板式无砟轨道结构疲劳可靠性分析方法及其应用研究

摘要

无砟轨道以其高平顺、高稳定和少维修的特点而被广泛应用于高速铁路和客运专线。随着列车提速及高速铁路建设需要，我国的无砟轨道在引进国外先进技术理念的基础上，通过快速消化吸收和再创新，并经大量的试验段研究及工程建设实践积累了丰富的设计、建造经验，逐渐形成了具有自主知识产权的无砟轨道技术和相对系统的无砟轨道设计理论体系，为无砟轨道的广泛应用作出了较大贡献。然而，由于日常服役中无砟轨道结构面临的列车荷载、结构及自然环境等参数存在明显的随机特性，现有设计理论与方法难以完全反映和体现无砟轨道结构的抗疲劳设计需求，也无法对长期服役条件下的无砟轨道结构疲劳性能进行准确评估。本文通过引入可靠性理论，建立考虑荷载、结构和环境等参数随机特性的板式无砟轨道结构疲劳可靠性分析模型，用于分析长期服役条件下的板式无砟轨道结构疲劳可靠性。本文的研究工作促进了可靠性理论与方法在板式无砟轨道结构抗疲劳设计或疲劳性能分析中的应用，具有较高的理论意义和工程应用价值。本论文主要开展了如下研究工作:
　　(1)在广泛收集国内外研究资料的基础上，结合无砟轨道结构在长期服役条件下面临的现实问题，建立描述无砟轨道结构服役中面临的荷载、结构和自然环境等参数随机特性的数学模型。利用ABQUAS软件建立的车辆-轨道-地基耦合系统动力仿真模型，分析了轨道高低不平顺激励下作用于板式无砟轨道结构上的列车荷载分布特征及其参数取值，提出引入蒙特卡罗法(Monte Carlo)来模拟产生板式无砟轨道结构中荷载、结构等随机参数变量样本。
　　(2)对弹性地基叠合梁模型解析解法计算板式无砟轨道结构横向弯矩的不足进行修正，提出了利用修正后的弹性地基叠合梁模型解析解分析随机参数下板式无砟轨道结构中轨道板和底座板等主体承载结构的列车荷载效应（弯矩）分布特征的方法。考虑列车轮载、扣件刚度及地基系数等主要参数的随机特性，采用蒙特卡罗法(Monte Carlo)模拟产生这几种随机参数变量样本，结合修正后的弹性地基双层叠合梁模型解析解分析确定了这几种随机参数下的板式无砟轨道结构中轨道板和底座板的常用列车荷载效应（弯矩）的分布特征和分布参数。
　　(3)根据固体传热理论建立和求解得到板式无砟轨道结构温度场方程，利用城市历史气象资料和温度场方程计算得到代表城市所在地板式无砟轨道结构中标准厚度轨道板和底座板温度梯度作用（日最值和常用值）和轴向均匀温度作用（包含日均值、日幅值、日最值和常用值）的多年历程，通过统计分析确定了不同城市所在地板式无砟轨道结构中这几种温度作用的分布特征和分布参数。基于温度作用概率模型及分布特征，提出了确定具有不同概率需求的板式无砟轨道结构温度作用日最值代表值的计算方法，结合无砟轨道结构特征和相关规范要求，提出了部分地区无砟轨道结构温度梯度作用和轴向均匀温度作用日最值的建议值。
　　(4)考虑板式无砟轨道结构中轨道板和底座板可能发生的损伤形式和板的结构特征，分析确定了轨道板和底座板主要的潜在疲劳失效模式，并提出了各种疲劳失效模式的表征指标。根据钢筋混凝土结构中材料的疲劳性能，建立了一般条件下（不考虑环境作用）轨道板和底座板各种疲劳失效模式对应的疲劳可靠性分析模型及极限状态方程。在材料疲劳性能常数中引入环境作用衰减函数φ(t)，以考虑大气环境碳化作用、寒冷地区冻融环境冻融循环作用的影响。通过试验研究和理论分析，建立考虑环境作用的板式无砟轨道结构中轨道板和底座板各种疲劳失效模式对应的疲劳可靠性分析模型及极限状态方程。
　　(5)利用本文建立的一般条件下和环境作用条件下板式无砟轨道结构中轨道板和底座板各种疲劳失效模式对应的可靠性分析模型和极限状态方程，对现有的CRTS-Ⅱ和CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构中轨道板和底座板的抗疲劳可靠指标及失效概率进行分析，评价不同地区、不同环境条件下CRTS-Ⅱ和CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构中轨道板和底座板的疲劳可靠性。
　　本文在板式无砟轨道结构疲劳可靠性分析方面所作的一些列理论分析、数值模拟及试验研究等工作，将促进板式无砟轨道结构疲劳可靠性分析方法的发展，为完善无砟轨道结构的抗疲劳设计或疲劳性能检算及评价提供有效的途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状与分析

