列车荷载与温度耦合作用下高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构疲劳损伤行为研究

The operation practice of high-speed railway at home and abroad shows that the ballastless track structure is deteriorated due to the repeat coupled effect of train load and environmental action. The long-time accumulated damage of ballastless track structure is bound to affect the service state of high-speed railway and operation quality of high-speed train, and even endangers traffic safety. Since application and research time on the new self-developed CRTSⅢ slab ballastless track structure is relatively short, there is still lack of systematic and in-depth fundamental theory research in our country high-speed railway and the coupled effect of train load and temperature action on structural performance deterioration is not taken into account completely in the literatures. Based on theoretical analysis and numberical simulation, fatigue damage evolution mechanism of the bridge CRTSⅢ slab ballastless track structure under high-speed train load, fatigue damage behavior of ballastless track structure under long-time temperature action, and the coupled mechanism of train load and temperature action are systematically investigated. The numberical method of fatigue damage evolution for bridge CRTSⅢ slab ballastless track structure under the coupling effects is presented. The fatigue damage behavior of CRTSⅢ slab ballastless track structure under the coupling effect of fatigue loading and temperature action will be revealed by numberical simulation and experimental method. The calculation analysis method of fatigue behavior for CRTSⅢ slab ballastless track structure is established. The results will provide important science basis for design, evaluation and maintenance of slab ballastless track structure.

高速铁路运营实践表明，在列车荷载和环境耦合重复作用下高速铁路无砟轨道结构会发生损伤劣化现象，长时间累积损伤势必将影响线路状态与列车运营品质，甚至危及行车安全。由于我国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构研究和运用的时间还比较短，目前尚缺乏系统深入的基础理论研究，已有的研究也并未充分考虑列车荷载与温度耦合作用的影响。为此，本项目拟通过理论分析和数值模拟研究列车荷载作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构疲劳损伤演化机理、长期温度作用下CRTSⅢ型板式无砟轨结构疲劳损伤特性以及列车荷载与温度耦合作用机制，发展耦合作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构疲劳损伤演化数值模拟方法，通过数值仿真和试验研究，揭示列车荷载与温度耦合作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构疲劳损伤行为，建立耦合作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构疲劳性能计算分析方法。研究成果将为板式无砟轨道结构的设计、评估和养护维修提供科学依据。

本项目以桥上CRTSШ型板式无砟轨道结构为研究对象，结合试验研究、理论分析和数值模拟，开展了列车荷载与温度耦合作用下高速铁路桥上CRTSШ型板式无砟轨道结构疲劳损伤行为研究，按照项目原定计划，揭示了CRTSШ型板式无砟轨道结构疲劳损伤行为，提出了相应的试验模拟、数值模拟和计算分析方法。主要创新成果如下：.（1）开展了CRTSШ型板式无砟轨道结构混凝土和界面的静力和疲劳试验，揭示了混凝土材料和界面的静力和疲劳破坏特征；开展了自密实混凝土与轨道板界面纳米压痕和扫描电镜试验，分析了界面弹性模量、硬度和微观结构等；建立了基于微-细观机理的混凝土和界面随机损伤疲劳本构模型，提出了基于材料损伤本构与车-轨-桥系统耦合振动分析的CRTSШ型板式无砟轨道结构疲劳损伤分析方法，揭示了列车荷载作用下CRTSШ型板式无砟轨道结构疲劳损伤行为；. （2）开展了自然环境下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构足尺模型温度场试验，分析了自然环境下轨道结构温度场特征，建立了考虑温度时变性和随机性的长期温度和温度梯度作用谱；开展了环境箱人工模拟温度作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构足尺模型作用效应试验，分析了人工模拟温度作用下无砟轨道结构受力和伤损特性；基于气象学、传热学、辐射原理和有限元平台二次开发功能，提出了长期温度作用下无砟轨道结构作用效应分析模型和方法，揭示了温度载荷作用下桥上CRTSШ型板式无砟轨道结构损伤行为；. （3）开展了自然环境温度下车-轨-桥系统耦合振动特性研究，分析了环境温度对列车作用效应的影响，提出了列车荷载与温度载荷作用效应耦合模拟方法；基于前面两部分研究，建立了列车荷载与温度耦合作用下无砟轨道结构疲劳损伤分析模型，揭示了列车荷载与温度耦合作用下CRTSШ型板式无砟轨道结构损伤演化规律与行为。.研究成果可为高速铁路板式无砟轨道结构设计、评估和养护维修提供必要的理论基础。对整体提升了我国高速铁路无砟轨道结构分析水平提供一定理论支撑。在其它轨道交通中也具有广阔的应用前景。