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。