溫度荷載對(duì)CRTSI型板式軌道CA砂漿充填層影響規(guī)律研究.pdf

1、CRTSⅠ型板式軌道是我國高速鐵路主要采用的結(jié)構(gòu)形式之一，實(shí)現(xiàn)了高速列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。由于CRTSⅠ型板式軌道的“層合板”結(jié)構(gòu)特征，在列車荷載、溫度荷載及其他環(huán)境因素的影響下，軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)難免出現(xiàn)各種各樣的傷損，其中，CA砂漿充填層傷損最為突出，出現(xiàn)了脫粘、離縫、開裂、掉塊等病害。CA砂漿作為填充于軌道板與底座板之間的關(guān)鍵功能材料，起著支承、調(diào)整、減振、隔振和阻斷裂紋的作用，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到CRTSⅠ型板式軌道整體

2、結(jié)構(gòu)的耐久性和列車運(yùn)行的安全性。目前，國內(nèi)外關(guān)于溫度荷載對(duì)CRTSⅠ型板式軌道CA砂漿充填層的影響規(guī)律還缺乏系統(tǒng)研究。本文在對(duì)CA砂漿病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析、總結(jié)和吸收現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)、溫變條件下不同劣化形式CA砂漿的變形特性和溫變、水溫耦合、酸雨條件下CA砂漿力學(xué)性能以及CA砂漿物相組成與微觀結(jié)構(gòu)四個(gè)方面，開展了溫度荷載對(duì)CA砂漿充填層的影響規(guī)律研究。主要研究工作及所取得的成果如下:
　

3、　1.建立了無砟軌道結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)分析的邊界條件
　　概括了無砟軌道結(jié)構(gòu)日照溫度分布和溫度應(yīng)力的基本特點(diǎn)，給出了進(jìn)行無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究采用的基本假定以及熱傳導(dǎo)基本微分方程和定解條件。根據(jù)太陽物理學(xué)、普通天文學(xué)以及傳熱學(xué)的有關(guān)理論，描述了無砟軌道結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境進(jìn)行熱量傳遞的機(jī)理，建立了無砟軌道結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)分析的邊界條件。
　　2.建立了無砟軌道結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)分析的三維實(shí)體熱結(jié)構(gòu)耦合模型，開展了CRTSⅠ型板式軌道

4、溫度場(chǎng)研究
　　結(jié)合CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)特征，采用有限元法建立了進(jìn)行無砟軌道結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)分析的三維實(shí)體熱結(jié)構(gòu)耦合模型，并驗(yàn)證了模型的正確性。計(jì)算分析了CRTSⅠ型板式軌道溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)，并對(duì)各影響因素進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:(1)軌道結(jié)構(gòu)溫度較氣溫變化滯后，沿深度呈非線性變化，并且深度越大滯后越嚴(yán)重;軌道結(jié)構(gòu)溫度沿橫向呈非線性變化，軌道結(jié)構(gòu)四周溫度變化最為劇烈。(2)太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、日溫差、材料熱力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸均

5、對(duì)溫度場(chǎng)分布有一定的影響，太陽輻射強(qiáng)度影響最為顯著，軌道結(jié)構(gòu)溫度隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加而線性升高，軌道板表面溫度升高幅度最大，隨著深度的增加，溫度升高幅度減小，各結(jié)構(gòu)層溫差變大。
　　3.研究了CA砂漿充填層日照溫度場(chǎng)及溫度荷載分布特點(diǎn)
　　利用所建立的CRTSⅠ型板式軌道三維實(shí)體熱結(jié)構(gòu)耦合模型，計(jì)算分析了CA砂漿充填層溫度場(chǎng)及溫度荷載分布特點(diǎn)。研究結(jié)果表明:(1)CA砂漿充填層溫度沿橫向呈非線性變化，在板邊0.2m范圍內(nèi)形

6、成很大的橫向溫度梯度。(2)板角處層間應(yīng)力最大，這是CA砂漿充填層從板角及板邊處開始脫粘離縫的原因之一;隨著CA砂漿彈性模量的增加，層間應(yīng)力呈線性顯著增加。(3)CRTSⅠ型板式軌道CA砂漿充填層在服役期間的溫度變化范圍為-40℃～60℃。(4)軌道板與CA砂漿層脫粘后，翹曲變形增大，列車荷載與溫度荷載的共同作用將加劇CA砂漿充填層的疲勞破壞。
　　4.研究了溫變條件下不同劣化形式CA砂漿的蠕變及重復(fù)加卸載變形特性
　　以單

7、軸靜載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了不同劣化形式的CA砂漿在溫變條件下的蠕變及重復(fù)加卸載變形特性。研究結(jié)果表明:(1)CA砂漿具有明顯粘彈性特征，采用Burgers模型可以較好地?cái)M合CA砂漿在不同溫度條件下的蠕變?nèi)崃壳€。(2)隨著試驗(yàn)溫度的升高，瞬時(shí)彈性變形量增加，加載階段CA砂漿的粘性流動(dòng)變形增加，蠕變曲線斜率也增大;CA砂漿的蠕變累積變形主要與瀝青的老化、流失以及水的軟化作用有關(guān)，隨著試驗(yàn)溫度的的升高而增大;CA砂漿試件的蠕變勁度模量隨著試驗(yàn)

8、溫度的升高而降低。(3)CA砂漿抗壓強(qiáng)度隨著重復(fù)加卸載應(yīng)變?cè)隽康脑黾佣€性減小;在不同試驗(yàn)溫度和應(yīng)變?cè)隽壳闆r下，公共點(diǎn)應(yīng)變和殘余塑性應(yīng)變均隨開始卸載點(diǎn)應(yīng)變的增加而線性增大。(4)CA砂漿的蠕變特性以及重復(fù)加卸載作用時(shí)的變形特性是CA砂漿充填層被擠出以及與軌道板脫粘、離縫的重要原因。
　　5.研究了溫變、水溫耦合及酸雨對(duì)CA砂漿力學(xué)性能的影響
　　以單軸靜載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了溫變、水溫耦合及酸雨對(duì)CA砂漿力學(xué)性能的影響。研究結(jié)

9、果表明:(1)CA砂漿單軸受壓呈現(xiàn)柔性破壞，試件表面布滿裂紋，但是試件最后保持完整。(2)各組CA砂漿試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，溫度、瀝青的老化、酸雨侵蝕、水的軟化和列車荷載作用對(duì)CA砂漿應(yīng)力應(yīng)變曲線均有較大影響。(3)CA砂漿試件的彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的升高均有明顯減小的趨勢(shì)，且與試驗(yàn)溫度之間均近似滿足Doseresp函數(shù)關(guān)系;不同試驗(yàn)溫度下各組CA砂漿試件的抗壓強(qiáng)度與彈性模量基本呈線性關(guān)系。(4)CA砂漿損傷應(yīng)力檻值隨著

10、試驗(yàn)溫度的升高而降低。(5)水溫耦合作用使CA砂漿力學(xué)性能顯著下降。(6)酸雨長(zhǎng)期作用使CA砂漿發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕及生物破壞。
　　6.通過XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等試驗(yàn)手段分析了不同劣化形式CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成
　　通過XRD、TG-DTA、FTIR、SEM、EDS等試驗(yàn)手段，研究了環(huán)境侵蝕和荷載作用對(duì)CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)和物相組成的影響。研究結(jié)果表明:(1)運(yùn)營環(huán)境下CA砂漿性能的劣化與鈣礬石侵