高速鐵路無砟軌道結構傷損行為及其對動態(tài)性能的影響.pdf

1、由于高速鐵路無砟軌道結構組成材料的多樣性、運營環(huán)境和列車動荷載的復雜性，其結構損傷失效機理及其對軌道結構動態(tài)性能的影響機制非常復雜，而國內(nèi)在此研究領域尚處于起步階段，理論研究較少，因此探尋高速鐵路無砟軌道結構損傷開裂機制與行為，揭示其對無砟軌道結構動態(tài)性能的影響規(guī)律與損傷控制限值，對完善我國高速鐵路無砟軌道結構設計理論與養(yǎng)護維修技術，健全高速鐵路運營安全保障體系意義重大。本論文在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“高速鐵路基礎結

2、構動態(tài)性能演變及服役安全基礎研究(2013CB036200)”、“國家留學委員會基金”和“西南交通大學優(yōu)秀博士論文培育項目”等基金項目的資助下，針對高速鐵路無砟軌道結構損傷開裂行為及其對動態(tài)性能的影響與控制限值，開展了如下研究工作:
　　1.詳細論述了國內(nèi)外對高速鐵路無砟軌道主要結構部件的損傷失效行為、無砟軌道結構動態(tài)服役性能等問題的研究現(xiàn)狀，明確了本文研究的方向和內(nèi)容。
　　2.建立了用于輪軌動力分析的扣件系統(tǒng)非線性動力學

3、模型，它由彈性單元、分數(shù)導數(shù)粘彈性單元、非線性摩擦單元并聯(lián)而成，能很好地反映扣件系統(tǒng)的頻率和幅值依賴性特征;同時，通過扣件靜剛度試驗確定了扣件非線性動力學模型的相關參數(shù)。
　　3.借助有限元軟件二次開發(fā)語言建立了用于輪軌動力分析的高速鐵路無砟軌道動力學模型，不但可以靈活地建立各類含損傷開裂等復雜的無砟軌道模型，同時還保證了無砟軌道動力計算結果的可靠性。
　　4.基于車輛-軌道耦合動力學理論，建立了考慮扣件非線性和軌道結構損傷

4、開裂行為的高速車輛-無砟軌道動力相互作用分析模型，編制了CVTDYNA仿真軟件，并與SIMPACK計算結果及哈大高速客運專線現(xiàn)場試驗結果進行了對比驗證。
　　5.詳細討論了扣件軌下膠墊依賴于載荷頻率與幅值的非線性行為及其對輪軌系統(tǒng)振動特性的影響;基于非線性接觸理論建立扣件彈條動力分析有限元模型，分析了彈條在鋼軌有無波磨下的非線性振動特性及其與現(xiàn)場實測結果的對比，并研究了扣件的服役狀態(tài)控制限值。結果表明:扣件剛度隨著軌下膠墊位移幅值

5、的增大而減小，隨著頻率的增大而增大;與傳統(tǒng)扣件線性模型相比，采用扣件非線性模型計算得到的中低頻輪軌力偏大，在研究預測車輛動荷載下軌下基礎結構損傷失效行為時，計算結果將會更為安全;在列車動荷載下，鋼軌出現(xiàn)波磨后的扣件彈條振動加速度可增大10倍;Vossloh扣件靜剛度超過其設計值的30％時，建議及時進行維護。
　　6.基于線彈性斷裂力學理論，采用擴展有限元方法(XFEM)建立了無砟軌道結構裂紋動態(tài)行為模型，分析了車輛動荷載下板式軌道

6、支承層橫向貫通裂紋尖端應力強度因子的動態(tài)變化特性及統(tǒng)計特性，并探明了路基彈性模量、支承層裂紋長度、裂紋角度和摩擦系數(shù)對裂尖動態(tài)應力強度因子的影響。結果表明:在車輛動荷載下，支承層橫向貫通裂紋出現(xiàn)以張開型模式為主、滑開型和撕開型并存的復合型受力模式，且三種應力強度因子大小均服從正態(tài)分布;路基彈性模量的降低、裂紋長度的增大和裂紋開裂角度的減小可導致裂紋擴展速率的增大，從而加速結構的失效破壞。裂紋在一次列車動荷載作用下不會發(fā)生失穩(wěn)擴展，但應注

7、意其疲勞擴展導致支承層的斷裂破壞。
　　7.建立了考慮載荷作用下應變率變化效應的CA砂漿充填層的統(tǒng)計損傷本構模型，并通過試驗驗證了模型的合理性與正確性;將本構模型作為用戶材料子程序UMAT嵌入有限元軟件ABAQUS中，研究了車輛動荷載作用下無砟軌道CA砂漿層在不同服役狀態(tài)下的損傷發(fā)展及動態(tài)性能的演變。結果表明: CA砂漿統(tǒng)計損傷本構模型能很好地描述由損傷發(fā)展導致的應變軟化非線性特性;在車輛動荷載作用下，CA砂漿充填層表現(xiàn)出較強的率

8、敏感性，應變率的增大會導致?lián)p傷發(fā)展速率的減小及動態(tài)強度的增大;CA砂漿層在較大的服役損傷狀態(tài)下，雖然較大的應變率在一定程度上抑制了損傷的發(fā)展，但由于此時的強度較小，車輛動荷載仍可引起相對較大的損傷增量，且隨著服役損傷的增大而非線性增大;CA砂漿層的動態(tài)壓應變均隨著服役狀態(tài)的惡化而非線性增大，其動態(tài)壓應力隨著服役狀態(tài)的惡化而非線性減小，但其作用范圍在逐漸擴大。
　　8.引入混凝土彈塑性損傷模型和內(nèi)聚力理論模型來描述雙塊式道床板損傷力

9、學行為及板式軌道層間粘結損傷開裂行為，研究了溫度與車輛動荷載共同作用下道床板及板式軌道層間損傷特性與開裂行為，同時分析了結構損傷對動態(tài)性能的影響。結果表明:道床板在降溫過程中產(chǎn)生損傷，受拉承載力下降，板式軌道兩側界面均出現(xiàn)損傷發(fā)展直至開裂現(xiàn)象;在升溫過程中，道床板微裂紋由張開轉向閉合狀態(tài)，剛度出現(xiàn)恢復現(xiàn)象，但是損傷大小不變;車輛動荷載引起的切應力增大導致了板式軌道層間損傷的發(fā)展，而道床板損傷沒有增加;道床板損傷可引起道床板位移和加速度幅

10、值、支承層與基床表面動應力幅值的增大，板式軌道層間損傷可引起軌道結構整體性的明顯下降，導致軌道板垂向振動位移和振動加速度明顯增大、無砟軌道結構的動態(tài)服役性能惡化。
　　9.針對板式無砟軌道最典型的砂漿充填層離縫或脫空損傷問題，考慮砂漿層脫空形式和主要結構力學參數(shù)的隨機性，結合響應面法和砂漿層脫空時輪軌動力學計算獲得了系統(tǒng)動力學響應與各輸入隨機變量的響應面函數(shù)關系式。以砂漿層脫空影響較為明顯的輪重減載率、軌道板位移和加速度、砂漿層動