高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构失效分析与伤损试验研究

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导师姓名
孙璐
学科专业
交通运输工程
文献出处
东南大学   2017年
关键词
高速铁路论文  无砟轨道结构论文  精细化模型论文  失效模式论文  可靠度理论论文  静力试验论文  声发射论文  概率损伤模型论文
论文摘要

随着我国铁路大规模发展和深入推进,高速铁路建设取得了重大进展,高速铁路的建设进入了一个全面发展、快速建设的新阶段。高速铁路在迅速发展的同时也带来了问题和挑战,由于在设计和建造过程中对复杂条件下无砟轨道性能变化研究不足,国内多条线路在运营过程中出现了一定程度的病害现象,例如混凝土底座开裂、轨道板开裂、板中隆起、板端翘曲、填充层剥离、碎裂等,严重影响了高速铁路运行的安全。随着早期建设的无砟轨道结构服役期的增长,结构维修养护任务凸显出来,因此无砟轨道结构病害的分析和研究意义重大。对无砟轨道病害机理进行分析研究,明确病害产生和发展的主要因素,研究成果可以使无砟轨道结构的设计更加安全、合理,养护维修决策更加科学,对提高无砟轨道结构的服役寿命,改善结构的使用性能,保障行车安全,具有重要的社会意义和广泛的应用前景。本文在总结前人研究和应用成果的基础上,依托高铁联合基金项目"基于可靠度的高速铁路无砟轨道全寿命设计理论与方法研究"重大课题,以京沪高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构为研究对象,采用室内试验、理论分析和数值模拟等手段对无砟轨道结构开展了以下研究工作:首先,利用精细化模型分析无砟轨道结构的力学性能,从模型、材料、荷载作用、边界条件精细化考虑精细化模型的建立方法,对无砟轨道结构受荷最不利位置、潜在失效模式进行分析和研究。研究结果表明:对于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构,路基基础上轨道结构的临界荷位为板端加载,桥梁基础上轨道结构的临界荷位为跨中板端加载,轨道板最不利位置位板端板角处,CA砂浆层与支撑层/底座板最不利位置为荷载下方;对于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构,临界荷位为板中加载(桥梁基础上为跨中板中加载),轨道板、CA砂浆层与支撑层/底座板最不利位置均为荷载下方。其次,在既有无砟结构温度效应计算方法的基础上,重点对由均匀降温引起的CRTS Ⅱ型轨道板裂缝以及温度梯度引起的轨道板与下部支撑结构的离缝进行研究。首先对由均匀降温引起的轨道板裂缝形成机理进行研究,通过建立无砟轨道结构均匀降温下的开裂模型,考虑配筋、下部支撑结构(CA砂浆层或自密实混凝土层)以及上部扣件系统对板的收缩变形的约束作用,对裂缝形成机理、裂缝影响因素、裂缝对无砟轨道板受力影响进行分析;然后对温度梯度引起的轨道板与下部支撑结构的离缝进行研究,基于能量法的轨道板翘曲变形研究,采用富利叶级数来模拟轨道板翘曲过程中的翘曲曲线,根据拟Newton迭代算法求得轨道板翘曲曲线方程,对不同温度梯度和不同地基系数下轨道板的翘曲变形量进行了分析,探讨了降低板角离缝的方法。然后,将可靠度理论应用于分析无砟轨道结构的使用安全分析中,首先对无砟轨道结构在列车荷载作用下的失效模式进行分析,由于无砟轨道结构是满足荷载作用下截面抗弯承载能力要求为主,因此考虑板的纵向、横向弯拉失效模式,建立可靠性指标来反映结构使用风险,判断失效路径,实现定量化的安全评价。然后结合均匀降温作用下无砟轨道结构的开裂失效分析,研究随机参数下的裂缝间距与裂缝宽度分布特征,建立了基于可靠度的纵连式轨道板在降温作用下的失效概率分析方法。再次,开展了 CRTSⅡ型无砟轨道板在静力荷载作用下力学性能试验研究。根据轨道板受力特点将轨道板按轨下截面试验板、跨中截面试验板和纵向截面试验板分别进行承载力试验,通过对静载作用下的轨道板纵向跨中截面、横向轨下截面、横向跨中截面的试验数据分析,重点研究了 CRTSⅡ无砟轨道板裂缝分布特征、失效模式、承载能力以及裂缝宽度计算方法、截面刚度计算方法的内容。最后,针对当前无砟轨道板损伤和结构力学响应尚未建立起定量关系的现状,通过室内三点弯曲试验(TBP),得到分级加载下荷载-挠度关系、跨中截面应变随高度变化关系、曲率-损伤关系,对不同裂缝宽度下轨道板损伤演化过程进行了分析,利用声发射累计事件数和结构损伤相关一致性关系定量评价无砟轨道结构的损伤,建立了通过结构力学响应评估结构损伤的概率损伤模型的方法。

