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原文传递高速铁路无砟轨道结构伤损行为及其对动态性能的影响

论文题名：	高速铁路无砟轨道结构伤损行为及其对动态性能的影响
关键词：	高速铁路;无砟轨道;结构部件;损伤失效行为;动态性能
摘要：	由于高速铁路无砟轨道结构组成材料的多样性、运营环境和列车动荷载的复杂性，其结构损伤失效机理及其对轨道结构动态性能的影响机制非常复杂，而国内在此研究领域尚处于起步阶段，理论研究较少，因此探寻高速铁路无砟轨道结构损伤开裂机制与行为，揭示其对无砟轨道结构动态性能的影响规律与损伤控制限值，对完善我国高速铁路无砟轨道结构设计理论与养护维修技术，健全高速铁路运营安全保障体系意义重大。本论文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全基础研究(2013CB036200)”、“国家留学委员会基金”和“西南交通大学优秀博士论文培育项目”等基金项目的资助下，针对高速铁路无砟轨道结构损伤开裂行为及其对动态性能的影响与控制限值，开展了如下研究工作: 　　1.详细论述了国内外对高速铁路无砟轨道主要结构部件的损伤失效行为、无砟轨道结构动态服役性能等问题的研究现状，明确了本文研究的方向和内容。　　2.建立了用于轮轨动力分析的扣件系统非线性动力学模型，它由弹性单元、分数导数粘弹性单元、非线性摩擦单元并联而成，能很好地反映扣件系统的频率和幅值依赖性特征;同时，通过扣件静刚度试验确定了扣件非线性动力学模型的相关参数。　　3.借助有限元软件二次开发语言建立了用于轮轨动力分析的高速铁路无砟轨道动力学模型，不但可以灵活地建立各类含损伤开裂等复杂的无砟轨道模型，同时还保证了无砟轨道动力计算结果的可靠性。　　4.基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑扣件非线性和轨道结构损伤开裂行为的高速车辆-无砟轨道动力相互作用分析模型，编制了CVTDYNA仿真软件，并与SIMPACK计算结果及哈大高速客运专线现场试验结果进行了对比验证。　　5.详细讨论了扣件轨下胶垫依赖于载荷频率与幅值的非线性行为及其对轮轨系统振动特性的影响;基于非线性接触理论建立扣件弹条动力分析有限元模型，分析了弹条在钢轨有无波磨下的非线性振动特性及其与现场实测结果的对比，并研究了扣件的服役状态控制限值。结果表明:扣件刚度随着轨下胶垫位移幅值的增大而减小，随着频率的增大而增大;与传统扣件线性模型相比，采用扣件非线性模型计算得到的中低频轮轨力偏大，在研究预测车辆动荷载下轨下基础结构损伤失效行为时，计算结果将会更为安全;在列车动荷载下，钢轨出现波磨后的扣件弹条振动加速度可增大10倍;Vossloh扣件静刚度超过其设计值的30％时，建议及时进行维护。　　6.基于线弹性断裂力学理论，采用扩展有限元方法(XFEM)建立了无砟轨道结构裂纹动态行为模型，分析了车辆动荷载下板式轨道支承层横向贯通裂纹尖端应力强度因子的动态变化特性及统计特性，并探明了路基弹性模量、支承层裂纹长度、裂纹角度和摩擦系数对裂尖动态应力强度因子的影响。结果表明:在车辆动荷载下，支承层横向贯通裂纹出现以张开型模式为主、滑开型和撕开型并存的复合型受力模式，且三种应力强度因子大小均服从正态分布;路基弹性模量的降低、裂纹长度的增大和裂纹开裂角度的减小可导致裂纹扩展速率的增大，从而加速结构的失效破坏。裂纹在一次列车动荷载作用下不会发生失稳扩展，但应注意其疲劳扩展导致支承层的断裂破坏。　　7.建立了考虑载荷作用下应变率变化效应的CA砂浆充填层的统计损伤本构模型，并通过试验验证了模型的合理性与正确性;将本构模型作为用户材料子程序UMAT嵌入有限元软件ABAQUS中，研究了车辆动荷载作用下无砟轨道CA砂浆层在不同服役状态下的损伤发展及动态性能的演变。结果表明: CA砂浆统计损伤本构模型能很好地描述由损伤发展导致的应变软化非线性特性;在车辆动荷载作用下，CA砂浆充填层表现出较强的率敏感性，应变率的增大会导致损伤发展速率的减小及动态强度的增大;CA砂浆层在较大的服役损伤状态下，虽然较大的应变率在一定程度上抑制了损伤的发展，但由于此时的强度较小，车辆动荷载仍可引起相对较大的损伤增量，且随着服役损伤的增大而非线性增大;CA砂浆层的动态压应变均随着服役状态的恶化而非线性增大，其动态压应力随着服役状态的恶化而非线性减小，但其作用范围在逐渐扩大。　　8.引入混凝土弹塑性损伤模型和内聚力理论模型来描述双块式道床板损伤力学行为及板式轨道层间粘结损伤开裂行为，研究了温度与车辆动荷载共同作用下道床板及板式轨道层间损伤特性与开裂行为，同时分析了结构损伤对动态性能的影响。结果表明:道床板在降温过程中产生损伤，受拉承载力下降，板式轨道两侧界面均出现损伤发展直至开裂现象;在升温过程中，道床板微裂纹由张开转向闭合状态，刚度出现恢复现象，但是损伤大小不变;车辆动荷载引起的切应力增大导致了板式轨道层间损伤的发展，而道床板损伤没有增加;道床板损伤可引起道床板位移和加速度幅值、支承层与基床表面动应力幅值的增大，板式轨道层间损伤可引起轨道结构整体性的明显下降，导致轨道板垂向振动位移和振动加速度明显增大、无砟轨道结构的动态服役性能恶化。　　9.针对板式无砟轨道最典型的砂浆充填层离缝或脱空损伤问题，考虑砂浆层脱空形式和主要结构力学参数的随机性，结合响应面法和砂浆层脱空时轮轨动力学计算获得了系统动力学响应与各输入随机变量的响应面函数关系式。以砂浆层脱空影响较为明显的轮重减载率、轨道板位移和加速度、砂浆层动压应力的放大系数作为控制指标，基于结构长期动态服役性能和可靠度思想提出了砂浆层脱空损伤评定等级和限值。主要结论有:在砂浆层横向完全脱空条件下，确定砂浆脱空损伤限值时的主要控制指标为砂浆脱空长度;将动力响应放大系数大于某个值的可靠概率为50％时的损伤状态评定为损伤Ⅰ级，以可靠概率为30％和10％时的损伤状态分别评定为损伤Ⅱ级和Ⅲ级;基于响应面函数的等高线确定了损伤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级下砂浆脱空长度的限值分别为0.60m、0.85m和1.05m。
作者：	朱胜阳
专业：	载运工具运用工程
导师：	蔡成标
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