1．2．1 无砟轨道结构的发展应用现状

1．2．2 无砟轨道运营阶段病害问题现状

1．2．3 无砟轨道结构疲劳问题研究现状

1．2．4 钢筋混凝土结构及材料疲劳研究现状

1．2．5 环境作用下混凝土结构疲劳研究现状

1．2．6 无砟轨道结构可靠性研究现状

1．2．7 现有研究现状评析

1．3 本文研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方案和技术路线

第二章 无砟轨道中结构和荷载参数不确定性及其随机模拟

2．1 引言

2．2 无砟轨道结构中的随机不确定性

2．2．1 计算模型的不确定性

2．2．2 结构参数的不确定性

2．2．3 荷载的不确定性

2．2．4 处理不确定性的可靠性分析方法

2．2．5 无砟轨道结构中随机参数特性描述

2．3 无砟轨道结构参数的随机特性分析

2．3．1．材料性能参数

2．3．2．几何参数

2．4 无砟轨道列车荷载参数的随机特性分析

2．4．1 无砟轨道典型列车车辆荷载

2．4．2 列车竖向荷载动载系数取值方法

2．4．3 常用轮载动载系数统计分析

2．4．4 设计轮载动载系数分布参数

2．5 无砟轨道结构中的随机参数模拟

2．5．1 随机参数模拟方法

2．5．2 随机参数样本

2．6 本章小结

第三章 随机参数下板式无砟轨道结构列车荷载效应统计分析

3．1 引言

3．2 列车荷载作用下板式无砟轨道结构弯矩计算方法

3．2．1 弹性地基梁模型

3．2．2 弹性地基梁-板模型

3．2．3 弹性地基梁-体模型

3．2．4 三种分析模型对比

3．2．5 弹性地基横向叠合截梁模型修正

3．3 板式无砟轨道结构受力参数敏感性分析

3．3．1 轨道板宽度

3．3．2 轨道板厚度

3．3．3 支承层厚度

3．3．4 扣件刚度

3．3．5 地基系数

3．3．6 列车竖向荷载

3．3．7 参数敏感性分析小结

3．4 荷载与结构随机参数下板式无砟轨道结构列车荷载效应

3．4．1 随机参数下无砟轨道结构列车荷载效应分析方法

3．4．2 无砟轨道随机参数的选择及取值

3．5 CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道结构常用列车荷载效应统计分析

3．5．1 轨道板常用轮载荷载效应分布直方图

3．5．2 常用轮载荷载效应分布特征

3．6 CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构常用列车荷载效应统计分析

3．6．1 CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构概述

3．6．2 常用轮载荷载效应分布特征

3．7 本章小结

第四章 板式无砟轨道结构温度作用及作用效应特征统计分析

4．1 引言

4．2 板式无砟轨道结构温度场求解与验证

4．2．1 板式无砟轨道结构温度场函数求解

4．2．2 板式无砟轨道结构温度场函数验证

4．3 板式无砟轨道结构温度作用分类与表达

4．3．1 轴向均匀温度作用

4．3．2 温度梯度作用

4．3．3 温度作用表达式

4．4 轨道板温度梯度作用统计分析

4．4．1 温度梯度作用日最值年分布

4．4．2 常用温度梯度作用年分布

4．5 轴向均匀温度作用统计分析

4．5．1 日均值年分布

4．5．2 日幅值年分布

4．5．3 日最值年分布

4．5．4 常用轴向均匀温度作用年分布

4．6 板式无砟轨道板温度作用代表值

4．6．1 温度梯度作用日最值

4．6．2 轴向均匀温度作用日最值

4．7 板式无砟轨道结构温度作用效应

4．7．1 板式无砟轨道轴向均匀温度作用效应分析

4．7．2 轨道板温度翘曲作用效应分析

4．8 本章小结

第五章 板式无砟轨道结构疲劳可靠性分析模型

5．1 引言

5．2 板式无砟轨道结构失效模式及表征指标

5．2．1 板式无砟轨道结构失效模式分析

5．2．2 疲劳极限状态及表征指标

5．3 一般条件下无砟轨道结构疲劳可靠性分析模型

5．3．1 一般条件下结构或材料疲劳特性

5．3．2 疲劳累积损伤规律

5．3．3 疲劳可靠性分析模式

5．3．4 轨道板／底座板疲劳极限状态方程

5．4 环境作用下无砟轨道结构疲劳可靠性分析模型

5．4．1 环境作用下混凝土结构疲劳特性描述

5．4．2 环境作用下疲劳分析模式

5．4．3 冻融环境下混凝土抗弯拉疲劳性能

5．4．4 冻融环境下混凝土抗压疲劳性能

5．4．5 大气环境下锈蚀钢筋的疲劳性能

5．4．6 环境作用对疲劳应力的影响系数

5．4．7 环境作用下轨道板／底座板疲劳极限状态方程

5．5 本章小结

第六章 板式无砟轨道结构疲劳可靠性评价应用

6．1 引言

6．2 无砟轨道结构疲劳荷载效应分析

6．2．1 基于容许应力法的荷载效应组合概述

6．2．2 疲劳荷载及荷载效应组合

6．2．3 轨道板和底座板等效等幅疲劳应力

6．2．4 CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道结构等效等幅疲劳应力分布特征

6．2．5 CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构等效等幅疲劳应力分布特征

6．3 轨道板和底座板疲劳抗力取值

6．3．1 混凝土受拉／压状态疲劳强度

6．3．2 钢筋／预应力筋受拉状态疲劳强度

6．4 轨道板／底座板疲劳可靠性评价

6．4．1 疲劳可靠性内涵

6．4．2 可靠指标计算方法

6．4．3 一般条件下疲劳可靠指标及可靠性概率

6．4．4 环境作用下疲劳可靠指标及可靠性概率

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究的建议

参考文献

攻博期间的学术经历与成果

致谢