桥上无缝道岔纵向力计算理论与试验研究

论文摘要

随着客运专线、快速铁路和城市轨道交通的建设与发展,由于环保要求或地形的限制,有越来越多的无缝道岔设置在大桥、特大桥或高架结构上。在桥上铺设无缝道岔,是无缝线路发展中遇到的一个重大技术课题。本文对桥上无缝道岔纵向力的计算理论开展研究,建立了桥上无缝道岔纵向力计算模型并编制了相应的计算程序,系统分析了桥上无缝道岔受力和变形规律,提出了桥上无缝道岔的设计原则和设计方法。本文的主要工作如下:（1）道岔-桥梁纵向相互作用关系。道岔-桥梁纵向相互作用本构关系是解决纵向力传递问题的基础和关键,本文在系统分析国内外无缝道岔结构的基础上,对影响桥上无缝道岔纵向传力的各种阻力参数的力学特性做了深入分析,提出了各种阻力参数的本构关系表达式。根据桥上无缝道岔纵向相互作用特点,首次提出了道岔—桥梁相互作用原理。（2）根据道岔—桥梁相互作用原理,本着模型总体上能反映桥上无缝道岔纵向力的传递特点,同时考虑计算方便性和可靠性的原则,结合目前计算力学的发展,提出了计算有砟、无砟轨道桥上无缝道岔纵向力的“岔—桥—墩”一体化模型。利用非线性有限元法对模型求解,并编制了功能强大的分析程序,该程序可以分析各种道岔和桥梁的布置型式（3）运用编制的计算程序,对桥上无缝道岔的伸缩力、挠曲力、制动力、断轨力和组合荷载作用下的纵向力进行了分析,研究了组合荷载对桥上无缝道岔的影响。在对比国内外桥上无缝线路设计方法和理论研究的基础上,初步提出了我国桥上无缝道岔设计检算方法。（4）对影响道岔-桥梁纵向力传递的主要因素进行系统分析,是本文的核心部分。分析了简支梁、连续梁桥上无缝道岔（包括单组道岔、渡线和道岔群）的受力和变形规律,通过纵向位移阻力参数、道岔连接方式、桥梁下部结构刚度、桥梁跨度、桥梁结构形式、岔-桥相对位置等因素的分析,达到了清楚地认识桥上无缝道岔纵向力传递规律的目的,进而得出对计算参数取值和改善岔-桥受力状态具有指导意义的结论。（5）综合分析了有砟、无砟桥上无缝道岔的受力和变形规律,从纵向相互作用的角度提出桥上无缝道岔纵向设计原则,提出了典型车站的道岔、桥梁布置方式,为桥上无缝道岔设计提供了依据。（6）在浙赣线湄池1号特大桥上进行桥上无缝道岔纵向力试验研究,对道床阻力、道岔基本轨伸缩力、道岔尖轨/心轨纵向位移,梁-轨相对位移等进行了系统测试。通过试验研究,验证了桥上无缝道岔纵向力计算理论。本文建立的桥上无缝道岔计算理论体系是比较完善的,计算模型、方法和程序正确的,仿真程序分析的结果是可信的,浙赣线简支梁桥上无缝道岔的成功铺设、现场试验及安全运营表明本文的工作对桥上无缝道岔设计和运营维修具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 桥上无缝线路国内外研究
• 1.2.1 国外桥上无缝线路应用情况
• 1.2.2 国内桥上无缝线路应用情况
• 1.2.3 桥上无缝线路研究概况
• 1.2.4 桥上无缝线路研究发展方向
• 1.3 无缝道岔国内外研究应用情况
• 1.3.1 国外无缝道岔计算理论与实验
• 1.3.2 国内无缝道岔计算理论
• 1.3.3 计算理论概要
• 1.4 桥上无缝道岔的国内外现状
• 1.4.1 德国桥上无缝道岔结构特点及计算理论
• 1.4.2 法国的桥上无缝道岔结构特点和计算理论
• 1.4.3 桥上无缝道岔国内研究现状
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 无缝道岔结构及纵向阻力特性
• 2.1 国外高速铁路无缝道岔结构特点
• 2.1.1 德国无缝道岔
• 2.1.2 法国无缝道岔结构
• 2.1.3 英国无缝道岔结构
• 2.2 我国无缝道岔结构特点
• 2.2.1 第一代提速道岔
• 2.2.2 第二代提速道岔
• 2.2.3 秦沈客专道岔
• 2.2.4 250km/h客专道岔
• 2.3 无缝道岔纵向阻力特点
• 2.3.1 纵向阻力模型
• 2.3.2 纵向阻力特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 桥上无缝道岔计算理论
