详情

原文传递列车荷载下无砟轨道含水裂纹受力特性及影响研究

论文题名：	列车荷载下无砟轨道含水裂纹受力特性及影响研究
关键词：	铁路工程;无砟轨道;含水裂纹;受力特性
摘要：	无砟轨道伴随我国高速铁路大规模修建得到了广泛应用，但以裂纹为主要形式的伤损问题也逐步凸显，特别是雨水对伤损的影响尤为突出，目前国内外对相关问题还缺乏系统研究。本文针对典型无砟轨道含水裂纹受力及扩展问题，对高速列车动荷载作用及雨水侵入条件下，混凝土的裂纹扩展机理进行理论与试验研究。依据高速列车动荷载作用特征，通过建立理论计算及模型试验，进行了混凝土中裂纹内动水压力理论与试验研究，分析了动水压力的作用特性及裂纹扩展性态;基于混凝土断裂力学及冲蚀磨损理论，初步研究了水环境下混凝土中裂纹的发展机理和相关因素。　　(1)列车动荷载与水耦合作用下裂纹内水压力计算模型及参数　　针对典型CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆调整层底部含水裂纹的受力特点，应用结构动力学、流体动力学和流固耦合振动的基本原理，建立了列车动荷载与水耦合作用下裂纹内动水压力双向瞬态流固耦合三维计算模型，简称“裂纹内动水压力计算模型”。模型可用于对高速列车通过时无砟轨道裂纹中水动压力的模拟计算。列车荷载是计算中的主要参数之一，具有加载频率高、作用力大的特点。通过研究明确用于裂纹水压力特性研究的荷载分布、作用力大小、加载频率等，为相关的理论计算和试验研究提供加载参数。　　(2)循环动荷载作用下裂纹水压力的模型试验　　针对典型CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆调整层底部含水裂纹，根据实际轨道结构缩小比例，浇筑了带裂纹的钢筋混凝土模型试件，将试件安放于水槽中，采用液压伺服疲劳机施加循环动荷载，采用高灵敏度传感器测量裂纹内水压力。试验研究了裂纹不同位置压力变化特点，加载频率、荷载幅值对水压力的影响。　　当循环荷载作用于模型试件上时，裂纹内部的水产生动水压力。随着测点向裂纹深度的增加，水压力逐渐增大，在裂纹的尖端，水压力达到极大值。随着加载频率的增加，动水压力增大。随着加载幅值增大，裂纹内各点的动水压力增加。　　同时基于试验中的模型试件和加载条件，应用前述无砟轨道裂纹水压力计算模型，完成了相应的理论计算，并对比分析了理论计算与试验结果。　　(3)无砟轨道裂纹动水压力和流速作用特性计算分析　　应用裂纹内动水压力计算模型和商用计算软件ANSYS Transient Structure-CFX，针对砂浆调整层底部含水裂纹，考虑不同的列车荷载特性和裂纹尺寸，对无砟轨道裂纹内水压力进行了计算，得到了裂纹内水压力及水流速的变化特性，为裂纹的扩展和冲蚀磨损等研究提供了基础数据。　　裂纹的宽度、深度、开口量、列车荷载的幅值和频率是影响裂纹水压力的重要因素。当裂纹的宽度和深度保持一定值不变时，沿裂纹深度方向水压力逐渐增大。在裂纹的同一深度，最大水压力出现在裂纹中间位置。在裂纹的尖端，当开口量为3mm时，裂纹内水压力值最大。当裂纹开口量保持不变，随着裂纹深度的增加，裂纹内水压力增大。随着列车速度（即加载频率）的增加，裂纹内水压力增大。　　(4)动载与水耦合作用下无砟轨道裂纹扩展研究　　当裂纹尖端因水压力产生的强度因子大于材料的断裂韧度时，导致Ⅰ型裂纹扩展。通过拉伸试验确定材料的断裂韧度，基于前述裂纹内水压力计算的统计值，采用商用软件ANSYS/WORKBENCH-Fracture，计算了不同条件下裂纹尖端的强度因子，与试验得到的断裂韧度对比分析，判断了裂纹的扩展情况，为裂纹的修复时机提供了理论基础。　　研究表明，裂纹前缘线的强度因子最大值出现在裂纹的中点部位。裂纹开口量、深度、宽度是影响裂纹扩展的重要因素。依据裂纹尖端强度因子计算结果，提出了基于裂纹深度、宽度、开口量为基础的修补技术标准。　　(5)建立了裂纹水冲蚀磨损的计算模型，对裂纹扩展冲蚀磨损机理进行了初步分析　　基于ANSYS-CFX数字仿真软件，建立宏观状态下的固-液两相流分析模型。以裂纹内颗粒运动特性作为研究对象，当裂纹表面凸凹不平时，分析了微颗粒的运动轨迹，分析了水流速度、裂纹开口量的变化、粒径分布范围对裂纹表面冲蚀磨损的影响。　　研究表明，水流速度、裂纹开口量、粒径分布范围是影响裂纹冲蚀磨损率的重要因素。冲蚀率随水流速度的增大而增加，随开口量增大而减小，颗粒平均粒径越大，冲蚀磨损率越小。
作者：	徐桂弘
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：	2014
正文语种：	中文