列车荷载-水耦合作用下无砟轨道水平裂纹尖端强度因子有限元计算模型

针对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间裂纹扩展的典型现象,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹尖端强度因子的三维计算模型。依据水压力在裂纹表面作用的特点,基于弹性力学及断裂力学原理,引入双协调方程、Westergaard应力函数,得到应力分量及位移分量。把裂纹表面受到均布水压力引起裂纹尖端强度因子增大的问题,简化为裂纹表面受无数集中力时的叠加而引起裂纹尖端强度因子的增大问题。结果表明,CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹扩展类型为Ⅰ型,依据Ⅰ型裂纹失稳扩展发生在应变能密度因子S最小方向,确定CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹沿着原来的裂纹面扩展。通过ANSYS-Workbench-Fracture Tool平台下裂纹尖端强度因子计算,建立了有限元计算的模型,计算结果合理性通过复合试件拉伸试验得到了验证。     

CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端限位凸台伤损机理研究

CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端半圆形限位凸台是无砟轨道结构受力的薄弱环节,其承载力是结构设计的关键。本文引入扩展有限元计算方法,对梁端限位凸台伤损破坏过程进行仿真分析,获取了裂纹产生及扩展过程,并通过荷载-裂纹开口量曲线获取限位凸台开裂荷载和极限承载力。分析结果表明:限位凸台在54.5 k N荷载下开始产生裂纹,在荷载达到85.6 k N时失去承载能力,此时最大裂纹开口量为0.44 mm。扩展有限元分析方法可为今后无砟轨道限位结构精细化设计及检算提供一种新思路。     

列车荷载与水耦合作用下的无砟轨道水力劈裂机理分析

针对高速列车荷载与水耦合作用下无砟轨道水致损伤问题,采用控制体积法推导层间裂纹内动水压力分布解析式,并开展裂纹内动水压力分布特性试验。试验结果与理论分析基本一致。采用有限元软件ANSYS与CFX,分析CRTSⅡ型板式无砟轨道层间裂纹内动水压力特性。结果表明:裂纹内动水压力由流体黏性、荷载特性、裂纹形状综合决定,当裂纹开口量大于2mm时,水的黏性对动水压力的影响可以忽略,此时动水压力与列车速度基本呈二次方关系,与轴重呈线性关系。分别采用最大拉应力准则和复合型断裂判据,分析列车荷载与水耦合作用下裂纹的扩展状态。结果表明:行车速度是影响裂纹扩展的重要因素,随着列车行车速度的增加,裂纹扩展速度明显加快。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

荷载幅值对无砟轨道结构裂纹水压力影响

研究目的:为分析无砟轨道结构裂纹内水压力变化特性,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型。为验证模型的正确性,浇筑带裂纹的模型试件,采用万能伺服液压机施加循环动荷载,采用高灵敏度传感器测量裂纹内水压力,分析带水平裂纹的混凝土结构在循环荷载作用下,裂纹内水压力随加载幅值变化特性。以列车速度为250 km/h为计算实例,分析裂纹内控制点水压力随列车荷载幅值变化。研究结论:结果表明:(1)试验中随着循环幅值(45±20~70±45 kN)的增加,裂纹内测点水压力增大;(2)建立与试验条件一致的理论计算模型,试验数据与理论计算结果之间有误差存在,但是试验曲线与理论结果的变化趋势一致,计算模型是有效的;(3)采用列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型,计算当列车速度为250 km/h,裂纹开口量、宽度、深度分别为3 mm、1 m、1 m时,随着列车荷载的增加,裂纹内控制点水压力呈线性关系增大;(4)该研究结果可为分析无砟轨道结构伤损理论提供参考。     