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摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 高速铁路无砟轨道应用现状

1.2.1 日本板式轨道结构

1.2.2 德国无砟轨道结构

1.2.3 我国无砟轨道结构

1.3 无砟轨道结构失效模式研究

1.3.1 无砟轨道运营阶段病害

1.3.2 无砟轨道结构失效模式

1.4 无砟轨道结构设计理论与方法研究现状

1.4.1 我国无砟轨道结构设计理论

1.4.2 无砟轨道失效模式分析和损伤模型研究现状

1.4.3 存在的问题

1.5 本文研究内容及技术路线

第2章 无砟轨道结构精细化模型应用研究

2.1 列车荷载作用

2.2 无砟轨道结构计算模型及材料参数取值

2.2.1 混凝土材料

2.2.2 钢筋材料

2.2.3 缓冲协调层

2.2.4 地基系数

2.2.5 无砟轨道结构设计计算模型

2.3 临界荷位及最不利位置分析

2.3.1 CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构

2.3.2 CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构

2.3.3 临界荷位和最不利位置

2.4 无砟轨道结构潜在失效模式研究

2.4.1 低温开裂失效模式

2.4.2 板中拱起失效模式

2.4.3 板角翘曲失效模式

2.5 本章小结

第3章 CRTSⅡ板式无砟轨道结构典型病害机理研究

3.1 无砟轨道结构参数特性及取值

3.1.1 无砟轨道扣件刚度

3.1.2 钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系

3.1.3 无砟轨道地基系数

3.1.4 轨道纵向阻力系数[82]

3.1.5 层间粘结刚度

3.2 无砟轨道结构裂缝病害研究

3.2.1 均匀降温下轨道板开裂计算模型

3.2.2 降温作用下轨道板内力、位移的分布规律

3.2.3 影响裂缝特征指标的参数敏感性分析

3.3 无砟轨道板离缝病害研究

3.3.1 基于能量法的轨道板的翘曲变形研究

3.3.2 轨道板翘曲变形计算分析

3.3.3 温度梯度影响下的轨道板翘曲规律

3.3.4 地基系数影响下的轨道板翘曲规律

3.4 小结

第4章 基于可靠度的CRTSⅡ板式无砟轨道结构失效模式研究

4.1 无砟轨道结构主要失效模式

4.1.1 无砟轨道结构主要功能要求

4.1.2 无砟轨道结构极限状态分析

4.1.3 无砟轨道结构主要失效模式

4.2 CRTS Ⅱ轨道板在列车荷载作用下的失效概率分析

4.2.1 无砟轨道在列车荷载作用下的失效模式

4.2.2 CRTS Ⅱ轨道板可靠性功能函数的确定

4.2.3 CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的多重叠合梁模型

4.2.4 多失效概率故障树模型

4.2.5 基于蒙特卡罗抽样法的可靠度计算

4.2.6 可靠度分析

4.3 CRTS Ⅱ型轨道板在降温作用下的失效概率分析

4.3.1 无砟轨道板裂缝统计分布特征分析

4.3.2 随机参数模拟与分布检验

4.3.3 裂缝间距统计分布特征

4.3.4 裂缝宽度统计分布特征

4.3.5 基于可靠度的纵连式式轨道板在降温作用下的失效概率分析

4.4 结论

第5章 高速铁路CRTSⅡ型轨道板力学性能研究

5.1 试验概况

5.1.1 轨道板的组成

5.1.2 轨道板材料力学指标

5.1.3 试件设计与制作

5.1.4 测试内容

5.2 轨道板荷载-挠度分析

5.2.1 轨道板截面刚度的计算

5.2.2 试验荷载-挠度曲线

5.2.3 理论分析

5.3 轨道板裂缝分布特性及宽度分析

5.3.1 裂缝宽度计算

5.3.2 试验裂缝分布特征分析

5.3.3 理论分析

5.4 轨道板抗弯承载力分析

5.4.1 轨道板横截面受弯承载力计算

5.4.2 轨道板纵向截面受弯承载力计算

5.5 斜截面抗剪承载力分析

5.6 小结

第6章 基于声发射技术的无砟轨道板损伤模型研究

6.1 声发射检测原理

6.1.1 声发射原理及信号特性

6.1.2 凯赛效应和费利西蒂效应

6.1.3 声发射信号与结构损伤

6.2 受弯试验

6.2.1 试验概况

6.2.2 试验测试系统

6.2.3 荷载—挠度曲线

6.2.4 受弯截面特性分析

6.2.5 曲率-损伤曲线

6.3 无砟轨道板的损伤模型

6.3.1 概率损伤理论

6.3.2 损伤模型建立与分析

6.3.3 阈值取值的统计意义

6.4 结论与建议

第7章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 成果创新性

7.3 下一步研究的建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间学术经历及成果

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