The thermal buckling analysis of curved continuous welded rail (CWR) is studied for the lateral buckling prevention. This study includes a thermal buckling theory which accounts for both thermal and vehicle loading effects in the evaluation of track stability. The parameters include rail size, track lateral resistance, track longitudinal and torsional stiffnesses, initial misalignment amplitude and wavelength, track curvature, tie-ballast friction coefficient and truck center spacing. Parametric studies are performed to evaluate the effects of the individual parameters on the upper and lower critical buckling temperatures. The results show that the upper critical buckling temperature is highly affected by the uplift due to vehicle loads. This study provides a guideline for the improvement of stability for dynamic buckling in curved CWR track.
Considerable longitudinal rail forces and displacements may develop in continuous welded rail (CWR) track on long-span bridges due to temperature variations. The track stability may be disturbed due to excessive relative displacements between the sleepers and ballast bed and the accompanied reduction in frictional resistance. For high-speed tracks, however, solving these problems by installing rail expansion devices in the track is not an attractive solution as these devices may cause a local disturbance of the vertical track stiffness and track geometry which will require intensive maintenance. With reference to temperature, two actions are considered by the bridge loading standards, the uniform variation in the rail and deck temperature and the temperature gradient in deck. Generally, the effect of temperature gradient has been disregarded in the interaction analysis. This paper mainly deals with the effect of temperature gradient on the track-bridge interaction with respect to the support reaction, rail stresses and stability. The study presented in this paper was not mentioned in the related codes so far.
The track and bridge interaction should be considered for the safety check of railway bridge design as the longitudinal forces transmitted to rail and bridge are changed by longitudinal stiffness of bridge system. The longitudinal stiffness of bridge structures is determined by the magnitude of the ballast resistance, the expansion length of superstructure, and longitudinal stiffness of substructure including pier and foundations. In this study, the main factors affect on the longitudinal rail forces are discussed and the computational parametric analysis of rail forces considering rail-bridge interactions. And the required range of stiffness of sub-structures and span length for the assurance of safety of CWR(continuous welded rail) track is suggested.
In case of the continuous welded rail(CWR) track is supported by the railway bridge, the additional axial force is occurred in the CWR due to the track-bridge interaction. In the various design codes such as Korean code, European code, UIC code, etc, three important loads(temperature variation in the bridge-deck, braking/acceleration and the bending of the bridge-deck resulted from the passing train) are treated as the independent loading case. In other words, the additional axial force can be obtained by summing up the three different values calculated by the three independent analysis. However, this analysing method may have an error because the behavior of the longitudinal resistance between the rail and the bridge-deck is under the highly nonlinear. Therefore, in order to exactly analyse the track-bridge interaction, nonlinear loading history and the change of the longitudinal resistance owing to the loading history must be considered in the analysis process. In this study, the loading history effect on the track-bridge interaction is investigated considering the resonable combination of three loads and the longitudinal resistance change.
Precast concrete slab track is a track structure to be installed by transporting and assembling precast concrete slabs manufactured at the factory. This method can improve concrete quality, provide easy maintenance and reduce construction time, compared with in-situ concrete track. However, the concrete slabs being continuously connected in longitudinal direction, due to the temperature change between summer and winter, the openings at slab joints have occurred. Thus, in this study, to identify the cause of this opening of slab joint, the joint opening caused by temperature drop in the longitudinally continuous precast concrete slab track has been predicted using three-dimensional finite element analysis, and compared with field measurements. Based on the proven model, the slab joint opening, and the stress pattern of concrete slab and steel reinforcement according to concrete slab-base friction properties, concrete-reinforcement bond properties, and prestressing were analyzed.
