高铁桥梁CAM层劣化机理的试验研究和多尺度模拟

我国高速铁路目前多采用板式无砟轨道，水泥沥青砂浆（CAM）层是板式轨道结构层关键，对高速铁路的安全运营至关重要。CAM材料层除了承受温变、初始缺陷及列车荷载等作用外，桥梁变形还将导致其承受折弯、局部挤压等，容易发生劣化破坏，并严重影响列车行驶的安全性及轨道板系统的耐久性。开展CAM层的劣化过程及机理分析研究，是防治CAM层破坏的关键。将粘聚带模型（CZM）扩展应用于无砟轨道CAM层的起裂判断及裂纹扩展分析，并通过CAM材料和CAM与轨道板混凝土界面试验，对模型参数进行标定。设计桥梁结构、CAM、轨道板及铁轨体系的缩尺模型，采用MTS加载系统对多因素综合作用下的CAM层劣化及破坏过程进行系统研究。基于实体退化和虚拟层合思想，用数学网格自适应处理技术实现对高铁桥梁CAM层劣化的多尺度模拟。期望通过本项目实施，建立CAM劣化模型及开发多尺度数值方法，为提升高速铁路安全性和CAM耐久性提供支撑。

我国高速铁路目前多采用板式无砟轨道，水泥沥青砂浆（CAM）层是板式轨道结构层关键，其服役时的力学性能对高速铁路的安全运营至关重要。本研究开展了CAM在不同加载速率、温度下的单轴压缩试验，以及不同围压下的静三轴试验，对破坏模式、抗压强度、弹性模量及应力应变关系的变化规律进行了分析，系统地总结了CAM的力学性能和加载速率、温度以及围压的关系，并采用修正的德马舒克（Domaschuk）模型合理地描述了CAM的应力应变关系。本研究为CAM在复杂条件下服役期间的性能提供了参考依据，并为无砟轨道的受力过程分析和有限元计算建立了理论基础。.对于包含CAM垫层的高速铁路无砟轨道系统，各结构组成之间以变形不连续的界面为衔接，力学关系复杂、分析规模庞大。基于粘聚区域模型（Cohesive Zone Model，CZM），用多折线形式来描述界面正应力-张开位移关系和界面剪切应力-滑移关系，以模拟CAM与混凝土板之间界面的滑动和脱离等非连续变形。采用物理区域与单元网格相独立的策略，使得物理区域可独立于有限元网格进行划分；对于各物理单元，根据其受力特点，在弹性力学一般问题的应力应变关系中通过罚系数法引入相应的力学假定，保留了六面体单元网格形式的同时，大大降低网格数量，有效解决不同尺度和类型网格间的变形协调问题，为CAM层破坏过程的多尺度模拟分析提供一途径。.总结分析了CAM可能出现的劣化类型，采用有限元方法模拟了不同劣化现象对轨道结构的影响。结果表明，轨道结构的应力和变形随着CAM层边缘脱落和大面积碎裂程度的加深而逐渐增大，轨道的平顺性降低；且随着CAM与轨道板脱空长度的增大，轨道结构发生共振的可能性不断增大，影响高铁桥梁结构的安全性，给车轨桥耦合振动效应评估提出了新的需求。