城市轨道交通梯形轨枕疲劳损伤规律研究
随着我国经济实力的不断增强，大城市的人口聚集和机动车数量的快速增长导致地面交通顺畅的需求激增。后来城市轨道交通的出现，有效改善了地面交通拥堵的情况。重庆是西部地区第一个开通轨道交通的城市，并且不断开通新型的轨道线路，某些线路站点所使用的梯形轨枕为一种新型轨枕，具有减振降噪、施工快等多方面的优点，相关技术人员对其静力性能已有较充分的研究，但对轨枕结构在列车荷载作用、温度循环下的疲劳性能研究很少。本文主要以某些站点所使用的梯形轨枕原型为研究对象，通过理论计算与试验数据，分析轨枕的疲劳性能，并从中得到梯形轨枕的疲劳损伤规律，论文主要工作与结论如下： 参照目前重庆其他已开通的轨道交通路线，结合预期的客流量和车流量，对研究站点所在线路的运行计划进行预估。通过Midas/Civil建立钢轨-梯形轨枕的结构分析模型，计算出移动荷载作用下梯形轨枕的弯矩包络图，以及最不利位置处的弯矩影响线，得到最不利截面的弯矩历程曲线，再采取雨流计数法和泄水法提取弯矩历程曲线上的弯矩幅及其对应的循环次数，结合预估得到的运行计划，确定100年运营期内各弯矩幅及其总的循环次数。 针对重庆夏天的极端高温，在轨枕疲劳分析中首次引入温度梯度影响，采用轨道板的温度场模型，利用本地区多年分析得到的气温、辐射量等情况，计算出梯形轨枕上下表面的温度差，得到梯形轨枕上下表面在各月份的正负温度梯度及其最不利截面的弯矩循环情况。通过阅读大量文献发现以往的研究中大多数都只考虑了仅列车荷载作用，忽略了温度梯度对结构的影响，而本文结合列车荷载和温度梯度这两个因素对梯形轨枕的作用。 分别考虑仅列车荷载作用、列车荷载加上温度梯度共同作用两种情况。采用Paris公式将变幅弯矩循环等效为常幅弯矩循环，并通过混凝土的S-N方程和Miner线性损伤累积理论计算出在两种情况下，200万次疲劳荷载下的常幅弯矩，然后将弯矩幅转化为作用在梯形轨枕上的试验荷载幅。 建立梯形轨枕ANSYS Workbench三维实体模型进行静力、动力与疲劳寿命分析，用预应力钢筋降温收缩的方式来模拟轨枕中的预应力，得到最不利截面下缘拉应力达到混凝土抗拉强度设计值时对应的弯矩40.39kN·m，与梯形轨枕静力破坏试验的实测开裂弯矩 41kN · m 基本一致，稍大于按规范计算的开裂弯矩值38.15kN·m；固有频率计算结果，为疲劳试验加载频率 3.5Hz 的最终确定提供了依据；前述两种情况下梯形轨枕的计算寿命，均符合规范要求。 根据两种情况在 200 万次疲劳荷载下的计算常幅弯矩，考虑弯矩幅分级及循环次数的组合对 5 片梯形轨枕进行系列疲劳试验，以仅考虑列车作用的弯矩幅值为基础，初始循环次数分别为200万、150万、75万、50万、25万次后，对弯矩幅依次提高至基础幅值的1.11倍（列车荷载加上温度梯度共同作用）、1.3倍、1.45倍，再继续进行不同循环次数组合的疲劳试验直至破坏，得到梯形轨枕循环加载分级组合直至疲劳失效过程的结构刚度、截面中性轴位置、代表性测点应变、疲劳寿命、损伤度变化规律。以往的多数疲劳试验没有考虑荷载分级，因此采用弯矩幅分级及循环次数的组合研究轨枕损伤变化规律是本论文的创新之处。
城市轨道交通;梯形轨枕;疲劳损伤;有限元分析
重庆交通大学
硕士
力学
巫祖烈
2023
中文
U231.2
2023-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）