基于可靠度的高速铁路无砟轨道结构全寿命设计理论与方法研究

高速铁路是我国近期投资力度最大、发展速度最快的重点工程建设领域。我国高铁列车运营时速350公里，最高时速487.3公里。虽然目前我国在无砟轨道的研究取得一定成就，但总体来说同国外相比还存在一定差距，尚没有形成系统的无砟轨道设计理论、设计方法及相对成熟的技术条件。本项目通过对国外无砟轨道结构设计规范的对比和国内无砟轨道结构研究现状的分析，进一步完善我国现有的基于容许应力法的无砟轨道结构设计理论，并将基于可靠度的工程结构全寿命设计理念引入到无砟轨道结构设计中，研究建立一套基于可靠度的无砟轨道结构全寿命设计理论体系，形成并完善我国高速铁路无砟轨道技术体系。相关研究成果将为提高我国高铁工程的运营安全和使用寿命，有效降低养护维修成本，提高建设质量和服务水平提供科学技术支撑和创新人才培养。

本课题针对板式无砟轨道结构在服役中面临的诸多不确定性因素，引入可靠性理论来处理不确定性因素对结构安全性和适用性的影响；通过建立列车-轨道-下部基础结构耦合模型，分析了轨道不平顺随机激励下作用于无砟轨道结构上的轮载动载系数分布特征及取值；基于固体传热理论及无砟轨道结构特征建立温度场方程，利用城市历史气象资料求解获得无砟轨道结构温度作用历程，经统计分析获得温度作用特征及分布参数，提出具有不同保证概率的无砟轨道结构温度作用代表值和标准值。通过理论分析和数值仿真对板式无砟轨道结构在列车荷载、温度荷载及基础变形作用下的静力及动力响应进行分析，并对结构响应进行参数敏感性分析。考虑无砟轨道结构在日常服役中面临的性能需求，提出了无砟轨道结构的性能指标，并根据结构特征对结构的性能极限状态进行划分。根据无砟轨道结构在日常服役中所承受荷载及结构的特征，对无砟轨道结构潜在的主要失效模式进行分析，建立板式无砟轨道结构的功能函数及极限状态方程。基于钢筋混凝土材料的疲劳特征及疲劳累积损伤规律，建立无砟轨道结构构件各种失效模式对应的疲劳可靠性分析模型，对结构构件不同失效模式下的疲劳可靠性及失效概率进行分析。考虑无砟轨道结构在寿命周期内经历建造、维护维修、更换等多个过程所需费用成本，引入全寿命设计理论对板式无砟轨道结构进行设计和优化，建立全寿命设计的目标体系和指标体系，提出了结构构件的全寿命周期经济分析模型。.本课题通过研究得到如下结论：动力仿真分析结果表明列车作用于无砟轨道上的动轮载及产生的动载系数标准差随行车速度的增加而增大，随地基刚度的增大而减小。不同地区板式无砟轨道结构中温度作用荷载的分布类型及参数各不相同，根据不同地区温度作用分布特征、参数及荷载极值模型，提出了无砟轨道结构中轨道板温度梯度作用的区划。无砟轨道结构动力响应分析结果表明，轨道不平顺以及纵坡对列车振动和舒适性的影响随行车速度的增加而加剧，线路上的高频和低频振动具有可重复预测性，可作为监测线路不均匀沉降的特征指标。考虑温度作用引起的无砟轨道结构变形对无砟轨道结构的动力响应及服役性能的影响相较不考虑温度作用引起的变形要大。无砟轨道结构中轨道板、底座板等不同失效模式下的可靠度及失效概率分析结果表明，不同地区、不同条件下的无砟轨道结构构件的疲劳可靠度及失效概率的大小各不相同，在进行结构可靠性设计或分析时需要根据地区和条件进行分区考虑。