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原文传递框架型板式轨道水泥乳化沥青砂浆伤损及维修标准研究

论文题名：	框架型板式轨道水泥乳化沥青砂浆伤损及维修标准研究
关键词：	框架型板式轨道;水泥乳化沥青砂浆;伤损机制;轮轨系统动力学;维修标准
摘要：	随着世界范围内高速、重载铁路运输的快速发展，轮轨系统间动力作用不断加剧，轨道各零部件的变形失效明显加快。水泥乳化沥青砂浆层作为板式轨道关键结构层，主要起到支承、缓冲与调整等功能，其性能的优劣甚至决定着板式轨道的成败。　　实践表明，水泥乳化沥青砂浆材料性能复杂，并且对自然环境和列车荷载十分敏感，在其服役期间难以避免会产生各种病害，给轨道结构受力和行车安全带来隐患。目前就砂浆伤损对轨道结构受力和轮轨系统动力特性的影响尚不明确，也缺乏水泥乳化沥青砂浆的维修标准。本文主要针对框架型板式轨道低弹模水泥乳化沥青砂浆伤损进行研究，主要包括以下研究内容和结论: 　　 (1)基于现场调查和试验研究，针对水泥乳化沥青砂浆伤损特征进行了总结，将砂浆病害划分为自身伤损、界面伤损和遗留缺陷三类。并且从砂浆微观结构特征和环境适应性等方面出发，阐述了砂浆材料性能劣化规律，为解释砂浆伤损的产生原因和发展机理提供一定的参考。　　研究表明，砂浆材料对自然环境十分敏感，砂浆伤损或缺陷的产生和发展表现为结构设计、材料性能、自然环境、列车荷载和施工质量等多重不利因素耦合作用的结果，其中温度和水压力作用是导致砂浆材料性能劣化的重要因素之一，而改善砂浆材料环境适应性、提高施工过程质量控制和优化砂浆受力条件是保证砂浆维持长期耐久的基本途径。　　 (2)通过合理力学简化，采用有限单元法，建立框架型板式轨道静力学分析模型，利用生死单元技术和接触分析理论，有效模拟砂浆伤损以及砂浆层与轨道板之间的层间界面关系，考虑列车荷载和温度梯度单独或耦合作用时，针对不同形式、长度和深度的砂浆伤损对轨道结构受力的影响进行深入研究。　　通过静力分析表明，砂浆伤损对轨道板和砂浆层受力最为不利，而对底座板受力的影响相对较小;当砂浆伤损长度或深度超过约0.20m～0.30m时，砂浆伤损对轨道结构受力的影响开始变得明显;当砂浆沿轨道横向完全伤损，而砂浆伤损沿纵向长度达到约0.80m左右时，轨道板拉应力可能超限而产生开裂，砂浆垂向压应力也迅速增加，必将严重降低伤损邻近区域砂浆疲劳使用寿命;砂浆伤损作为板式轨道主要病害形式之一，对轨道结构受力和耐久性的影响较为明显。　　 (3)针对遂渝线铺设的框架型板式轨道水泥乳化沥青砂浆病害进行现场动态测试，评估了砂浆伤损对轨道系统垂向动力特性的影响和现场维修技术的修复效果。　　通过现场试验表明，钢轨垂向动力响应受砂浆伤损的影响较小，而轨道板垂向动力响应对砂浆伤损较为敏感;相比行车速度而言，列车轴重的影响更为明显，说明砂浆伤损的产生可能与列车轴重有关;砂浆伤损经修复后，轨道板底部支承状态短期内得以明显改善，但是修补材料自身和粘结界面的耐久性仍值得关注。　　 (4)基于轮轨系统动力学理论，借助有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，将砂浆伤损加以合理力学简化，建立车辆-框架型板式轨道垂向耦合振动空间模型，并将理论计算与现场试验结果进行对比分析以验证理论计算的有效性。在此基础之上，分析了不同形式、长度和深度的砂浆伤损对车辆和轨道系统垂向动力特性的影响，评价砂浆伤损对行车安全平稳性和轨道系统垂向动力特性的影响。　　通过动力分析表明，砂浆伤损劣化将引起轨道刚度局部突变，形成轨道动态不平顺，加剧轮轨系统振动，降低行车安全性和平稳性，尤其是相邻板端砂浆伤损的影响最为不利，而板边砂浆伤损形式的影响相对较小;对于板端砂浆伤损形式，当砂浆伤损沿纵向长度超过0.60m～0.80m时，轮轨系统间动力作用明显加剧，此时由砂浆伤损引起的轨道动态不平顺开始起主导作用，最大轮轨垂向力、减载率以及车体、转向架和轮对垂向振动加速度出现陡增，必将加速轨道部件伤损，降低行车安全性和平稳性;砂浆伤损劣化对轨道系统振动的影响远高于对行车的影响，表现为扣件上拔力、轨道板垂向振动加速度、砂浆垂向动压应力、钢轨及轨道板垂向位移等均随着砂浆伤损长度的增大而急剧增加，尤其当砂浆伤损沿纵向长度超过0.60m～0.80m时，轨道各部件动力响应急剧增加，当相邻两块轨道板端部砂浆伤损沿纵向长度均达到1.538m时，可能造成钢轨垂向位移和扣件上拔力超限，此时砂浆垂向动压应力为正常情况的10倍以上，表明砂浆伤损对邻近区域砂浆受力的影响极为明显，可能会严重降低邻近区域砂浆疲劳寿命。　　 (5)通过分析轨道部件劣化规律，结合砂浆伤损特征和预防性维修原理，基于轨道结构静动力学理论分析，并且从砂浆疲劳寿命角度出发，初步提出了框架型板式轨道水泥乳化沥青砂浆维修级别和判别标准。　　研究表明，砂浆疲劳寿命受温度和砂浆应力影响很大;将水泥乳化沥青砂浆维修级别划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三个等级，并根据理论分析和实践经验，按照砂浆伤损长度（l)深度（d)和离缝高度（h）三个指标，分别拟定了不同伤损级别的水泥乳化沥青砂浆维修判别标准。
作者：	刘克飞
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘学毅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文