CRTSⅡ型板式軌道層間損傷及其影響研究.pdf

1、CRTSⅡ型板式軌道是目前我國高速鐵路主要采用的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一。運(yùn)營實(shí)踐表明，高速列車在鋪設(shè)CRTSⅡ型板式軌道系統(tǒng)的線路上運(yùn)行時(shí)，其列車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性以及旅客的舒適性都比較優(yōu)良。但是，在列車動(dòng)荷載、溫度及其他環(huán)境因素的影響下，軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各部件本身以及部件之間的連接不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種各樣的損傷，其中，CA砂漿與軌道板或底座板（支承層）之間的界面損傷脫粘開裂屬于典型的層間損傷問題，它是目前CRTSⅡ型板式軌道最為突出的病害之

2、一。層間損傷改變了軌道結(jié)構(gòu)的承力和傳力路徑，可能對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)的承載能力、功能性以及長(zhǎng)期服役耐久性問題造成一定的影響。目前，國內(nèi)外針對(duì)CRTSⅡ型板式軌道層間損傷及其影響還缺乏系統(tǒng)研究。本文在總結(jié)和吸取現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從損傷角度出發(fā)，結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將內(nèi)聚力理論和混凝土損傷塑性模型引入相關(guān)計(jì)算模型中，開展了層間損傷機(jī)理及其損傷后對(duì)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性以及行車安全性影響的研究。
　　主要研究工作及所取得的成

3、果如下:
　　1.在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出了CRTSⅡ型板式軌道早期病害基本特性及層間損傷特點(diǎn)。
　　通過在建和運(yùn)營線路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)出了我國CRTSⅡ型板式軌道早期病害的主要形式和基本特性。參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其主要病害概括為兩類損傷，即結(jié)構(gòu)層層內(nèi)損傷和層間損傷，并對(duì)層間損傷的特點(diǎn)及形成原因進(jìn)行了初步分析，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)資料。
　　2.采用有限元方法建立了層內(nèi)與層間

4、耦合損傷非線性有限元分析模型與方法。
　　結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道結(jié)構(gòu)特征和層間損傷特點(diǎn)，采用非線性有限元方法建立了考慮層內(nèi)與層間損傷耦合影響的分離式有限元模型，模型中分別采用混凝土損傷塑性模型和內(nèi)聚力理論模型模擬層內(nèi)和層間損傷演化，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和仿真計(jì)算確定了層間損傷參數(shù)。借助大型商用軟件ABAQUS平臺(tái)，系統(tǒng)地闡述了模型的實(shí)現(xiàn)和分析方法，基于Python語言編制了相應(yīng)的計(jì)算程序DABT-S。用所編制的程序進(jìn)行數(shù)值算例分析及相

5、應(yīng)結(jié)果討論，驗(yàn)證了非線性有限元計(jì)算模型、方法以及程序的正確性，為后續(xù)層間損傷機(jī)理分析及其影響研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　3.基于層內(nèi)與層間耦合損傷計(jì)算分析模型和層間損傷演化分析方法，開展了溫度荷載作用下的層間損傷分析。
　　計(jì)算分析了軌道板縱連前、縱連過程中以及鋪軌后三個(gè)不同成型階段的層間損傷產(chǎn)生和演化行為，并探討了其對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。研究成果表明:(1)軌道板縱連前，溫度梯度荷載作用下層間相互作用強(qiáng)，過大的層間應(yīng)力

6、或者不足的層間界面強(qiáng)度和韌性，將會(huì)導(dǎo)致Ⅰ型和Ⅱ型復(fù)合型損傷的發(fā)生，施工處理不當(dāng)還可能會(huì)加速損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。正溫度梯度作用下，軌道板下表面在層間完全脫粘損傷擴(kuò)展演化過程中受力十分不利，尤其是損傷區(qū)域前端;(2)軌道板縱連過程中，寬窄接縫澆筑前各工序間停滯時(shí)間較長(zhǎng)可能遭受整體溫度荷載變化而發(fā)生層間損傷，寬窄接縫澆筑后，層內(nèi)無缺陷時(shí)層間一般情況下不發(fā)生損傷;(3)運(yùn)營階段，由于層間強(qiáng)度不足、預(yù)裂縫開裂間距較大、寬窄接縫位置連接不足等，在負(fù)溫

