温度荷载作用下双块式无砟轨道道床板有限元分析 - 图文(3)

武汉理工大学硕士学位论文达２１０公里／小时，从东京至大阪问旅行时间由６ｄｘ时３０分缩短到３ｄｘ时，高速列车的客运市场占有份额迅速上升，日均运送旅客３６万人次，年运输量达１．３亿人次，相当于ｌＯ条高速公路的运量，使东京、横滨、名古屋、大阪等大城市在内的东海道地区的旅客运输紧张状况得到缓和，运输服务质量大大提高，取得了预期的经济效益，１９７２年收回全部投资。东海道新干线以其安全、快速、准时、舒适、运输能力大、环境污染轻、节省能源和土地资源等优越性博得政府和公众的支持和欢迎。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁路，代表了当时世界第一流的铁路高速技术水平，并标志着世界高速铁路口试验阶段跨入了商业运营阶段。从此，世界铁路高速化揭开了序幕。１．４．２法国高速铁路１４ｌ法国国铁（ＳＮＣＦ）从１９５０年开展高速铁路技术研究，１９５５年研制的样车试车，创造了当时的世界最高记录３３１公里／小时。法国高速铁路实际运营开始于１９６７年，稍晚于日本。法国ＴＧＶ（法国高速铁路称ＴＧＶ，ＴｒａｉｎａＧｒａｎｄｅＶｉｔｅｓｓｅ法文意为超高速列车）线路分为三部分：巴黎东南线（ＴＧＶＰＳＥ），法国政府１９７１年批准修建ＴＧＶ东南线（巴黎至里昂，全长４１７公里，其中新建高速铁路线３８９公里），１９７６年ｌＯ月正式开工。１９８３年９月全线建成通车，ＴＧＶ高速列车最高运行时速达２７０公里，巴黎至里昂间旅行时间由原来的３ｄｘ时５０分缩短Ｎ２＋时。它的修建开辟了一条以低造价建造高速铁路的新途径，把高速铁路的发展推向了一个新台阶。法国东南线的成功运营，证明高速铁路也完全适合欧洲环境，高速列车是种具有竞争力的现代交通工具。法、日这两条新干线不但是高速铁路不同发展阶段的标志，还以其明显的社会经济效益，先进的技术装备和优良的客运服务享誉世界。此后，欧洲的德国、英国、意大利、荷兰、比利时等国相继发展了高速铁路。１．４．３德国高速铁路【４ｌ德国高速铁路称为ＩＣＥ（ＩｎｔｅｒＣｉｔｙＥｘｐｒｅｓｓ）。１９７９年试制成第一辆ＩＣＥ机车。１９８２年德国高速铁路计划开始实施。１９８５年ＩＣＥ的前身ＩｎｔｅｒＣｉｔｙＥｘＰｅｒｉｍｉｅｎｔａｌ首次试车，以３１７公里时速打破德国铁路１５０年来的记录，１９８８年创造了时速４０６．９公里的记录。德国ＩＣＥ城际高速列车行驶时速２５０公里，在既有线上行驶速度与５武汉理工大学硕上学位论文ＩＣＥ城际快速列车相同，最高时速２００公里。目前，德国已建成高速铁路１０００多公里，到２０００年，德国计划建成１１条高速铁路。目前，德国主要应用的无砟轨道结构型式有博格板式、雷达型、旭普林型３种，其它的处于试铺或少量铺设阶段，尚未推广。雷达型无砟轨道是以１９７２年铺设于德国比勒菲尔德一哈姆铁路的雷达车站而命名的，经过不断优化，由雷达普通型发展到雷达２０００型、雷达柏林型，目前德国有５０％以上的高速铁路采用的是雷达型无砟轨道，英国、法国、印度、荷兰、韩国以及我国台湾省和大陆地区都引进和采用了德国雷达型无砟轨道技术。旭普林型无砟轨道是１９７４年开发铺设在科隆一法兰克福高速铁路上发展起来的，其结构与雷达型相似，都是在水硬性混凝土承载层上铺设双块埋入式无砟轨道，只是施工工艺不同。博格板式无砟轨道是通过优化改进１９７９年德国在卡尔斯费尔德—达豪铁路铺设的一种预制板式无砟轨道而形成的，主要用于德国纽伦堡一英戈尔施塔特新建高速铁路１７Ｊ【ＷＪ。１．５我国无砟轨道发展概况国内对无砟轨道的研究始于２０世纪６０年代，与国外的研究几乎同时起步［７１。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式沥青道床等多种型式。正式推广应用的仅有支承块式整体道床，在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过ｌｋｍ的隧道内铺设，总铺设长度约３００ｋｍ。２０世纪８０年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床，全部铺设在大型客站和隧道内，总长约１０ｋｍ［１１】。１９９５年开展研究，１９９６、１９９７年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段。在秦岭隧道一线、秦岭二线隧道正式推广使用，一、二线合计无砟轨道长度３６．８ｋｍ，并先后于２００１年、２００３年开通运营。以后又陆续在宁西线（西安一南京）、兰武复线、宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用，已经铺设和正在铺设的这种无砟轨道累计近２００ｋｍ［１１１。在“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究”中，提出了适用于高速铁路桥隧结构上的３种无砟轨道型式（长枕埋入式、弹性支承块式、板式）及其设计参数；在铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究”中，完成了以上３种无砟轨道实尺模型的铺设及各项性能指６武汉理工大学硕士学位论文标试验；初步提出高架桥上无砟轨道的施工方案。