高鐵橋樑CAM層劣化機理的試驗研究和多尺度模擬

《高鐵橋樑CAM層劣化機理的試驗研究和多尺度模擬》是依託浙江大學，由汪勁豐擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高鐵橋樑CAM層劣化機理的試驗研究和多尺度模擬
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：汪勁豐
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

我國高速鐵路目前多採用板式無砟軌道，水泥瀝青砂漿（CAM）層是板式軌道結構層關鍵，對高速鐵路的安全運營至關重要。CAM材料層除了承受溫變、初始缺陷及列車荷載等作用外，橋樑變形還將導致其承受折彎、局部擠壓等，容易發生劣化破壞，並嚴重影響列車行駛的安全性及軌道板系統的耐久性。開展CAM層的劣化過程及機理分析研究，是防治CAM層破壞的關鍵。將粘聚帶模型（CZM）擴展套用於無砟軌道CAM層的起裂判斷及裂紋擴展分析，並通過CAM材料和CAM與軌道板混凝土界面試驗，對模型參數進行標定。設計橋樑結構、CAM、軌道板及鐵軌體系的縮尺模型，採用MTS載入系統對多因素綜合作用下的CAM層劣化及破壞過程進行系統研究。基於實體退化和虛擬層合思想，用數學格線自適應處理技術實現對高鐵橋樑CAM層劣化的多尺度模擬。期望通過本項目實施，建立CAM劣化模型及開發多尺度數值方法，為提升高速鐵路安全性和CAM耐久性提供支撐。

結題摘要

我國高速鐵路目前多採用板式無砟軌道，水泥瀝青砂漿（CAM）層是板式軌道結構層關鍵，其服役時的力學性能對高速鐵路的安全運營至關重要。本研究開展了CAM在不同載入速率、溫度下的單軸壓縮試驗，以及不同圍壓下的靜三軸試驗，對破壞模式、抗壓強度、彈性模量及應力應變關係的變化規律進行了分析，系統地總結了CAM的力學性能和載入速率、溫度以及圍壓的關係，並採用修正的德馬舒克（Domaschuk）模型合理地描述了CAM的應力應變關係。本研究為CAM在複雜條件下服役期間的性能提供了參考依據，並為無砟軌道的受力過程分析和有限元計算建立了理論基礎。 對於包含CAM墊層的高速鐵路無砟軌道系統，各結構組成之間以變形不連續的界面為銜接，力學關係複雜、分析規模龐大。基於粘聚區域模型（Cohesive Zone Model，CZM），用多折線形式來描述界面正應力-張開位移關係和界面剪下應力-滑移關係，以模擬CAM與混凝土板之間界面的滑動和脫離等非連續變形。採用物理區域與單元格線相獨立的策略，使得物理區域可獨立於有限元格線進行劃分；對於各物理單元，根據其受力特點，在彈性力學一般問題的應力應變關係中通過罰係數法引入相應的力學假定，保留了六面體單元格線形式的同時，大大降低格線數量，有效解決不同尺度和類型格線間的變形協調問題，為CAM層破壞過程的多尺度模擬分析提供一途徑。 總結分析了CAM可能出現的劣化類型，採用有限元方法模擬了不同劣化現象對軌道結構的影響。結果表明，軌道結構的應力和變形隨著CAM層邊緣脫落和大面積碎裂程度的加深而逐漸增大，軌道的平順性降低；且隨著CAM與軌道板脫空長度的增大，軌道結構發生共振的可能性不斷增大，影響高鐵橋樑結構的安全性，給車軌橋耦合振動效應評估提出了新的需求。