高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)傷損行為及其對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響.pdf

1、由于高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成材料的多樣性、運(yùn)營(yíng)環(huán)境和列車(chē)動(dòng)荷載的復(fù)雜性，其結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理及其對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響機(jī)制非常復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)在此研究領(lǐng)域尚處于起步階段，理論研究較少，因此探尋高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)損傷開(kāi)裂機(jī)制與行為，揭示其對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律與損傷控制限值，對(duì)完善我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，健全高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全保障體系意義重大。本論文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)

2、構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全基礎(chǔ)研究(2013CB036200)”、“國(guó)家留學(xué)委員會(huì)基金”和“西南交通大學(xué)優(yōu)秀博士論文培育項(xiàng)目”等基金項(xiàng)目的資助下，針對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)損傷開(kāi)裂行為及其對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響與控制限值，開(kāi)展了如下研究工作:
　　1.詳細(xì)論述了國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道主要結(jié)構(gòu)部件的損傷失效行為、無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)服役性能等問(wèn)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(dòng)力分析的扣件系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)

3、模型，它由彈性單元、分?jǐn)?shù)導(dǎo)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(shí)，通過(guò)扣件靜剛度試驗(yàn)確定了扣件非線性動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)。
　　3.借助有限元軟件二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言建立了用于輪軌動(dòng)力分析的高速鐵路無(wú)砟軌道動(dòng)力學(xué)模型，不但可以靈活地建立各類(lèi)含損傷開(kāi)裂等復(fù)雜的無(wú)砟軌道模型，同時(shí)還保證了無(wú)砟軌道動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的可靠性。
　　4.基于車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立了考慮扣件非線性和軌道結(jié)構(gòu)損傷

4、開(kāi)裂行為的高速車(chē)輛-無(wú)砟軌道動(dòng)力相互作用分析模型，編制了CVTDYNA仿真軟件，并與SIMPACK計(jì)算結(jié)果及哈大高速客運(yùn)專線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　5.詳細(xì)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(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響;基于非線性接觸理論建立扣件彈條動(dòng)力分析有限元模型，分析了彈條在鋼軌有無(wú)波磨下的非線性振動(dòng)特性及其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，并研究了扣件的服役狀態(tài)控制限值。結(jié)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(jì)算得到的中低頻輪軌力偏大，在研究預(yù)測(cè)車(chē)輛動(dòng)荷載下軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷失效行為時(shí)，計(jì)算結(jié)果將會(huì)更為安全;在列車(chē)動(dòng)荷載下，鋼軌出現(xiàn)波磨后的扣件彈條振動(dòng)加速度可增大10倍;Vossloh扣件靜剛度超過(guò)其設(shè)計(jì)值的30％時(shí)，建議及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。
　　6.基于線彈性斷裂力學(xué)理論，采用擴(kuò)展有限元方法(XFEM)建立了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)裂紋動(dòng)態(tài)行為模型，分析了車(chē)輛動(dòng)荷載下板式軌道

6、支承層橫向貫通裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的動(dòng)態(tài)變化特性及統(tǒng)計(jì)特性，并探明了路基彈性模量、支承層裂紋長(zhǎng)度、裂紋角度和摩擦系數(shù)對(duì)裂尖動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。結(jié)果表明:在車(chē)輛動(dòng)荷載下，支承層橫向貫通裂紋出現(xiàn)以張開(kāi)型模式為主、滑開(kāi)型和撕開(kāi)型并存的復(fù)合型受力模式，且三種應(yīng)力強(qiáng)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(zhǎng)度的增大和裂紋開(kāi)裂角度的減小可導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率的增大，從而加速結(jié)構(gòu)的失效破壞。裂紋在一次列車(chē)動(dòng)荷載作用下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，但應(yīng)注

7、意其疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致支承層的斷裂破壞。
　　7.建立了考慮載荷作用下應(yīng)變率變化效應(yīng)的CA砂漿充填層的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性與正確性;將本構(gòu)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(chē)輛動(dòng)荷載作用下無(wú)砟軌道CA砂漿層在不同服役狀態(tài)下的損傷發(fā)展及動(dòng)態(tài)性能的演變。結(jié)果表明: CA砂漿統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型能很好地描述由損傷發(fā)展導(dǎo)致的應(yīng)變軟化非線性特性;在車(chē)輛動(dòng)荷載作用下，CA砂漿充填層表現(xiàn)出較強(qiáng)的率

8、敏感性，應(yīng)變率的增大會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)展速率的減小及動(dòng)態(tài)強(qiáng)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(yīng)變率在一定程度上抑制了損傷的發(fā)展，但由于此時(shí)的強(qiáng)度較小，車(chē)輛動(dòng)荷載仍可引起相對(duì)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(dòng)態(tài)壓應(yīng)變均隨著服役狀態(tài)的惡化而非線性增大，其動(dòng)態(tài)壓應(yīng)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(kuò)大。
　　8.引入混凝土彈塑性損傷模型和內(nèi)聚力理論模型來(lái)描述雙塊式道床板損傷力

9、學(xué)行為及板式軌道層間粘結(jié)損傷開(kāi)裂行為，研究了溫度與車(chē)輛動(dòng)荷載共同作用下道床板及板式軌道層間損傷特性與開(kāi)裂行為，同時(shí)分析了結(jié)構(gòu)損傷對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響。結(jié)果表明:道床板在降溫過(guò)程中產(chǎn)生損傷，受拉承載力下降，板式軌道兩側(cè)界面均出現(xiàn)損傷發(fā)展直至開(kāi)裂現(xiàn)象;在升溫過(guò)程中，道床板微裂紋由張開(kāi)轉(zhuǎn)向閉合狀態(tài)，剛度出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象，但是損傷大小不變;車(chē)輛動(dòng)荷載引起的切應(yīng)力增大導(dǎo)致了板式軌道層間損傷的發(fā)展，而道床板損傷沒(méi)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(dòng)應(yīng)力幅值的增大，板式軌道層間損傷可引起軌道結(jié)構(gòu)整體性的明顯下降，導(dǎo)致軌道板垂向振動(dòng)位移和振動(dòng)加速度明顯增大、無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)服役性能惡化。
　　9.針對(duì)板式無(wú)砟軌道最典型的砂漿充填層離縫或脫空損傷問(wèn)題，考慮砂漿層脫空形式和主要結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的隨機(jī)性，結(jié)合響應(yīng)面法和砂漿層脫空時(shí)輪軌動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與各輸入隨機(jī)變量的響應(yīng)面函數(shù)關(guān)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(dòng)