我国高速铁路的无砟轨道结构在桥、隧道内的无砟轨道结构的设计、施工、维修中应考虑下列原则【８Ⅱ１１】：（１）用于桥梁、隧道内的无砟轨道结构必须与桥、隧作为一个整体进行设计。（２）充分考虑基础无永久变形或有限永久变形的要求。对于隧道，必须有坚实的仰拱及完善的排水设施。对于桥梁，必须严格控制梁的工后徐变上拱量。（３）提高扣件在垂向的弹性，使无砟轨道结构的整体弹性接近于有砟轨道。（４）提出合适的施工技术和施工机具，确保无砟轨道的施工质量。１．６本文的研究意义无碴轨道已成为高速铁路、客运专线轨道结构发展的必然趋势。对于３００～３５０ｋｍ／ｈ的铁路，无碴轨道结构被认为是首选方案。由于无碴轨道仍处于发展阶段，计算研究理论还需要不断完善。尤其我国无碴轨道结构的设计计算理论发展还不够成熟，不能满足当前高速铁路和客运专线无碴轨道应用的需求。鉴于这种情况，对无碴轨道结构分析方法的研究迫在眉睫，具有重要的现实意义。Ｒｈｅｄａ２０００是Ｒｈｃｄａ无砟轨道系统发展的最新型式。路基上Ｒｈｃｘｔａ２０００无砟轨道系统主要由钢轨、扣件、预制双块式轨枕、混凝土道床板（ＴＣＬ）以及水硬性支承层（ＨＢＬ）组成。无砟轨道应视为安装在下部结构顶部的柔性链，该柔性链将集中于车轮上的荷载分布到下部结构上。而且仅仅是将列车的荷载，从钢轨传递与分布到下部结构的一个结构部件，而不是下部土工结构的一个结构部件。无砟轨道的钢筋位于道床板的中心，主要作用是控制裂缝宽度，并保持Ｒｈｅａ２０００双块式无砟轨道结构本身的整体性。道床板把来自钢轨和扣件的轮载均匀的传给下部水硬性支撑层，并且把轨道纵向荷载和横向荷载也传递给水硬性支撑层。道床板与支撑层一起承担荷载的作用。它是一种传力结构，将大部分的列车荷载传递到其下的支撑层。同时也是一种受力结构，承担列车荷载通过钢轨扣件传下来的力而引起的弯矩。７武汉理工大学硕士学位论文无碴轨道在列车荷载下，下层结构在全部接触面上支撑混凝土道床板，道床板仅通过压力传递轨道荷载且产生的弯矩作用较小，因此单纯的列车荷载很难使轨道结构出现破坏。一年四季，酷暑交替，可见无碴轨道温度特性影响其长期使用性能，而对无碴轨道开展系统的温度场和温度应力测试试验研究可以进一步明确无碴轨道温度场与气候条件的关系，统计确定无碴轨道设计中的温度荷载取值。而基于混凝土抗压不抗拉的特点，在实际工程中温度应力是导致混凝土破坏的主要形式，温度荷载是道床板受到的主要荷载之一，温度应力直接影响到道床板的正常使用，它是轨道板裂缝产生的主要原因之一。由于无砟轨道具有养护维修工作量小、刚度均匀性好、几何形位保持能力强、耐久性好等特点，我国客运专线轨道结构均以无砟轨道为主。但是由于我国无砟轨道铺设的数量少、时间短，在设计理论方面还缺乏成熟完善的系统规范，工程实践经验尚不丰富。因而研究道床板在温度荷载作用下的系统变形、位移响应和应力响应，指导和完善我国无砟轨道的设计理论，具有十分重要的现实意义。武汉理工大学硕士学位论文第２章双块式无砟轨道设计原理与主要特点２．１概述无砟轨道作为我国客运专线主要的轨道结构型式，目前已广泛应用于国内高速铁路的建设。因此，非常有必要通过借鉴国外已成熟的无砟轨道设计、计算理论和施工经验，发展我国无砟轨道技术。Ｒｈｅｄａ型双块式无砟轨道于１９７２年首次铺设于德国比勒菲尔德至哈姆的一段线路，此结构形式以Ｒｈｅｄａ车站而命名，属于轨枕埋入式无砟轨道。在３０多年的发展过程中，Ｒｈｅｄａ型双块式无砟轨道得以不断优化，从最初的Ｒｈｅｄａ传统型一直发展到现在Ｒｈｅｄａ２０００型，并且针对路基、桥梁、隧道、岔区等不同轨下基础进行了合理优化，设计理论及施工技术日臻完善【１３ｌ。目前，我国武（汉）广（州）客运专线主要也是采用了Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道。Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道由双块式轨枕、现浇混凝土道床板和支承层组成三层混合承力的道床结构。该种结构形式按照从道床板、支承层、路基表层、路基基床的刚度递减原则进行设计【１２１。道床板与路基之间设置低弹性模量（高弹性）的支承层，纵向力和横向力通过道床板传递给支撑层，一方面为道床板提供支承，另一方面并进一步的分散了道床板的压力。由于单元道床板的温度应力在施工过程中难以控制，容易导致层间连接强度过大。另外单元道床板的端部位移比单元道床板中部大．造成对支承层的受力和变形不均匀，因此必须连续浇筑混凝土道床板，以减少层间连接的强度。支承层的主要功能是【１２１：①支承层的强度和弹性值应介于路基与道床之间；②协调道床板与路基间的变形位移差异；③吸收路基变形，将其转化为支承层的变形，不形成向道床板上反射的裂纹。Ｒｈｅｄａ２０００是Ｒｈｅｄａ无砟轨道系统发展的最新型式。路基上Ｒｈｅｄａ２０００无砟轨道系统主要由钢轨、扣件、预制双块式轨枕、混凝土道床板（ＴＣＬ）以及水硬性支承层（ＨＢＬ）组成。９