基于斷裂和損傷力學(xué)的無砟軌道靜動(dòng)力特性研究.pdf

1、無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定和少維修等一系列優(yōu)點(diǎn)成為高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)型式。由鋼筋混凝土組成的無砟軌道主體結(jié)構(gòu)受列車荷載及溫度等因素的影響，開裂難以避免，而采用理想彈性梁或板來模擬軌道主體結(jié)構(gòu)不能完全反映其實(shí)際受力狀態(tài)。本文在國內(nèi)外無砟軌道靜、動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，將斷裂力學(xué)、輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、損傷力學(xué)和有限單元法相結(jié)合，對(duì)含裂紋的無砟軌道靜、動(dòng)力特性進(jìn)行探索性研究。主要研究工作如下： (1)無砟軌道主體結(jié)構(gòu)損傷類型分析

2、對(duì)我國首條無砟軌道試驗(yàn)段進(jìn)行了現(xiàn)場跟蹤調(diào)查，分別對(duì)單元板式、雙塊式和縱連板式軌道主體結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了分類，總結(jié)了無砟軌道主體結(jié)構(gòu)損傷的主要特征和規(guī)律，并對(duì)裂紋損傷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。 (2)初步建立基于斷裂力學(xué)的無砟軌道空間有限元分析方法 根據(jù)無砟軌道的結(jié)構(gòu)特征，基于線彈性斷裂力學(xué)理論，采用有限單元法建立了含裂紋的無砟軌道空間有限元模型。其中鋼軌以Euler梁模擬，道床混凝土以20節(jié)點(diǎn)六面體等參元模擬，道床鋼筋以桿單元模擬

3、，同時(shí)考慮了鋼筋對(duì)道床裂紋張開的約束，構(gòu)造20節(jié)點(diǎn)六面體奇異等參單元反映裂紋尖端奇異。給出了模型的實(shí)現(xiàn)方法，編制了計(jì)算程序，并結(jié)合已有的結(jié)果對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。 (3)列車荷載下含裂紋無砟軌道受力 首先給出了列車荷載下無裂紋無砟軌道的受力，然后計(jì)算了相同條件下道床底面20mm等深裂紋尖端的應(yīng)力場、應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開量、裂紋處鋼筋應(yīng)力；分析了裂紋深度、裂紋位置和列車荷載位置對(duì)裂紋特征參數(shù)的影響；最后，根據(jù)混凝土斷裂韌

4、度，對(duì)常規(guī)列車荷載下道床裂紋穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，道床裂紋對(duì)無砟軌道整體受力與變形影響不大，鋼筋對(duì)裂紋擴(kuò)展有明顯限制作用，道床裂紋因常規(guī)列車荷載明顯擴(kuò)展的可能性不大，裂紋處道床下層縱向鋼筋應(yīng)力發(fā)生突變且隨裂紋深度的增大快速增加，道床中部裂紋對(duì)其受力最為不利，列車荷載作用下的道床底面等深裂紋基本屬于張開型裂紋。 (4)溫度梯度下含裂紋無砟軌道受力 對(duì)具有道床項(xiàng)面等深裂紋的雙塊式軌道在溫度梯度作用下的受力進(jìn)行了分析，給出

5、了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開量、裂紋處鋼筋應(yīng)力；分析了裂紋深度、裂紋位置及溫度梯度大小等因素對(duì)裂紋特征參數(shù)的影響：最后，對(duì)負(fù)溫度梯度作用下道床頂面裂紋穩(wěn)定度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，溫度梯度作用下道床鋼筋對(duì)裂紋擴(kuò)展的限制作用不明顯，道床裂紋因溫度梯度影響存在明顯擴(kuò)展的可能性，裂紋處道床上層鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)突變，且隨溫度梯度和裂紋深度的增大而快速增加，裂紋出現(xiàn)在道床中部時(shí)對(duì)其受力最為不利。 (5)考慮裂紋的無砟軌道動(dòng)力分析