规律进行了系统研究,提出了高速铁路桥上无砟道岔的合理设计建议。
(4)采用静动结合的方法,研究了高速铁路桥上无砟道岔的关键设计难题。
针对既有研究方法的不足,首次采用静动结合的方式,对温度-车辆荷载耦合作用场的影响、岔桥相对位置及道岔梁间简支梁的设置等难以单纯从静力或动力角度解决的高速铁路桥上无砟道岔设计难题进行了深入研究,为高速铁路桥上无砟道岔的研究提供了新的思路。
(5)设计开展了高速铁路桥上无砟道岔的静、动态综合试验研究,对精细化理论进行了有效验证。
在郑西高速铁路渭南北站和京沪高速铁路徐州东站,对桥上无砟道岔的钢轨温度力、钢轨及桥梁位移、横向变形、无砟轨道温度及结构动力响应等进行了系统测试,把握了结构的实际受力变形规律,有效验证了精细化设计理论,掌握了里轨伸缩的车辆碾压影响值、无砟轨道温度分布及变化规律等设计参数。
(6)建立了高速铁路桥上无砟道岔检算评估指标及方法,并应用于典型工点。
从整个系统及道岔、无砟轨道、桥梁等组成结构的静、动态受力变形等多角度考虑,建立了高速铁路桥上无砟道岔检算指标与方法。通过理论计算及现场试验,对郑西高速铁路渭南北站桥上轨枕埋入式无砟道岔和京沪高速铁路徐州东站桥上板式无砟道岔进行了全面的检算评估。
With the construction and development of high-speed railway, a considerable number of welded turnouts will be set on huge bridge, super large bridge or elevated structure due to high running comfort and stability requirements, environmental and geological conditions limit. The ballastless turnout on bridge in high-speed railway not only combines technical characteristics of continuous welded rail on bridge, welded turnout, ballastless track and long-span bridge, but also derives a series of new technical difficulties, which has become a major technical problem in high-speed railway track engineering research field.
Based on investigation and analysis on literature at home and abroad, a spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is developed using large system and co-simulation theory. The parameter affection laws and typical design difficulties are researched systematically with static and dynamic analysis method, and comprehensive field tests are designed and carried out. The systematic check calculations and assessments are performed in typical station, which has guided the design of ballastless turnout on bridge in Zhengzhou-Xian high-speed railway successfully. The main research works are as follows:
(1) Spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is established.
Based on interaction mechanism of high speed vehicle-welded turnout-ballastless track-bridge-pier, static and dynamic spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are firstly established. The model is compromised of vehicle, turnout, track, bridges, piers and interaction modules, which not only simulates actual dimensions of ballastless track and bridge, but also takes into consideration of detailed factors and nonlinear characteristics of different parts.
(2) Using laboratory and field tests, the reasonable values of key design parameters of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are researched.
The existing majority parameters are suitable for common and speed-raising turnouts, which can't meet the requirements for design of ballastless turnout on high-speed bridge. Focusing on the shortcomings of existing research, the laboratory tests on fastener and spacer block resistance are carried out, combining analysis of existing researches and field trials about mortar layer resistance, braking force coefficient ect. The reasonable values of key parameter are proposed, and the design parameter system of ballastless turnout on high-speed bridge is established.
(3) Mechanical properties and parameter influence laws of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are researched systematically.
With the spatial detailed coupled model, the interaction mechanism of high-speed turnout-ballastless track-bridge-pier system is revealed. The mechanical properties of ballastless turnout on high-speed bridge under different loads are analyzed, and the influence law of main parameters are studied systematically, including heel structure type, fastener resistance ect. The reasonable design suggestions are put forward.
(4) With combination of static and dynamic analysis method, the key technical difficulties of ballastless turnout on high-speed bridge are solved.
Focusing on the shortcomings of existing research method, the method of combining static and dynamic analysis is proposed for the first time. The influences of temperature-vehicle coupled load field, relative location of turnout and bridge, and reasonable simply supported beam set mode between turnout beams are analyzed deeply, which provides a new research approach of ballastless turnout on bridge.
