This paper describes a study of the mapping relationship between the vertical deformation of bridge structures and rail deformation of high-speed railway, taking the interlayer interactions of the bridge subgrade CRTS II ballastless slab track system (HSRBST) into account. The differential equations and natural boundary conditions of the mapping relationship between the vertical deformation of bridge structures and rail deformation were deduced according to the principle of stationary potential energy. Then an analytical model for such relationship was proposed. Both the analytical method proposed in this paper and the finite element numerical method were used to calculate the rail deformations under three typical deformations of bridge structures and the evolution of rail geometry under these circumstances was analyzed. It was shown that numerical and analytical calculation results are well agreed with each other, demonstrating the effectiveness of the analytical model proposed in this paper. The mapping coefficient between bridge structure deformation and rail deformation showed a nonlinear increase with increasing amplitude of the bridge structure deformation. The rail deformation showed an obvious "following feature"; with the increase of bridge span and fastener stiffness, the curve of rail deformation became gentler, the track irregularity wavelength became longer, and the performance of the rail at following the bridge structure deformation was stronger.
Hongye Gou;Hairong Ren;Fei Hu;Qianhui Pu;Xuguang Wen;Yi Bao
Steel and Composite Structures
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v.52
no.4
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pp.435-450
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2024
The geometry change of railway tracks significantly influences the safety and ride comfort of high-speed trains. This paper presents an analytical method to map the thermal deformations of a long-span arch bridge to the geometry of CRTS Type I double-block ballastless tracks for high-speed railways. A mechanical model of the bridge-track coupled system was developed to derive analytical formulae of the deformations of the track. The analytical formulae explicitly consider the mechanical properties of the bridge-track coupled system and the temperature profile. A three-dimensional finite element model was established to evaluate the predictions obtained from the analytical formulae. The results show that the analytical formulae provide accurate predictions of the track deformations caused by the thermal deformations of bridges. This research will promote the design, evaluation, and operation of high-speed railway bridges for improved safety and ride comfort in engineering practices.
This paper presents an analytical model to analyze the mapping relationship between bridge lateral deformation and track geometry of high-speed railway. Based on the rail deformation mechanisms, the deformation of track slab and rail at the locations of fasteners are analyzed. Formulae of rail lateral deformation are derived and validated against a finite element model. Based on the analytical model, a rail deformation extension coefficient is presented, and effects of different lateral deformations on track geometry are evaluated. Parametric studies are conducted to evaluate the effects of the deformation amplitude, fastener stiffness and mortar layer stiffness on the rail deformation. The rail deformation increases with the deformation of the girder, and is dependent on the spacing of the fasteners, the elastic modulus of the rail's material, and the moment of inertia of the rail's section.
The Journal of the Convergence on Culture Technology
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v.8
no.4
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pp.407-413
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2022
In this study, the empirical formula for evaluating cable tension based on long-term measurement for about 3 years according to temperature change was proposed by proving the correlation between the expansion joint displacement of the upper road bridge and the cable tension of the lower railway bridge. The tension prediction results using the empirical formula for tension evaluation each cables proposed in this study were found to be in good agreement with the cable tension using the vibration method within 3%. Therefore, it was analyzed that it could be applied together with the vibration method that was an experimental technique, to predict and evaluate the cable tension in serviced railway steel composite bridge. As a result of applying the estimated temperature calculated by the empirical formula for expansion proposed in this study to the empirical formula, it was analyzed that a high level of reliability could be secured when compared with the vibration method. Therefore, it is judged that the empirical formula for cable tension evaluation reflecting the estimated temperature proposed in this study can be used to predict the tension of cables according to climate change in the future and establish a maintenance plan.
In order to develop a verification method for extremely low cycle fatigue (ELCF) of steel structures, the initiation mechanism of ductile cracks is investigated in the present study, which is the first step of brittle fracture, occurred in steel bridge piers with thick-walled sections. For this purpose, a total of six steel columns with small width-thickness ratios were tested under cyclic loading. It is found that ductile cracks occurred at the column base in all the specimens regardless of cyclic loading histories subjected. Moreover, strain history near the crack initiation location is illustrated and an index of energy dissipation amount is proposed to evaluate deformation capacity of structures.
