板式無砟軌道結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定和少維修的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高速鐵路和客運(yùn)專線。隨著列車提速及高速鐵路建設(shè)需要，我國的無砟軌道在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)理念的基礎(chǔ)上，通過快速消化吸收和再創(chuàng)新，并經(jīng)大量的試驗(yàn)段研究及工程建設(shè)實(shí)踐積累了豐富的設(shè)計(jì)、建造經(jīng)驗(yàn)，逐漸形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無砟軌道技術(shù)和相對系統(tǒng)的無砟軌道設(shè)計(jì)理論體系，為無砟軌道的廣泛應(yīng)用作出了較大貢獻(xiàn)。然而，由于日常服役中無砟軌道結(jié)構(gòu)面臨的列車荷載、結(jié)構(gòu)及自然環(huán)境等參數(shù)存在明顯的隨機(jī)特性，現(xiàn)

2、有設(shè)計(jì)理論與方法難以完全反映和體現(xiàn)無砟軌道結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)需求，也無法對長期服役條件下的無砟軌道結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。本文通過引入可靠性理論，建立考慮荷載、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等參數(shù)隨機(jī)特性的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析模型，用于分析長期服役條件下的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)疲勞可靠性。本文的研究工作促進(jìn)了可靠性理論與方法在板式無砟軌道結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)或疲勞性能分析中的應(yīng)用，具有較高的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本論文主要開展了如下研究工作:
　　(

3、1)在廣泛收集國內(nèi)外研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合無砟軌道結(jié)構(gòu)在長期服役條件下面臨的現(xiàn)實(shí)問題，建立描述無砟軌道結(jié)構(gòu)服役中面臨的荷載、結(jié)構(gòu)和自然環(huán)境等參數(shù)隨機(jī)特性的數(shù)學(xué)模型。利用ABQUAS軟件建立的車輛-軌道-地基耦合系統(tǒng)動(dòng)力仿真模型，分析了軌道高低不平順激勵(lì)下作用于板式無砟軌道結(jié)構(gòu)上的列車荷載分布特征及其參數(shù)取值，提出引入蒙特卡羅法(Monte Carlo)來模擬產(chǎn)生板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中荷載、結(jié)構(gòu)等隨機(jī)參數(shù)變量樣本。
　　(2)對彈性地基

4、疊合梁模型解析解法計(jì)算板式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫向彎矩的不足進(jìn)行修正，提出了利用修正后的彈性地基疊合梁模型解析解分析隨機(jī)參數(shù)下板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和底座板等主體承載結(jié)構(gòu)的列車荷載效應(yīng)（彎矩）分布特征的方法。考慮列車輪載、扣件剛度及地基系數(shù)等主要參數(shù)的隨機(jī)特性，采用蒙特卡羅法(Monte Carlo)模擬產(chǎn)生這幾種隨機(jī)參數(shù)變量樣本，結(jié)合修正后的彈性地基雙層疊合梁模型解析解分析確定了這幾種隨機(jī)參數(shù)下的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和底座板的常用列車荷

5、載效應(yīng)（彎矩）的分布特征和分布參數(shù)。
　　(3)根據(jù)固體傳熱理論建立和求解得到板式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場方程，利用城市歷史氣象資料和溫度場方程計(jì)算得到代表城市所在地板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中標(biāo)準(zhǔn)厚度軌道板和底座板溫度梯度作用（日最值和常用值）和軸向均勻溫度作用（包含日均值、日幅值、日最值和常用值）的多年歷程，通過統(tǒng)計(jì)分析確定了不同城市所在地板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中這幾種溫度作用的分布特征和分布參數(shù)?；跍囟茸饔酶怕誓Ｐ图胺植继卣鳎岢隽舜_定具有不同

6、概率需求的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度作用日最值代表值的計(jì)算方法，結(jié)合無砟軌道結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)規(guī)范要求，提出了部分地區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度作用和軸向均勻溫度作用日最值的建議值。
　　(4)考慮板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和底座板可能發(fā)生的損傷形式和板的結(jié)構(gòu)特征，分析確定了軌道板和底座板主要的潛在疲勞失效模式，并提出了各種疲勞失效模式的表征指標(biāo)。根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中材料的疲勞性能，建立了一般條件下（不考慮環(huán)境作用）軌道板和底座板各種疲勞失效模式對

7、應(yīng)的疲勞可靠性分析模型及極限狀態(tài)方程。在材料疲勞性能常數(shù)中引入環(huán)境作用衰減函數(shù)φ(t)，以考慮大氣環(huán)境碳化作用、寒冷地區(qū)凍融環(huán)境凍融循環(huán)作用的影響。通過試驗(yàn)研究和理論分析，建立考慮環(huán)境作用的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和底座板各種疲勞失效模式對應(yīng)的疲勞可靠性分析模型及極限狀態(tài)方程。
　　(5)利用本文建立的一般條件下和環(huán)境作用條件下板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和底座板各種疲勞失效模式對應(yīng)的可靠性分析模型和極限狀態(tài)方程，對現(xiàn)有的CRTS-Ⅱ