CRTSⅡ型板式軌道層間損傷及其影響研究.pdf

1、CRTSⅡ型板式軌道是目前我國高速鐵路主要采用的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一。運營實踐表明，高速列車在鋪設CRTSⅡ型板式軌道系統(tǒng)的線路上運行時，其列車運行安全性和平穩(wěn)性以及旅客的舒適性都比較優(yōu)良。但是，在列車動荷載、溫度及其他環(huán)境因素的影響下，軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各部件本身以及部件之間的連接不可避免的會產(chǎn)生各種各樣的損傷，其中，CA砂漿與軌道板或底座板（支承層）之間的界面損傷脫粘開裂屬于典型的層間損傷問題，它是目前CRTSⅡ型板式軌道最為突出的病害之

2、一。層間損傷改變了軌道結(jié)構(gòu)的承力和傳力路徑，可能對無砟軌道結(jié)構(gòu)的承載能力、功能性以及長期服役耐久性問題造成一定的影響。目前，國內(nèi)外針對CRTSⅡ型板式軌道層間損傷及其影響還缺乏系統(tǒng)研究。本文在總結(jié)和吸取現(xiàn)有研究成果的基礎上，從損傷角度出發(fā)，結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特點，將內(nèi)聚力理論和混凝土損傷塑性模型引入相關計算模型中，開展了層間損傷機理及其損傷后對軌道結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性以及行車安全性影響的研究。
　　主要研究工作及所取得的成

3、果如下:
　　1.在現(xiàn)場調(diào)研的基礎上，參考相關文獻，總結(jié)出了CRTSⅡ型板式軌道早期病害基本特性及層間損傷特點。
　　通過在建和運營線路現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)出了我國CRTSⅡ型板式軌道早期病害的主要形式和基本特性。參考相關文獻，結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特點將其主要病害概括為兩類損傷，即結(jié)構(gòu)層層內(nèi)損傷和層間損傷，并對層間損傷的特點及形成原因進行了初步分析，為后續(xù)研究提供了基礎資料。
　　2.采用有限元方法建立了層內(nèi)與層間

4、耦合損傷非線性有限元分析模型與方法。
　　結(jié)合CRTSⅡ型板式軌道結(jié)構(gòu)特征和層間損傷特點，采用非線性有限元方法建立了考慮層內(nèi)與層間損傷耦合影響的分離式有限元模型，模型中分別采用混凝土損傷塑性模型和內(nèi)聚力理論模型模擬層內(nèi)和層間損傷演化，并通過室內(nèi)試驗和仿真計算確定了層間損傷參數(shù)。借助大型商用軟件ABAQUS平臺，系統(tǒng)地闡述了模型的實現(xiàn)和分析方法，基于Python語言編制了相應的計算程序DABT-S。用所編制的程序進行數(shù)值算例分析及相

5、應結(jié)果討論，驗證了非線性有限元計算模型、方法以及程序的正確性，為后續(xù)層間損傷機理分析及其影響研究提供了理論基礎。
　　3.基于層內(nèi)與層間耦合損傷計算分析模型和層間損傷演化分析方法，開展了溫度荷載作用下的層間損傷分析。
　　計算分析了軌道板縱連前、縱連過程中以及鋪軌后三個不同成型階段的層間損傷產(chǎn)生和演化行為，并探討了其對軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。研究成果表明:(1)軌道板縱連前，溫度梯度荷載作用下層間相互作用強，過大的層間應力

6、或者不足的層間界面強度和韌性，將會導致Ⅰ型和Ⅱ型復合型損傷的發(fā)生，施工處理不當還可能會加速損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。正溫度梯度作用下，軌道板下表面在層間完全脫粘損傷擴展演化過程中受力十分不利，尤其是損傷區(qū)域前端;(2)軌道板縱連過程中，寬窄接縫澆筑前各工序間停滯時間較長可能遭受整體溫度荷載變化而發(fā)生層間損傷，寬窄接縫澆筑后，層內(nèi)無缺陷時層間一般情況下不發(fā)生損傷;(3)運營階段，由于層間強度不足、預裂縫開裂間距較大、寬窄接縫位置連接不足等，在負溫