The intensity of train load in the railway bridges is relatively large and continues to repeat. Also, the speed of vehicles is very fast. For these reasons, analyses for dynamic response under train load are necessary in the railway bridges. In other words, the dynamic characteristics of steel-composite bridges under train loads should be investigated considering effects of dynamic responses such as vibrations, repeated displacements and acceleration of bridge members. Therefore, in this study, static and dynamic analyses for the steel box girder bridges and I-girder bridges are carried out. Based on analyses results, we investigated and compared dynamic response considering the impact factors of domestic and foreign design specifications.
It has been applied using cranes or insertion methods to install heavy structures to strengthen existing railway bridges. These methods are uneconomical because of two reasons. The first one is it is required to construct approach roads for heavy equipment and/or working yard. The second one is the electric lines shall be cutoff during construction. Both require additional construction cost and duration. In this study, new transport equipment was developed which can be applied to heavy structures up to 100 ton. Using this method, the heavy structure can be loaded into the new transport equipment at working yard and transported to the working site. This method can be applied, but not limited to railway bridge or roadbed rehabilitation. It was found that the precious construction can be achieved to install heavy structure using this method. The experimental construction to make non-ballast girder bridge composite with new pc deck slab using this method was carried out for Jewon bridge. The example bridge is in extreme condition because it locates above national road #38 within extreme transition curve and has 10 ‰ slope and skew. The experimental construction results were satisfactory both for safety and construction precision.
The field around additional cutout of the floor beam web in orthotropic bridge deck was subjected to high stress concentration, especially the weld toe between floor beam and U shaped rib and the free edge of the additional cutout. Based on different considerations, different geometrical parameters of additional cutout were proposed in European, American and Japanese specifications, and there remained remarkable differences among them. In this study, considering influence of out-of-plane deformation of floor beam web and U shaped rib, parameter analysis for additional cutout under typical load cases was performed by fine finite element method. The influence of additional cutout shape and height to the stress distribution around the additional cutout were investigated and analyzed. Meanwhile, the static and fatigue test on this structure details was carried out. The stress distribution was consistent with the finite element analysis results. The fatigue property for additional cutout height of 95mm was slightly better than that of 61.5 mm.
Lai, Zhipeng;Jiang, Lizhong;Liu, Xiang;Zhang, Yuntai;Zhou, Tuo
Steel and Composite Structures
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v.44
no.4
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pp.473-488
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2022
A high-speed railway (HSR) bridge may undergo long-term deformation due to the degradation of material stiffness, or foundation settlement during its service cycle. In this study, an analytical model is set up to evaluate the influence of this long-term vertical bridge deformation on the track geometry. By analyzing the structural characteristics of the HSR track-bridge system, the energy variational principle is applied to build the energy functionals for major components of the track-bridge system. By further taking into account the interlayer's force balancing requirements, the mapping relationship between the deformation of the track and the one of the bridge is established. In order to consider the different behaviors of the interlayers in compression and tension, an iterative method is introduced to update the mapping relationship. As for the validation of the proposed mapping model, a finite element model is created to compare the numerical results with the analytical results, which show a good agreement. Thereafter, the effects of the interlayer's different properties of tension and compression on the mapping deformations are further evaluated and discussed.
This paper examines a high-speed railway CRTS-II ballastless track-bridge system. Using the stationary potential energy theory, the mapping analytical solution between the bridge deformation and the rail vertical geometric irregularity was derived. A theoretical model (TM) considering the nonlinear stiffness of interlayer components was also proposed. By comparing with finite element model results and the measured field data, the accuracy of the TM was verified. Based on the TM, the effect of bridge deformation amplitude, girder end cantilever length, and interlayer nonlinear stiffness (fastener, cement asphalt mortar layer (CA mortar layer), extruded sheet, etc.) on the rail vertical geometric irregularity were analyzed. Results show that the rail vertical deformation extremum increases with increasing bridge deformation amplitude. The girder end cantilever length has a certain influence on the rail vertical geometric irregularity. The fastener and CA mortar layer have basically the same influence on the rail deformation amplitude. The extruded sheet and shear groove influence the rail geometric irregularity significantly, and the influence is basically the same. The influence of the shear rebar and lateral block on the rail vertical geometric irregularity could be negligible.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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