7、度荷載作用下可能會(huì)發(fā)生層間損傷;升溫荷載作用下，層間強(qiáng)度不足、寬窄接縫偏心缺陷是層間發(fā)生損傷的主要原因，尤其是后者還會(huì)引起軌道板發(fā)生較大的上拱變形、分層損傷以及扣件支點(diǎn)反力超限等;建議實(shí)際工程中應(yīng)保證窄接縫的彈性模量應(yīng)不小于10GPa。
　　4.基于層內(nèi)與層間耦合損傷計(jì)算分析模型和非線性屈曲分析方法，開展了考慮層間損傷演化的非線性屈曲分析。
　　針對(duì)由于構(gòu)造和缺陷引起的結(jié)構(gòu)剛度沿縱向非均勻性分布，計(jì)算分析了升溫荷載作用下，帶

8、層內(nèi)缺陷的CRTSⅡ型板式軌道在層內(nèi)和層間損傷耦合影響下的非線性屈曲特性，并探討了具層間脫粘損傷時(shí)多種缺陷對(duì)非線性屈曲特性的綜合影響。研究成果表明:(1)溫度壓力荷載作用下，軌道板伴隨層間脫粘損傷的發(fā)生而產(chǎn)生非線性屈曲，層內(nèi)無缺陷時(shí)后屈曲強(qiáng)度較大，而當(dāng)寬窄接縫存在偏心缺陷時(shí)，該位置軌道板層內(nèi)和板底層間損傷的相互耦合作用，逐漸擴(kuò)展演化，軌道結(jié)構(gòu)垂向抗彎剛度顯著降低，屈曲變形增加，層間產(chǎn)生離縫而改變了軌道結(jié)構(gòu)承力和傳力模式，而上拱變形致使扣

9、件支點(diǎn)反力分布發(fā)生變化，屈曲變形較大時(shí)上拱區(qū)域易超過設(shè)計(jì)扣壓力。(2)軌道板層內(nèi)偏心缺陷是引起軌道結(jié)構(gòu)層內(nèi)和層間損傷、軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形和受力惡化的主要原因，此外，初始脫粘損傷、層間粘結(jié)強(qiáng)度不足、軌道板初始損傷或缺陷、線路的初始不平順等也是影響非線性屈曲的重要因素，軌道結(jié)構(gòu)在多種因素作用下可能發(fā)生失穩(wěn)。(3)初步建議層間連續(xù)脫粘長(zhǎng)度不宜超過一個(gè)扣件間距即0.65m。
　　5.基于輪軌動(dòng)力學(xué)理論建立了考慮溫度和損傷影響的耦合振動(dòng)分

10、析模型，研究了層間損傷對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。
　　根據(jù)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，采用有限元方法建立了可同時(shí)考慮溫度和損傷影響的垂向耦合振動(dòng)分析模型，借助ABAQUS平臺(tái)，基于Fortran語言編制了輪軌界面相互作用子程序VIWR，基于Python語言編制了相應(yīng)的動(dòng)力分析程序DABT-V，通過算例分析討論并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型和程序的可靠性。應(yīng)用耦合振動(dòng)模型和程序，分析了層間損傷在列車荷載作用下的擴(kuò)展演化，并對(duì)層間脫粘損傷和上拱變

11、形等特征對(duì)輪軌系統(tǒng)非線性動(dòng)力特性的影響進(jìn)行了研究。研究成果表明:(1)列車荷載單獨(dú)作用下對(duì)層間損傷擴(kuò)展演化影響較小，而與溫度荷載共同作用下可能發(fā)生損傷演化，尤其在升溫荷載作用下。(2)當(dāng)層間發(fā)生脫粘損傷而未形成離縫時(shí)，對(duì)輪軌動(dòng)力特性影響較小，反之若已形成離縫則影響較大;(3)升溫荷載作用下寬窄接縫偏心缺陷引起的軌道結(jié)構(gòu)不平順，將導(dǎo)致列車通過時(shí)產(chǎn)生較大的二次沖擊，對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性影響不利，尤其是扣件支點(diǎn)受力，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)出現(xiàn)完全減載而