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原文传递振动荷载下无砟轨道耐久性特性与疲劳耐久性预测研究

论文题名：	振动荷载下无砟轨道耐久性特性与疲劳耐久性预测研究
关键词：	无砟轨道;振动荷载;疲劳耐久性;寿命预测
摘要：	无砟轨道以其高平顺、高稳定和少维修的特点成为高速铁路上的主要轨道结构型式，随着我国客运专线的大量兴建，无砟轨道得到了快速发展与广泛应用。一般来讲，无砟轨道具有较好的稳定性和耐久性，建成后维护量远小于有砟轨道。但是，无砟轨道作为引导行车运行的基础结构，一直暴露于复杂的大气环境中，并长期承受列车荷载的高强振动作用，随着无砟轨道结构使用时间的增加，环境因素及列车荷载的高频疲劳作用均会加速轨道结构的劣化，最终导致结构的破坏，影响列车运营的舒适性及安全性。无砟轨道结构的疲劳耐久性寿命影响着无砟轨道结构是否能在其设计寿命周期内保证列车安全运营的主要因素。由于无砟轨道结构材料多样性、环境复杂性及荷载重复性等特点，其使用寿命预测方法应区别于普通混凝土结构的寿命预测。　　本文根据无砟轨道结构的受力特点及材料性能，考虑了耐久性影响因素，温度梯度及列车荷载的耦合作用，对振动荷载作用下的无砟轨道耐久性特性进行了分析。主要研究工作及结论如下: 　　(1)针对无砟轨道结构轨道板材料特性及其受力特性，进行了疲劳荷载作用下的无砟轨道氯离子渗透试验。分析了不同应力水平及加载频率的弯曲荷载作用下，氯离子在混凝土内部的分布规律，根据氯离子扩散理论模型及遗传算法原理，采用matlab编程软件对试验结果进行拟合，得到不同荷载作用下的混凝土试件表面氯离子浓度及氯离子表观扩散系数。试验结果表明:在弯曲疲劳荷载作用下，由于混凝土试件疲劳损伤不断累积，混凝土试件内总孔隙率增加，微裂缝不断产生及扩张，孔隙结构的连通性逐渐增加，氯离子在混凝土内的扩散速度显著增加;当加载频率大于10Hz时疲劳荷载作用会加剧氯离子在混凝土表面的累积;随着加载频率的增加，氯离子表观扩散系数随之增加，仅当加载频率位于10～15Hz范围时，氯离子表观扩散系数变化较小;氯离子表观扩散系数随着应力水平呈二项式曲线关系增长。　　(2)以疲劳荷载作用下的混凝土内部孔隙率的改变为耦合参数，同时考虑疲劳荷载加载频率对氯离子扩散性能的影响，建立起疲劳荷载作用下的氯离子扩散理论模型，用以分析疲劳荷载作用下混凝土内氯离子的时变扩散性能。模型中引入动力效应系数用以分析疲劳荷载的加载频率的影响，同时根据相关学者的研究成果建立起与混凝土孔隙率相关的氯离子扩散系数表达式。其次通过计算疲劳荷载作用N次后混凝土孔隙率的变化得到氯离子扩散系数的改变。运用有限元软件ABAQUS分别建立了第二章所述试验的力学模型及氯离子扩散模型，分析了疲劳荷载作用对氯离子扩散性能的影响，并将其计算结果与试验结果相对比，验证了理论模型的正确性。　　(3)基于miner线性损伤累积理论，针对无砟轨道结构特点、材料及受力特点，考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土冻融、预应力混凝土结构的预应力损失及水泥乳化沥青砂浆的性能老化对轨道结构材料性能及尺寸的改变;考虑列车荷载及温度梯度的统计特征，以每一个车轮通过的间隔时间作为疲劳荷载的循环周期，根据各部件应力水平及工作环境选取合理的疲劳方程，建立耐久性因素影响基础上的列车荷载及温度梯度耦合作用下的无砟轨道使用寿命预测方法。　　(4)根据所建立的耐久性因素影响基础上的列车荷载及温度梯度耦合作用下的无砟轨道使用寿命预测方法，针对北京地区CRTSⅠ型板式无砟轨道进行了疲劳耐久性寿命预测，得到轨道板、底座板及CA砂浆在不同使用期内的可承受疲劳作用次数。研究结果表明:1）CRTSⅠ型板式无砟轨道轨道板满足60年的设计使用寿命;若轨道板预应力钢筋每年损失20％预应力时，轨道板在60年的设计寿命期内将出现疲劳耐久性问题;故对于预应力钢棒断裂等可能导致轨道板预应力全部损失的情况，基于轨道板在60年的设计使用周期内的疲劳耐久性考虑，建议及时修复;2）使用60年时底座板所能承受的疲劳作用次数仅为60年内总作用次数的4.6倍，其疲劳耐久性的安全余量较小，认为底座板的疲劳耐久性能在60年的设计使用期内可能出现问题;3）在考虑温度梯度与列车动荷载共同作用影响下，轨道结构混凝土碳化速度显著加快，在60年设计寿命期内轨道板碳化深度远小于其保护层厚度，底座板的碳化深度达到21.600mm，但仍小于其设计保护层厚度30mm;4）在考虑温度梯度与列车动荷载共同作用影响下，轨道板抗冻融循环次数显著降低，在使用17年时产生生冻融破坏，无法满足60年设计使用寿命要求。
作者：	刘丹
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：	2017
正文语种：	中文