As a new type of ballastless track, longitudinal continuous slab track (CST) has been widely used in China. It can partly isolate the interaction between the ballastless track and the bridge and thus the rail expansion device would be unnecessary. Compared with the traditional track, CST is composed of multi layers of continuous structures and various connecting components. In order to investigate the performance of CST on a long-span bridge, the spatial finite element model considering each layer of the CST structure, connecting components, bridge, and subgrade is established and verified according to the theory of beam-rail interaction. The nonlinear resistance of materials between multilayer track structures is measured by experiments, while the temperature gradients of the bridge and CST are based on the long-term measured data. This study compares the force distribution rules of ballasted track and CST as respectively applied to a long span bridge. The effects of different damage conditions on CST structures are also discussed. The results show that the additional rail stress is small and the CST structure has a high safety factor under the measured temperature load. The rail expansion device can be cancelled when CST is adopted on the long span bridge. Beam end rotation caused by temperature gradient and vertical load will have a significant effect on the rail stress of CST. The additional flexure stress should be considered with the additional expansion stress simultaneously when the rail stress of CST requires to be checked. Both the maximum sliding friction coefficient of sliding layer and cracking condition of concrete plate should be considered to decide the arrangement of connecting components and the ultimate expansion span of the bridge when adopting CST.
장대레일 궤도가 철도교량 상에 위치하는 경우, 교량과 궤도의 상호작용에 의해 레일에 발생하는 축력분포가 복잡해지며 부가축력이 발생하여 토노반상 장대레일에 비해 큰 축력이 레일에 발생된다. 이로 인해 교량상에 부설되는 궤도는 교량과의 상호작용 영향을 최소화하여 궤도와 주행열차의 안전성을 추가로 확보하여야 한다. 국내 철도설계지침 및 편람 KRC-08080(궤도-교량 종방향 상호작용 해석)에서는 상호작용의 주요 변수인 레일체결장치의 종방향 저항(마찰거동) 물성치가 유럽기준을 적용하여 특정 수치로 규정되어 있으나, 국내 철도에 적용하기 위해서는 실제 사용되는 체결장치의 성능 특성을 반영한 검토가 필요하다. 본 논문에서는 국내 교량상 콘크리트 궤도에 적용되는 레일체결장치의 마찰거동 실험을 수행하였으며, 이로부터 체결장치의 물성치에 대한 통계적 특성을 분석하였다.
The crucial differences between conventional rail with split-type connectors and continuous welded rails are axial stress in the longitudinal direction and stability, as well as other issues generated under the influence of loading effects. Longitudinal stresses generated in continuously welded rails on railway bridges are strongly influenced by the nonlinear behavior of the supporting system comprising sleepers and ballasts. Thus, the track structure interaction cannot be neglected. The rail-support system mentioned above has properties of non-uniform material distribution and uncertainty of construction quality. The linear elastic hypothesis therefore cannot correctly evaluate the stress distribution within the rails. The aim of this study is to apply the nonlinear finite element method using the nonlinear coupling interface between the track and structural model and to illustrate the welded rail behavior under the loading effect and uncertain factors of the ballast. Numerical results of nonlinear finite analysis with a three-dimensional solid and frame element model are presented for a typical track-bridge system. A composite plate girder, modeled by solid and shell elements, is also analyzed to consider the behavior of the welded rail. The analysis result showed buckling under the independent calculations of load cases, including 'temperature change', 'bending of the supporting structure', and 'braking' of the railway vehicle. A parametric study of the load combination method and the loading sequence is also included in this analysis.
In this study, three dimensional FE analysis of concrete slab track has been performed in order to develop the realistic design of precast concrete slab track. The precast slab track system including the precast concrete slab panel and the grout layer is modeled using the three dimensional solid element with crack softening effect. The input load is computed from the one dimensional beam element model constituting the rail and several discrete springs. To investigate the effect of the longitudinal connection of slab panels, two different systems-continuous and discrete systems - are modeled. The analytical results show that the stresses of both the slab panel and the grout layer are in the range of linear elastic, and, at the interface between two adjacent panels, the primary stresses of the grout layer of the discrete system are higher than those of the continuous system. However, The overall stress levels of the grout layer are very low relative to the strength of th grout.
혹서기에 레일의 높은 온도 상승(최대 $60^{\circ}C$)으로 인해 장대레일 궤도에는 매우 큰 압축력이 작용하게 된다. 이러한 압축력은 장대레일 궤도의 좌굴을 발생시키기도 한다. 본 연구에서는 장대레일 궤도의 좌굴에 영향을 미치는 많은 요소들 중에서 도상 횡저항력 그리고 도상 종저항력이 궤도 좌굴에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 또한 줄틀림과 궤간틀림의 민감도를 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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