【摘 要】
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高速铁路的发展与国家经济息息相关,无砟轨道是我国高速铁路的主要选择,而轨道板是无砟轨道的重要组成部分。无砟轨道经过雨水的浸泡,水从CA砂浆与轨道板的离缝中渗入,致使CA砂浆层的有机-无机相发生反应,从而引起CA砂浆弱化以致开裂,同时在高速列车荷载作用下,使CA砂浆层中的水经过荷载作用下进而对砂浆层产生横向冲刷,导致CA砂浆产生劈裂损伤甚至完全破坏。CA砂浆的劣化损伤,然而轨道板在CA砂浆劣化下的损
【基金项目】
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国家自然基金(U1434211); 北京市自然科学基金项目(8202012);
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高速铁路的发展与国家经济息息相关,无砟轨道是我国高速铁路的主要选择,而轨道板是无砟轨道的重要组成部分。无砟轨道经过雨水的浸泡,水从CA砂浆与轨道板的离缝中渗入,致使CA砂浆层的有机-无机相发生反应,从而引起CA砂浆弱化以致开裂,同时在高速列车荷载作用下,使CA砂浆层中的水经过荷载作用下进而对砂浆层产生横向冲刷,导致CA砂浆产生劈裂损伤甚至完全破坏。CA砂浆的劣化损伤,然而轨道板在CA砂浆劣化下的损伤力学机理还不十分清楚,针对上述背景,本文在国家自然基金(U1434211)及在北京市自然科学基金项目(8202012)支持下,通过理论分析与数值模拟相结合的方法,开展了CA砂浆受水浸泡损伤下轨道板的力学机理研究工作。本文的主要研究内容与成果如下:(1)通过大量关于CA砂浆受水浸泡劣化文献阅读与信息整合,本文首先介绍了无砟轨道CA砂浆层受水浸泡损伤现状,以及轨道板在CA砂浆层损伤状况下轨道板的服役现状。最后总结得到CA砂浆的损伤情况主要有三种:1)CA砂浆弱化,表现主要由弹性模量的弱化;2)CA砂浆边缘掉块;3)CA砂浆脱空。(2)为建立无砟轨道有机玻璃缩尺模型试验引入了相似理论以及模型试验概念。在此基础上,详细介绍了相似三大基本定理和缩尺模型建立方法。推导了无砟轨道有机玻璃缩尺模型在考虑不同材料情况下的相关参数。并结合ABAQUS有限元软件模型实现了数值化模拟计算,为进一步研究在荷载的作用下,CA砂浆损伤不同工况下轨道板的力学机理研究打下了良好基础。(3)采用ABAQUS有限元软件,结合已得到的有机玻璃缩尺模型参数,对CA砂浆无损伤条件下添加符合相似物理过程的荷载对有机玻璃缩尺无砟轨道模型进行了模拟计算;进而将数值模拟计算结果与足尺无砟轨道模型进行对比分析,验证了有机玻璃缩尺模型的可行性。同时将足尺无砟轨道与现场高铁无砟轨道测试数据进行对比分析,验证了有限元模型的精确度。在确定了缩尺模型可行的条件下,重点分析了无砟轨道缩尺模型CA砂浆在弱化、不同位置边缘掉块、不同位置脱空工况下,静载对轨道板的力学机理。为实际无砟轨道研究和综合治理提供了参考和借鉴意义。(4)紧接着介绍了动力荷载的加载方式理论,并验证了动荷载加载方式理论的正确性。通过ABAQUS有限元软件建立了无砟轨道足尺模型,并与相关文献验证模型的正确性。然后计算了在CA砂浆弹性模量的弱化、不同位置边缘掉块、不同位置脱空工况下动力荷载作用下轨道板的力学机理。计算结果表明:CA砂浆弹性模量减小时在荷载作用下轨道板的垂向位移较为明显;当边缘掉块长度、高度一定时,随着CA砂浆掉块宽度的增大,轨道板的横向应力、垂向应力、横向位移、垂向位移、也增大。当掉块宽度宽度在50cm100cm时,轨道板的应力与位移在掉块位置变化较为明显;在不同脱空位置时,脱空位置处横向应力、垂向应力、横向位移、垂向位移发生突变。整体上随着脱空处的增多,横向应力、垂向应力、横向位移、垂向位移也逐渐增加。数据分析结果体现了轨道板在CA砂浆受水浸泡损伤下轨道板性能的演变,对未来的轨道板结构安全提供了一定的理论参考。
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