• 3.1 桥上无缝道岔受力变形及相互作用关系
• 3.1.1 无缝道岔的受力变形特点
• 3.1.2 桥梁结构的受力变形特点
• 3.1.3 道岔—桥梁相互作用关系
• 3.2 岔-桥-墩一体化计算模型
• 3.2.1 模型中的假定
• 3.2.2 有砟轨道线桥墩一体化计算模型
• 3.2.3 无砟轨道线桥墩一体化计算模型
• 3.3 单元力及位移处理方法
• 3.3.1 钢轨单元温度力及位移
• 3.3.2 岔枕单元节点力
• 3.3.3 桥梁初始纵向位移
• 3.3.4 计算边界条件
• 3.4 非线性方程的组建与求解方法
• 3.4.1 非线性方程的组建方法
• 3.4.2 求解方法
• 3.5 计算理论的程序实现与验证
• 3.5.1 计算理论的程序实现
• 3.5.2 计算理论与其他理论或软件的校验
• 3.5.3 计算理论的试验验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 桥上无缝道岔纵向力特性及设计计算方法研究
• 4.1 主要计算参数
• 4.2 桥上无缝道岔纵向力计算分析
• 4.2.1 伸缩力
• 4.2.2 挠曲力
• 4.2.3 断轨力
• 4.2.4 制动力
• 4.3 桥上无缝道岔纵向力设计计算方法研究
• 4.3.1 国内外桥上无缝线路计算方法对比
• 4.3.2 桥上无缝道岔计算方法对比
• 4.4 桥上无缝道岔检算内容与检算方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 桥梁-道岔纵向相互作用规律研究
• 5.1 有砟轨道简支梁桥与道岔纵向相互作用规律
• 5.1.1 轨温的影响
• 5.1.2 梁温的影响
• 5.1.3 桥梁跨度的影响
• 5.1.4 支座布置的影响
• 5.1.5 桥墩刚度的影响
• 5.1.6 尖轨跟端传力部件的影响
• 5.1.7 纵向阻力参数的影响
• 5.1.8 分析结论
• 5.2 有砟轨道连续梁桥与道岔纵向相互作用规律
• 5.2.1 主要计算参数
• 5.2.2 桥上无缝道岔附加力计算分析
• 5.2.3 无缝道岔尖轨跟端传力部件的影响
• 5.2.4 不同纵向阻力参数的影响
• 5.2.5 不同连续梁支座布置的影响
• 5.2.6 桥墩刚度的影响
• 5.2.7 分析结论
• 5.3 桥上无缝道岔群
• 5.3.1 单渡线
• 5.3.2 两道岔异向顺接
• 5.3.3 两组渡线逆向对接（"八字"渡线）
• 5.3.4 其他道岔连接型式
• 5.3.5 小结
• 5.4 设有伸缩调节器的桥上无缝道岔
• 5.4.1 计算工况
• 5.4.2 岔前设置伸缩调节器
• 5.4.3 岔后设置伸缩调节器
• 5.4.4 小结
• 5.5 无砟轨道桥上无缝道岔
• 5.5.1 桥上无砟道岔结构形式
• 5.5.2 "门"型钢筋结构
• 5.5.3 凸台板结构
• 5.5.4 分析结论
• 5.6 道岔与桥梁的合理布置
• 5.6.1 道岔与梁缝间距的合理限值
• 5.6.2 道岔与桥梁的推荐布置型式
• 5.7 本章小结
• 第6章 桥上无缝道岔的实验研究
• 6.1 测点概况
• 6.2 测试内容及测试方法
• 6.2.1 道岔温度力测试
• 6.2.2 道床阻力测试方法
• 6.2.3 道岔位移测试
• 6.2.4 钢轨和桥梁温度测试
• 6.3 测试数据结果分析
• 6.3.1 道床阻力
• 6.3.2 道岔温度力
• 6.3.3 道岔中各部件的伸缩位移
• 6.3.4 梁端温度位移测试结果
• 6.3.5 测试小结
• 6.4 梁—轨纵向相对位移
• 6.4.1 测试结果
• 6.4.2 列车对道岔纵向位移的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结
• 7.1 本文完成的工作与结论
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 需要进一步探讨的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 参加的科研项目