7、度荷載作用下可能會發(fā)生層間損傷;升溫荷載作用下，層間強度不足、寬窄接縫偏心缺陷是層間發(fā)生損傷的主要原因，尤其是后者還會引起軌道板發(fā)生較大的上拱變形、分層損傷以及扣件支點反力超限等;建議實際工程中應保證窄接縫的彈性模量應不小于10GPa。
　　4.基于層內(nèi)與層間耦合損傷計算分析模型和非線性屈曲分析方法，開展了考慮層間損傷演化的非線性屈曲分析。
　　針對由于構(gòu)造和缺陷引起的結(jié)構(gòu)剛度沿縱向非均勻性分布，計算分析了升溫荷載作用下，帶

8、層內(nèi)缺陷的CRTSⅡ型板式軌道在層內(nèi)和層間損傷耦合影響下的非線性屈曲特性，并探討了具層間脫粘損傷時多種缺陷對非線性屈曲特性的綜合影響。研究成果表明:(1)溫度壓力荷載作用下，軌道板伴隨層間脫粘損傷的發(fā)生而產(chǎn)生非線性屈曲，層內(nèi)無缺陷時后屈曲強度較大，而當寬窄接縫存在偏心缺陷時，該位置軌道板層內(nèi)和板底層間損傷的相互耦合作用，逐漸擴展演化，軌道結(jié)構(gòu)垂向抗彎剛度顯著降低，屈曲變形增加，層間產(chǎn)生離縫而改變了軌道結(jié)構(gòu)承力和傳力模式，而上拱變形致使扣

9、件支點反力分布發(fā)生變化，屈曲變形較大時上拱區(qū)域易超過設計扣壓力。(2)軌道板層內(nèi)偏心缺陷是引起軌道結(jié)構(gòu)層內(nèi)和層間損傷、軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形和受力惡化的主要原因，此外，初始脫粘損傷、層間粘結(jié)強度不足、軌道板初始損傷或缺陷、線路的初始不平順等也是影響非線性屈曲的重要因素，軌道結(jié)構(gòu)在多種因素作用下可能發(fā)生失穩(wěn)。(3)初步建議層間連續(xù)脫粘長度不宜超過一個扣件間距即0.65m。
　　5.基于輪軌動力學理論建立了考慮溫度和損傷影響的耦合振動分

10、析模型，研究了層間損傷對輪軌系統(tǒng)動力特性的影響。
　　根據(jù)輪軌系統(tǒng)動力學原理，采用有限元方法建立了可同時考慮溫度和損傷影響的垂向耦合振動分析模型，借助ABAQUS平臺，基于Fortran語言編制了輪軌界面相互作用子程序VIWR，基于Python語言編制了相應的動力分析程序DABT-V，通過算例分析討論并與實測結(jié)果對比驗證了模型和程序的可靠性。應用耦合振動模型和程序，分析了層間損傷在列車荷載作用下的擴展演化，并對層間脫粘損傷和上拱變

11、形等特征對輪軌系統(tǒng)非線性動力特性的影響進行了研究。研究成果表明:(1)列車荷載單獨作用下對層間損傷擴展演化影響較小，而與溫度荷載共同作用下可能發(fā)生損傷演化，尤其在升溫荷載作用下。(2)當層間發(fā)生脫粘損傷而未形成離縫時，對輪軌動力特性影響較小，反之若已形成離縫則影響較大;(3)升溫荷載作用下寬窄接縫偏心缺陷引起的軌道結(jié)構(gòu)不平順，將導致列車通過時產(chǎn)生較大的二次沖擊，對輪軌系統(tǒng)動力特性影響不利，尤其是扣件支點受力，嚴重時還可能會出現(xiàn)完全減載而