(5) Field tests about ballastless turnout on high-speed bridge are designed and carried out, and the spatial detailed coupled model is verified.
The field tests of ballastless turnout on high-speed bridge are carried out in Zhengzhou-Xi'an railway Weinanbei station and Beijing-shanghai railway Xuzhoudong station. The actual force and deformation law are acquired, and spatial detailed coupled model is verified. Some design parameters are grasped, include wheels rolling influence value, ballastless track temperature distribution ect.
(6) The check calculation and assessment index and method for ballastless turnout on bridge in high-speed railway are established.
The check calculation index and assessment method of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is established systematically from static and dynamic combination view. With theoretical analyses and field tests, the check calculations and assessments of ballastless turnout on high-speed bridge in Zhengzhou-Xi'an railway Weinanbei station and Beijing-shanghai railway Xuzhoudong station are performed comprehensively.
本文在国内外桥上道岔研究资料调研分析的基础上,基于大系统及协同仿真理论,自主建立了高速铁路桥上无砟道岔的精细化空间耦合模型,采用以静为主、静动结合的分析方法,对高速铁路桥上无砟道岔的参数影响规律及典型设计难题进行了系统研究,设计开展了高速铁路桥上无砟道岔的现场综合试验,并对高速铁路桥上无砟道岔典型工点进行了系统检算评估,成功指导了郑西等高速铁路桥上无砟道岔的设计。本文的主要研究工作及成果如下：
(1)建立了高速铁路桥上无砟道岔精细化空间耦合模型。
基于无缝道岔(车辆)-无砟轨道-桥梁-墩台的相互作用机理,首次建立了完善的高速铁路桥上无砟道岔精细化空间耦合模型。模型由无缝道岔(车辆)、无砟轨道、桥梁、墩台结构以及相互作用模块组成,不仅利用实体单元实现了道岔板、底座板、限位凹槽、道岔梁等结构实际尺寸及物理属性的准确模拟,而且详尽考虑了道岔里轨截面变化、转辙机作用等细部因素及限位器、间隔铁、扣件、滑动层等部件的非线性作用。
(2)开展室内及现场试验研究,提出了高速铁路桥上无砟道岔关键设计参数的合理取值。
既有参数多适用于普速或提速道岔,不能满足高速铁路桥上无砟道岔的设计需要。针对目前研究的不足,率先开展了高速道岔扣件阻力、间隔铁阻力等关键参数的室内试验研究,参与了砂浆层阻力、制动力率等参数的现场试验,提出了关键设计参数的合理取值,形成了完整的高速铁路桥上无砟道岔设计参数体系。
(3)系统研究掌握了高速铁路桥上无砟道岔的力学特性及参数影响规律。
利用精细化空间耦合模型,揭示了无缝道岔-无砟轨道-桥梁-墩台的相互作用机理,研究掌握了高速铁路桥上无砟道岔在不同荷载作用下的力学特性,对辙跟结构型式、扣件阻力、摩擦板长度、桥墩刚度、道岔梁跨度及型式等主要参数的影响规律进行了系统研究,提出了高速铁路桥上无砟道岔的合理设计建议。
(4)采用静动结合的方法,研究了高速铁路桥上无砟道岔的关键设计难题。
针对既有研究方法的不足,首次采用静动结合的方式,对温度-车辆荷载耦合作用场的影响、岔桥相对位置及道岔梁间简支梁的设置等难以单纯从静力或动力角度解决的高速铁路桥上无砟道岔设计难题进行了深入研究,为高速铁路桥上无砟道岔的研究提供了新的思路。
(5)设计开展了高速铁路桥上无砟道岔的静、动态综合试验研究,对精细化理论进行了有效验证。
在郑西高速铁路渭南北站和京沪高速铁路徐州东站,对桥上无砟道岔的钢轨温度力、钢轨及桥梁位移、横向变形、无砟轨道温度及结构动力响应等进行了系统测试,把握了结构的实际受力变形规律,有效验证了精细化设计理论,掌握了里轨伸缩的车辆碾压影响值、无砟轨道温度分布及变化规律等设计参数。
(6)建立了高速铁路桥上无砟道岔检算评估指标及方法,并应用于典型工点。
从整个系统及道岔、无砟轨道、桥梁等组成结构的静、动态受力变形等多角度考虑,建立了高速铁路桥上无砟道岔检算指标与方法。通过理论计算及现场试验,对郑西高速铁路渭南北站桥上轨枕埋入式无砟道岔和京沪高速铁路徐州东站桥上板式无砟道岔进行了全面的检算评估。
With the construction and development of high-speed railway, a considerable number of welded turnouts will be set on huge bridge, super large bridge or elevated structure due to high running comfort and stability requirements, environmental and geological conditions limit. The ballastless turnout on bridge in high-speed railway not only combines technical characteristics of continuous welded rail on bridge, welded turnout, ballastless track and long-span bridge, but also derives a series of new technical difficulties, which has become a major technical problem in high-speed railway track engineering research field.