无砟轨道层间冻胀特性研究

针对严寒、富水地区高速铁路无砟轨道层间冻胀问题,采用有限元软件,利用升温方法对离缝区域材料施加温度荷载使其体积膨胀来模拟冻胀,开展了无砟轨道层间冻胀特性研究。结果表明:无砟轨道层间冻胀可使钢轨、道床板产生类似于半波正弦分布的上拱变形,但对行车平顺性影响较小;层间拉应力随离缝深度的增加在离缝深度小于1. 25 m时增加较快,在大于1. 25 m之后趋于稳定;层间拉应力随离缝长度的增加在离缝长度小于1. 00 m时基本呈线性增加趋势,在大于1. 00 m之后增加趋势变缓;层间拉应力随离缝开口量的增加而线性增加。建议加强富水地段排水措施,对长度大于1. 40 m、深度大于1. 25 m和开口量大于1. 60 mm的离缝及时进行注浆修复,以减小层间离缝的进一步扩展及层间伤损。     

高频荷载作用下无砟轨道裂纹内动水压特性试验

研究无砟轨道以裂纹为主要形式的伤损问题时,水对裂纹扩展有重要影响。为明确裂纹内部水压力的分布规律及压力大小的影响因素,浇筑带水平裂纹的无砟轨道试件,考虑万能伺服液压机疲劳加载与水耦合作用条件,采用高灵敏度传感器测量水压,试验研究了裂纹不同位置压力变化规律和加载频率、荷载幅值对水压力的影响。试验表明,裂纹内部水压力随荷载幅值而正负交替变化,随着裂纹深度的增加,水压力增大;当加载幅值不变时,水压力随加载频率增加而增大;当加载频率不变时,水压力随着荷载幅值的增加而增大,荷载幅值和频率的影响可拟合为一个多项式关系。     

宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损对无砟轨道-简支梁桥结构受力性能影响

基于弹性地基梁体理论,考虑宽窄接缝与轨道板之间界面开裂与CA砂浆脱空耦合伤损,建立伤损状态下的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-简支梁桥结构有限元模型,分析宽窄接缝与CA砂浆不同伤损型式和不同位置耦合伤损尺寸在正温度梯度荷载作用下对无砟轨道-简支梁桥结构受力及变形的影响。研究结果表明:宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损较宽窄接缝界面开裂或CA砂浆脱空单一伤损型式对结构受力与变形更为不利;当耦合伤损面积超过0.975 m×0.765 m,长度超过0.975 m或宽度超过0.51m时,轨道板拉应力超过其抗拉强度,影响结构的正常使用;随耦合伤损尺寸的增加,轨道板和CA砂浆的垂向位移均显著增大,底座板和桥梁的垂向位移呈微弱减小趋势;宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损位于轨道板板边对结构受力和变形影响最大,耦合伤损位于板端次之,耦合伤损位于板角影响最小。     

基于图像的CRTSⅡ型轨道板面横向裂纹扩展特征分析

CRTS II型无砟轨道板在长期服役状态下,表面产生裂纹,其位置和方向多种多样。从现场调查情况可以看出,轨道板在承轨台邻近处横向裂纹尤为突出。运用图像处理技术和分形理论对轨道板横向裂纹扩展特性进行分析。计算分析表明:承轨台受荷载作用集中,邻近处轨道板易产生裂纹;轨道板内预应力钢筋边缘易产生先开裂现象,并且裂纹沿着预应力钢筋方向扩展;轨道板裂纹具有分形特征,分形维数随裂纹长度增长而增大,可以作为轨道板裂纹扩展的特征属性指标。     

双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损特性

针对双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损问题,推导出动荷载作用下枕边裂缝内动水压力分布解析式并建立枕边裂缝扩展计算模型,分析列车运行速度及裂缝几何形态对动水压力与裂缝扩展特性的影响规律.结果表明:随着列车趋近或远离,枕边裂缝内动水压力值呈正负交替状态,当轮对与转向架临近伤损区时,裂缝内动水压力分别达到最大值和最小值;随着裂缝...     

