振動荷載下無砟軌道耐久性特性與疲勞耐久性預(yù)測研究.pdf

1、無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定和少維修的特點成為高速鐵路上的主要軌道結(jié)構(gòu)型式，隨著我國客運專線的大量興建，無砟軌道得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。一般來講，無砟軌道具有較好的穩(wěn)定性和耐久性，建成后維護量遠(yuǎn)小于有砟軌道。但是，無砟軌道作為引導(dǎo)行車運行的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一直暴露于復(fù)雜的大氣環(huán)境中，并長期承受列車荷載的高強振動作用，隨著無砟軌道結(jié)構(gòu)使用時間的增加，環(huán)境因素及列車荷載的高頻疲勞作用均會加速軌道結(jié)構(gòu)的劣化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，影響列車運營的舒適性

2、及安全性。無砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性壽命影響著無砟軌道結(jié)構(gòu)是否能在其設(shè)計壽命周期內(nèi)保證列車安全運營的主要因素。由于無砟軌道結(jié)構(gòu)材料多樣性、環(huán)境復(fù)雜性及荷載重復(fù)性等特點，其使用壽命預(yù)測方法應(yīng)區(qū)別于普通混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測。
　　本文根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力特點及材料性能，考慮了耐久性影響因素，溫度梯度及列車荷載的耦合作用，對振動荷載作用下的無砟軌道耐久性特性進行了分析。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　(1)針對無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板材料

3、特性及其受力特性，進行了疲勞荷載作用下的無砟軌道氯離子滲透試驗。分析了不同應(yīng)力水平及加載頻率的彎曲荷載作用下，氯離子在混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律，根據(jù)氯離子擴散理論模型及遺傳算法原理，采用matlab編程軟件對試驗結(jié)果進行擬合，得到不同荷載作用下的混凝土試件表面氯離子濃度及氯離子表觀擴散系數(shù)。試驗結(jié)果表明:在彎曲疲勞荷載作用下，由于混凝土試件疲勞損傷不斷累積，混凝土試件內(nèi)總孔隙率增加，微裂縫不斷產(chǎn)生及擴張，孔隙結(jié)構(gòu)的連通性逐漸增加，氯離子在混

4、凝土內(nèi)的擴散速度顯著增加;當(dāng)加載頻率大于10Hz時疲勞荷載作用會加劇氯離子在混凝土表面的累積;隨著加載頻率的增加，氯離子表觀擴散系數(shù)隨之增加，僅當(dāng)加載頻率位于10～15Hz范圍時，氯離子表觀擴散系數(shù)變化較小;氯離子表觀擴散系數(shù)隨著應(yīng)力水平呈二項式曲線關(guān)系增長。
　　(2)以疲勞荷載作用下的混凝土內(nèi)部孔隙率的改變?yōu)轳詈蠀?shù)，同時考慮疲勞荷載加載頻率對氯離子擴散性能的影響，建立起疲勞荷載作用下的氯離子擴散理論模型，用以分析疲勞荷載作用

5、下混凝土內(nèi)氯離子的時變擴散性能。模型中引入動力效應(yīng)系數(shù)用以分析疲勞荷載的加載頻率的影響，同時根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果建立起與混凝土孔隙率相關(guān)的氯離子擴散系數(shù)表達(dá)式。其次通過計算疲勞荷載作用N次后混凝土孔隙率的變化得到氯離子擴散系數(shù)的改變。運用有限元軟件ABAQUS分別建立了第二章所述試驗的力學(xué)模型及氯離子擴散模型，分析了疲勞荷載作用對氯離子擴散性能的影響，并將其計算結(jié)果與試驗結(jié)果相對比，驗證了理論模型的正確性。
　　(3)基于min

6、er線性損傷累積理論，針對無砟軌道結(jié)構(gòu)特點、材料及受力特點，考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕、混凝土凍融、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失及水泥乳化瀝青砂漿的性能老化對軌道結(jié)構(gòu)材料性能及尺寸的改變;考慮列車荷載及溫度梯度的統(tǒng)計特征，以每一個車輪通過的間隔時間作為疲勞荷載的循環(huán)周期，根據(jù)各部件應(yīng)力水平及工作環(huán)境選取合理的疲勞方程，建立耐久性因素影響基礎(chǔ)上的列車荷載及溫度梯度耦合作用下的無砟軌道使用壽命預(yù)測方法。
　　(4)根據(jù)所建立的耐久性因素

7、影響基礎(chǔ)上的列車荷載及溫度梯度耦合作用下的無砟軌道使用壽命預(yù)測方法，針對北京地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道進行了疲勞耐久性壽命預(yù)測，得到軌道板、底座板及CA砂漿在不同使用期內(nèi)的可承受疲勞作用次數(shù)。研究結(jié)果表明:1）CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板滿足60年的設(shè)計使用壽命;若軌道板預(yù)應(yīng)力鋼筋每年損失20％預(yù)應(yīng)力時，軌道板在60年的設(shè)計壽命期內(nèi)將出現(xiàn)疲勞耐久性問題;故對于預(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂等可能導(dǎo)致軌道板預(yù)應(yīng)力全部損失的情況，基于軌道板在60年的設(shè)

8、計使用周期內(nèi)的疲勞耐久性考慮，建議及時修復(fù);2）使用60年時底座板所能承受的疲勞作用次數(shù)僅為60年內(nèi)總作用次數(shù)的4.6倍，其疲勞耐久性的安全余量較小，認(rèn)為底座板的疲勞耐久性能在60年的設(shè)計使用期內(nèi)可能出現(xiàn)問題;3）在考慮溫度梯度與列車動荷載共同作用影響下，軌道結(jié)構(gòu)混凝土碳化速度顯著加快，在60年設(shè)計壽命期內(nèi)軌道板碳化深度遠(yuǎn)小于其保護層厚度，底座板的碳化深度達(dá)到21.600mm，但仍小于其設(shè)計保護層厚度30mm;4）在考慮溫度梯度與列車動