振動(dòng)荷載下無砟軌道耐久性特性與疲勞耐久性預(yù)測研究.pdf

1、無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定和少維修的特點(diǎn)成為高速鐵路上的主要軌道結(jié)構(gòu)型式，隨著我國客運(yùn)專線的大量興建，無砟軌道得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。一般來講，無砟軌道具有較好的穩(wěn)定性和耐久性，建成后維護(hù)量遠(yuǎn)小于有砟軌道。但是，無砟軌道作為引導(dǎo)行車運(yùn)行的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一直暴露于復(fù)雜的大氣環(huán)境中，并長期承受列車荷載的高強(qiáng)振動(dòng)作用，隨著無砟軌道結(jié)構(gòu)使用時(shí)間的增加，環(huán)境因素及列車荷載的高頻疲勞作用均會(huì)加速軌道結(jié)構(gòu)的劣化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，影響列車運(yùn)營的舒適性

2、及安全性。無砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性壽命影響著無砟軌道結(jié)構(gòu)是否能在其設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)保證列車安全運(yùn)營的主要因素。由于無砟軌道結(jié)構(gòu)材料多樣性、環(huán)境復(fù)雜性及荷載重復(fù)性等特點(diǎn)，其使用壽命預(yù)測方法應(yīng)區(qū)別于普通混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測。
　　本文根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及材料性能，考慮了耐久性影響因素，溫度梯度及列車荷載的耦合作用，對振動(dòng)荷載作用下的無砟軌道耐久性特性進(jìn)行了分析。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　(1)針對無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板材料

3、特性及其受力特性，進(jìn)行了疲勞荷載作用下的無砟軌道氯離子滲透試驗(yàn)。分析了不同應(yīng)力水平及加載頻率的彎曲荷載作用下，氯離子在混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律，根據(jù)氯離子擴(kuò)散理論模型及遺傳算法原理，采用matlab編程軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到不同荷載作用下的混凝土試件表面氯離子濃度及氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在彎曲疲勞荷載作用下，由于混凝土試件疲勞損傷不斷累積，混凝土試件內(nèi)總孔隙率增加，微裂縫不斷產(chǎn)生及擴(kuò)張，孔隙結(jié)構(gòu)的連通性逐漸增加，氯離子在混

4、凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度顯著增加;當(dāng)加載頻率大于10Hz時(shí)疲勞荷載作用會(huì)加劇氯離子在混凝土表面的累積;隨著加載頻率的增加，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)隨之增加，僅當(dāng)加載頻率位于10～15Hz范圍時(shí)，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)變化較小;氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)隨著應(yīng)力水平呈二項(xiàng)式曲線關(guān)系增長。
　　(2)以疲勞荷載作用下的混凝土內(nèi)部孔隙率的改變?yōu)轳詈蠀?shù)，同時(shí)考慮疲勞荷載加載頻率對氯離子擴(kuò)散性能的影響，建立起疲勞荷載作用下的氯離子擴(kuò)散理論模型，用以分析疲勞荷載作用

5、下混凝土內(nèi)氯離子的時(shí)變擴(kuò)散性能。模型中引入動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)用以分析疲勞荷載的加載頻率的影響，同時(shí)根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果建立起與混凝土孔隙率相關(guān)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式。其次通過計(jì)算疲勞荷載作用N次后混凝土孔隙率的變化得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)的改變。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS分別建立了第二章所述試驗(yàn)的力學(xué)模型及氯離子擴(kuò)散模型，分析了疲勞荷載作用對氯離子擴(kuò)散性能的影響，并將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對比，驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　(3)基于min

6、er線性損傷累積理論，針對無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料及受力特點(diǎn)，考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕、混凝土凍融、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失及水泥乳化瀝青砂漿的性能老化對軌道結(jié)構(gòu)材料性能及尺寸的改變;考慮列車荷載及溫度梯度的統(tǒng)計(jì)特征，以每一個(gè)車輪通過的間隔時(shí)間作為疲勞荷載的循環(huán)周期，根據(jù)各部件應(yīng)力水平及工作環(huán)境選取合理的疲勞方程，建立耐久性因素影響基礎(chǔ)上的列車荷載及溫度梯度耦合作用下的無砟軌道使用壽命預(yù)測方法。
　　(4)根據(jù)所建立的耐久性因素

7、影響基礎(chǔ)上的列車荷載及溫度梯度耦合作用下的無砟軌道使用壽命預(yù)測方法，針對北京地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道進(jìn)行了疲勞耐久性壽命預(yù)測，得到軌道板、底座板及CA砂漿在不同使用期內(nèi)的可承受疲勞作用次數(shù)。研究結(jié)果表明:1）CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板滿足60年的設(shè)計(jì)使用壽命;若軌道板預(yù)應(yīng)力鋼筋每年損失20％預(yù)應(yīng)力時(shí)，軌道板在60年的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)將出現(xiàn)疲勞耐久性問題;故對于預(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂等可能導(dǎo)致軌道板預(yù)應(yīng)力全部損失的情況，基于軌道板在60年的設(shè)

8、計(jì)使用周期內(nèi)的疲勞耐久性考慮，建議及時(shí)修復(fù);2）使用60年時(shí)底座板所能承受的疲勞作用次數(shù)僅為60年內(nèi)總作用次數(shù)的4.6倍，其疲勞耐久性的安全余量較小，認(rèn)為底座板的疲勞耐久性能在60年的設(shè)計(jì)使用期內(nèi)可能出現(xiàn)問題;3）在考慮溫度梯度與列車動(dòng)荷載共同作用影響下，軌道結(jié)構(gòu)混凝土碳化速度顯著加快，在60年設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)軌道板碳化深度遠(yuǎn)小于其保護(hù)層厚度，底座板的碳化深度達(dá)到21.600mm，但仍小于其設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度30mm;4）在考慮溫度梯度與列車動(dòng)