含裂纹的双块式无砟轨道道床垂向振动特性分析

基于线弹性断裂力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论,采用有限单元法,建立含道床裂纹的车辆-双块式无砟轨道垂向耦合动力学模型,模型中通过设置奇异等参元来反映三维裂尖应力场、位移场的奇异性,由节点位移外推法得到在列车动荷载作用下道床裂尖的应力强度因子,最后探讨裂纹对道床振动特性的影响。结果表明:在列车动荷载作用下,裂尖附近的应力场强度主要由Ⅰ型应力强度因子控制,裂纹出现张开与闭合的交替状态,裂纹在一次列车动荷载作用下不会发生失稳扩展,但应注意其疲劳扩展导致道床的断裂破坏;裂纹对道床的振动位移和振动加速度影响较小,但对道床的动弯应力和道床下层钢筋的动应力影响明显,会加速道床的疲劳损伤。     

基于德尔菲法的CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝评价指标研究

在长期服役状态下,CRTSⅢ型板式无砟轨道易出现不同程度损伤,其中自密实混凝土层间离缝尤为突出。为对CRTSⅢ型板式无砟轨道离缝进行综合评估,通过建立Abaqus有限元模型,分析不同离缝状况下的轨道受力情况,提出离缝影响指数IEI,并基于德尔菲法获取各类离缝损伤权重,建立CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝评估体系。计算结果表明：相比于板边、板中,板端离缝对无砟轨道的受力与位移影响更为显著;宽度大于350 mm及长度大于1 000 mm的离缝轨道板横向拉应力达到最大值3.589 MPa,在实际工程中应重点关注;离缝影响指数IEI与模型计算结果规律一致。     

高原大风严寒地区无砟轨道嵌缝材料伤损及修复技术研究

对兰新高速铁路不同区段无砟轨道聚氨酯嵌缝材料伤损情况进行现场调研,分析无砟轨道聚氨酯嵌缝材料伤损类型及发展规律。针对高原大风严寒地区嵌缝材料伤损特点,优选相容性好的有机硅柔性密封嵌缝材料进行现场试验性修补。提出无砟轨道嵌缝材料表面封面、离缝嵌填和整体更换修复技术,为西北特殊环境下高速铁路无砟轨道嵌缝材料伤损的修补提供技术支撑。     

高速铁路无砟轨道水致伤损现状及模拟分析

由于积水和高速列车的作用,我国无砟轨道服役过程中出现了材料软化、掉块、冒泥冒浆等水致病害。通过资料收集、成果总结与现场调查,对高速铁路无砟轨道水致伤损的类型、产生原因及危害进行了系统的总结。按照病害成因及水的不利影响程度将无砟轨道水致伤损分为积水导致的材料软化问题和冲刷导致的掉粒、离缝、冒浆问题。针对典型的层间离缝冒浆现象,建立列车与水耦合作用下层间离缝流固耦合三维计算模型予以分析,发现离缝内动水压力与行车速度的二次方成正比。建议在无砟轨道运营过程中及时做好排水工作,在遭遇强降雨时或对积水严重的路段列车应减速运行。     

基于CT试验技术的沥青混合料破裂模式研究

要解决沥青路面开裂问题,需要通过对沥青混合料内部破裂过程进行研究。用 CT 试验方法结合断裂力学模型能很好地分析沥青混合料中裂纹扩展的规律,对在应力强度门槛值附近的裂纹分析可以得出其裂纹尖端分支裂纹扩展长度。该计算分支裂纹长度的方法优点在于不用测量混合料的断裂强度因子和表面能数据,具有一定的实际应用价值。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道层间传力规律及离缝破坏研究

