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原文传递 CRTSⅡ型板式轨道层间损伤及其影响研究

论文题名：	CRTSⅡ型板式轨道层间损伤及其影响研究
关键词：	板式轨道;层间损伤;结构强度;稳定性;行车安全性
摘要：	CRTSⅡ型板式轨道是目前我国高速铁路主要采用的无砟轨道结构形式之一。运营实践表明，高速列车在铺设CRTSⅡ型板式轨道系统的线路上运行时，其列车运行安全性和平稳性以及旅客的舒适性都比较优良。但是，在列车动荷载、温度及其他环境因素的影响下，轨道结构系统各部件本身以及部件之间的连接不可避免的会产生各种各样的损伤，其中，CA砂浆与轨道板或底座板（支承层）之间的界面损伤脱粘开裂属于典型的层间损伤问题，它是目前CRTSⅡ型板式轨道最为突出的病害之一。层间损伤改变了轨道结构的承力和传力路径，可能对无砟轨道结构的承载能力、功能性以及长期服役耐久性问题造成一定的影响。目前，国内外针对CRTSⅡ型板式轨道层间损伤及其影响还缺乏系统研究。本文在总结和吸取现有研究成果的基础上，从损伤角度出发，结合CRTSⅡ型板式轨道的结构特点，将内聚力理论和混凝土损伤塑性模型引入相关计算模型中，开展了层间损伤机理及其损伤后对轨道结构强度和稳定性以及行车安全性影响的研究。　　主要研究工作及所取得的成果如下: 　　1.在现场调研的基础上，参考相关文献，总结出了CRTSⅡ型板式轨道早期病害基本特性及层间损伤特点。　　通过在建和运营线路现场调研，总结出了我国CRTSⅡ型板式轨道早期病害的主要形式和基本特性。参考相关文献，结合CRTSⅡ型板式轨道的结构特点将其主要病害概括为两类损伤，即结构层层内损伤和层间损伤，并对层间损伤的特点及形成原因进行了初步分析，为后续研究提供了基础资料。　　2.采用有限元方法建立了层内与层间耦合损伤非线性有限元分析模型与方法。　　结合CRTSⅡ型板式轨道结构特征和层间损伤特点，采用非线性有限元方法建立了考虑层内与层间损伤耦合影响的分离式有限元模型，模型中分别采用混凝土损伤塑性模型和内聚力理论模型模拟层内和层间损伤演化，并通过室内试验和仿真计算确定了层间损伤参数。借助大型商用软件ABAQUS平台，系统地阐述了模型的实现和分析方法，基于Python语言编制了相应的计算程序DABT-S。用所编制的程序进行数值算例分析及相应结果讨论，验证了非线性有限元计算模型、方法以及程序的正确性，为后续层间损伤机理分析及其影响研究提供了理论基础。　　3.基于层内与层间耦合损伤计算分析模型和层间损伤演化分析方法，开展了温度荷载作用下的层间损伤分析。　　计算分析了轨道板纵连前、纵连过程中以及铺轨后三个不同成型阶段的层间损伤产生和演化行为，并探讨了其对轨道结构受力和变形的影响。研究成果表明:(1)轨道板纵连前，温度梯度荷载作用下层间相互作用强，过大的层间应力或者不足的层间界面强度和韧性，将会导致Ⅰ型和Ⅱ型复合型损伤的发生，施工处理不当还可能会加速损伤的产生和发展。正温度梯度作用下，轨道板下表面在层间完全脱粘损伤扩展演化过程中受力十分不利，尤其是损伤区域前端;(2)轨道板纵连过程中，宽窄接缝浇筑前各工序间停滞时间较长可能遭受整体温度荷载变化而发生层间损伤，宽窄接缝浇筑后，层内无缺陷时层间一般情况下不发生损伤;(3)运营阶段，由于层间强度不足、预裂缝开裂间距较大、宽窄接缝位置连接不足等，在负温度荷载作用下可能会发生层间损伤;升温荷载作用下，层间强度不足、宽窄接缝偏心缺陷是层间发生损伤的主要原因，尤其是后者还会引起轨道板发生较大的上拱变形、分层损伤以及扣件支点反力超限等;建议实际工程中应保证窄接缝的弹性模量应不小于10GPa。　　4.基于层内与层间耦合损伤计算分析模型和非线性屈曲分析方法，开展了考虑层间损伤演化的非线性屈曲分析。　　针对由于构造和缺陷引起的结构刚度沿纵向非均匀性分布，计算分析了升温荷载作用下，带层内缺陷的CRTSⅡ型板式轨道在层内和层间损伤耦合影响下的非线性屈曲特性，并探讨了具层间脱粘损伤时多种缺陷对非线性屈曲特性的综合影响。研究成果表明:(1)温度压力荷载作用下，轨道板伴随层间脱粘损伤的发生而产生非线性屈曲，层内无缺陷时后屈曲强度较大，而当宽窄接缝存在偏心缺陷时，该位置轨道板层内和板底层间损伤的相互耦合作用，逐渐扩展演化，轨道结构垂向抗弯刚度显著降低，屈曲变形增加，层间产生离缝而改变了轨道结构承力和传力模式，而上拱变形致使扣件支点反力分布发生变化，屈曲变形较大时上拱区域易超过设计扣压力。(2)轨道板层内偏心缺陷是引起轨道结构层内和层间损伤、轨道结构发生屈曲变形和受力恶化的主要原因，此外，初始脱粘损伤、层间粘结强度不足、轨道板初始损伤或缺陷、线路的初始不平顺等也是影响非线性屈曲的重要因素，轨道结构在多种因素作用下可能发生失稳。(3)初步建议层间连续脱粘长度不宜超过一个扣件间距即0.65m。　　5.基于轮轨动力学理论建立了考虑温度和损伤影响的耦合振动分析模型，研究了层间损伤对轮轨系统动力特性的影响。　　根据轮轨系统动力学原理，采用有限元方法建立了可同时考虑温度和损伤影响的垂向耦合振动分析模型，借助ABAQUS平台，基于Fortran语言编制了轮轨界面相互作用子程序VIWR，基于Python语言编制了相应的动力分析程序DABT-V，通过算例分析讨论并与实测结果对比验证了模型和程序的可靠性。应用耦合振动模型和程序，分析了层间损伤在列车荷载作用下的扩展演化，并对层间脱粘损伤和上拱变形等特征对轮轨系统非线性动力特性的影响进行了研究。研究成果表明:(1)列车荷载单独作用下对层间损伤扩展演化影响较小，而与温度荷载共同作用下可能发生损伤演化，尤其在升温荷载作用下。(2)当层间发生脱粘损伤而未形成离缝时，对轮轨动力特性影响较小，反之若已形成离缝则影响较大;(3)升温荷载作用下宽窄接缝偏心缺陷引起的轨道结构不平顺，将导致列车通过时产生较大的二次冲击，对轮轨系统动力特性影响不利，尤其是扣件支点受力，严重时还可能会出现完全减载而影响列车安全运行。
作者：	李培刚
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘学毅
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文