Based on investigation and analysis on literature at home and abroad, a spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is developed using large system and co-simulation theory. The parameter affection laws and typical design difficulties are researched systematically with static and dynamic analysis method, and comprehensive field tests are designed and carried out. The systematic check calculations and assessments are performed in typical station, which has guided the design of ballastless turnout on bridge in Zhengzhou-Xian high-speed railway successfully. The main research works are as follows:
(1) Spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is established.
Based on interaction mechanism of high speed vehicle-welded turnout-ballastless track-bridge-pier, static and dynamic spatial detailed coupled model of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are firstly established. The model is compromised of vehicle, turnout, track, bridges, piers and interaction modules, which not only simulates actual dimensions of ballastless track and bridge, but also takes into consideration of detailed factors and nonlinear characteristics of different parts.
(2) Using laboratory and field tests, the reasonable values of key design parameters of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are researched.
The existing majority parameters are suitable for common and speed-raising turnouts, which can't meet the requirements for design of ballastless turnout on high-speed bridge. Focusing on the shortcomings of existing research, the laboratory tests on fastener and spacer block resistance are carried out, combining analysis of existing researches and field trials about mortar layer resistance, braking force coefficient ect. The reasonable values of key parameter are proposed, and the design parameter system of ballastless turnout on high-speed bridge is established.
(3) Mechanical properties and parameter influence laws of ballastless turnout on bridge in high-speed railway are researched systematically.
With the spatial detailed coupled model, the interaction mechanism of high-speed turnout-ballastless track-bridge-pier system is revealed. The mechanical properties of ballastless turnout on high-speed bridge under different loads are analyzed, and the influence law of main parameters are studied systematically, including heel structure type, fastener resistance ect. The reasonable design suggestions are put forward.
(4) With combination of static and dynamic analysis method, the key technical difficulties of ballastless turnout on high-speed bridge are solved.
Focusing on the shortcomings of existing research method, the method of combining static and dynamic analysis is proposed for the first time. The influences of temperature-vehicle coupled load field, relative location of turnout and bridge, and reasonable simply supported beam set mode between turnout beams are analyzed deeply, which provides a new research approach of ballastless turnout on bridge.
(5) Field tests about ballastless turnout on high-speed bridge are designed and carried out, and the spatial detailed coupled model is verified.
The field tests of ballastless turnout on high-speed bridge are carried out in Zhengzhou-Xi'an railway Weinanbei station and Beijing-shanghai railway Xuzhoudong station. The actual force and deformation law are acquired, and spatial detailed coupled model is verified. Some design parameters are grasped, include wheels rolling influence value, ballastless track temperature distribution ect.
(6) The check calculation and assessment index and method for ballastless turnout on bridge in high-speed railway are established.
The check calculation index and assessment method of ballastless turnout on bridge in high-speed railway is established systematically from static and dynamic combination view. With theoretical analyses and field tests, the check calculations and assessments of ballastless turnout on high-speed bridge in Zhengzhou-Xi'an railway Weinanbei station and Beijing-shanghai railway Xuzhoudong station are performed comprehensively.
引文
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