高速铁路新型纤维金属复合筋无砟轨道板试验研究与理论分析

摘要

高速铁路无砟轨道具有结构稳定性好,维修工作量少和使用寿命长等优点,在国内外高速铁路中得到了广泛的应用。国内高速铁路大量采用了具有我国自主知识产权的板式无砟轨道板,但其在提高谐振式无绝缘轨道电路的传输性能上,目前普遍采用的绝缘处理方法会导致钢筋与混凝土粘结力和钢筋网片绝缘性能变差等问题。纤维金属复合筋(简称FST)为解决这一难题提供了新的途径。
　　 纤维金属复合筋是一种高强度线弹性材料,具有热膨胀系数与混凝土相近、耐高温性、耐腐蚀性、导热性和绝缘性优良的特点,已逐渐被应用到混凝土领域,把纤维金属复合筋应用在无砟轨道板中可以有效解决上述突出问题,同时在无砟轨道工程结构其他方面也具有较广阔的应用前景。本文在总结前人研究和应用成果的基础上,结合所依托的铁道部“高速铁路无砟轨道工程应用技术试验研究”重大课题,采用室内试验、理论分析和数值模拟等手段对纤维金属复合筋无砟轨道板开展了以下研究工作:
　　 (1)利用弹性地基梁模型、多重叠合梁模型和有限元对比分析在列车荷载作用下的桥梁上无砟轨道结构力学性能,选取针对复杂无砟轨道结构更为合适的理论分析方法。结果表明弹性地基梁模型和多重叠合梁模型对于复杂无砟轨道结构分析有一定的局限性,采用有限元分析方法可以较好地反映无砟轨道板结构实际受力状态,建议进行复杂轨道结构分析时除采用前两种方法外还需利用有限元方法进行对比验证。
　　 (2)运用有限元方法分别建立包括路基和桥梁在内的无砟轨道结构全模型研究其静力和动力特性。研究了结构参数、桥梁变形、路基沉降和温度作用对路基和桥梁上无砟轨道板静力性能的影响,总结规律得出了最优轨道板结构参数;研究了结构参数对路基和桥梁上无砟轨道结构系统动力特性的影响,以及在不同时速列车荷载作用下路基和桥梁上无砟轨道结构系统中各组成部分的动力响应,评价了路基及桥梁上无砟轨道系统的动力响应水平,并对板式无砟轨道结构设计提出了建议。结果表明在静力荷载作用下需综合考虑结构参数对轨道板受力性能影响,桥梁变形、路基沉降度和温度作用对轨道板内力带来的附加影响较大,不容忽视;在动力荷载作用下采用较低刚度扣件和较高弹性模量的砂浆调整层可以起到有效减振效果,但应综合考虑其他各种因素;当列车时速为200～250 km/h时结构各项力学性能指标均为最小值,为理想行车速度,当时速达到350 km/h时,结构各项指标出现局部最大值现象,为轨道结构动力分析重要控制点,当时速达到450～500km/h时,结构竖向加速度突增,建议调整扣件刚度和砂浆调整层弹性模量进行减振;相同列车速度作用下路基上轨道结构各项指标均大于箱梁结构,是高速列车行驶较为薄弱地段,建议在进行无砟轨道结构设计时重点考虑路基基础条件。
　　 (3)开展了纤维金属复合筋材料力学性能试验研究,研究了纤维金属复合筋的受拉性能和与混凝土之间的粘结性能,探讨粘结滑移机理,提出了纤维金属复合筋与混凝土之间的粘结强度和锚固长度建议值。开展了纤维金属复合筋无砟轨道板在静力荷载作用下的破坏机理过程及破坏形态、平截面假定验证、荷载—挠度分析、裂缝宽度及分布特征分析和受弯承载力等一系列力学性能试验研究,并与CRTSⅡ型轨道板试验结果进行对比分析,验证了纤维金属复合筋在力学性能上可以满足无砟轨道板设计要求。开展了纤维金属复合筋无砟轨道板等幅疲劳性能试验研究,研究了无砟轨道板在等幅疲劳荷载作用下受力机理与破坏形态、平截面假定验证、受压区混凝土积累残余应变发展规律、受拉筋应变发展规律及S-N曲线、挠度发展规律及变形分析、裂缝宽度发展规律及计算方法和无砟轨道板疲劳寿命预测,验证了纤维金属复合筋无砟轨道板具有良好的耐久性能。
　　 (4)通过对纤维金属复合筋轨道板中不同材料的本构关系与破坏准则、混凝上裂缝宽度及分布、筋材与混凝土粘结问题以及边界条件进行研究与探讨,运用有限元对纤维金属复合筋轨道板进行全过程非线性静力分析,研究了裂缝的发展、破坏过程及破坏形态和受弯承载力,并与理论分析和试验结果进行对比,验证了该分析方法具有较好的可靠性。
　　 (5)提出了针对新型纤维金属复合筋无砟轨道板的设计原则、设计思路和设计方法,利用本文提出的设计理论设计出四种新型纤维金属复合筋无砟轨道板,并与CRTSⅡ型无砟轨道板进行力学性能和经济性能对比分析,结果表明预应力筋大偏心新型纤维金属复合筋无砟轨道板具有较好的力学性能和经济效益。