水泥乳化沥青砂浆层离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要病害。本文采用双线性黏结滑移模型表征轨道板与砂浆层的黏结关系,对推板时的层间传力规律进行理论分析;利用有限元方法,根据推板试验结果对层间参数进行拟合,研究推板时层间传力规律;基于黏结滑移模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道三维有限元模型,分析极限温度梯度荷载作用下层间破坏规律。结果表明:温度梯度荷载作用下,层间的伤损主要产生在板边,与现场观察的离缝一致;层间黏结强度的增加能够减小层间伤损值及伤损区域,黏结强度小于0.025 MPa时在正温度梯度荷载作用下轨道板容易出现上拱现象;该层间模型中的弹性段长度δ_1值对层间传力规律影响较大,δ_1值的增加能够有效减小层间伤损值及伤损区域。     

梁端无砟轨道扣件力学行为室内试验研究和数值仿真分析

制定梁端变形限值应考虑梁端无砟轨道静力强度和梁缝过渡段列车运行安全性、平稳性。运用室内模型试验和数值仿真分析,研究梁端转角、错台等变形对梁端扣件、轨道板稳定性的影响规律。数值仿真分析中扣件弹簧单元参数选取实测扣件刚度曲线。室内试验和仿真计算结果表明:仿真计算结果与室内试验实测结果基本吻合,有限元仿真计算可推广应用至实际应用中;梁端转角、错台变形引起的扣件附加力分布在梁缝两侧4个扣件内;梁端变形幅值和梁端伸出长度是影响梁端轨道结构强度的主要因素;随着转角、错台的增加,扣件附加力逐渐增加,且基本呈线性增长趋势;在转角工况下,梁端伸出长度越大,引起的扣件附加力越大;在错台工况下,梁端伸出长度对扣件附加力影响甚微;CRTSⅠ型板式无砟轨道在错台1.0mm情况下,产生最大上拔力和下压力,因此对于梁端CRTSⅠ型无砟轨道结构静力强度,错台1.0mm可作为设计限值条件。     

组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

在车辆荷载和温度作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道由于自密实混凝土层与底座板间产生离缝,发生应力集中和局部变形,对无砟轨道服役状态和使用寿命造成明显影响。基于ABAQUS有限元模型,计算车辆与温度不同荷载组合下,层间离缝横向和纵向发展对无砟轨道结构受力变形的影响,探究伤损演变规律和维修限值。研究结果表明:层间离缝宽度小于1.5m,轨道结构受力和变形的影响很小;离缝发展至两侧钢轨正下方后,轨道结构变形和应力均增大明显;离缝长度大于1.2m,对轨道板出现受拉裂缝和无离缝端上翘;正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵横拉应力以及负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵横拉应力均有叠加放大效应。     

朔黄铁路神池南站钢轨剥落掉块原因的数值分析

采用有限元分析软件ANSYS,结合疲劳与磨耗耦合模型,分析朔黄铁路神池南站钢轨裂纹疲劳与磨损的行为机制。结果表明:裂纹扩展速率明显大于钢轨表面的磨耗速率,钢轨破坏形式以疲劳破坏为主;随着裂纹的不断扩展,其扩展速率由快变慢,当裂纹扩展到600μm时,其扩展速率达到最大;在裂纹初始扩展阶段,裂纹扩展方向基本与行车方向一致;当裂纹长度大于600μm后,裂纹扩展方向发生了改变(沿着与起始阶段相反的方向扩展),形成鱼钩形裂纹,导致钢轨表面出现剥离掉块。     

货车车轮轮辋裂纹扩展特征分析

通过进行有限元计算和车轮轮辋材料疲劳裂纹扩展试验,研究了货车车轮轮辋裂纹扩展的主要控制因素和扩展规律。结果表明,轮辋深部裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子为负值,即裂纹为闭合型;裂纹扩展主要受Ⅱ、Ⅲ型及其复合应力强度因子控制。在Ⅰ型(负值)应力强度因子及裂纹面间的摩擦力共同作用下,裂纹尖端的Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子幅值较低,裂纹不易发生偏折或分叉,一般会沿着轮辋踏面切线方向扩展,直至扩展到踏面。