有轨电车整体道床疲劳损伤力学机理及预估模型研究

有轨电车整体道床力学行为及疲劳性能是设计过程中所必需的重要因素之一。因此它的准确计算及表征、合理取值对整体道床设计与分析具有重要意义。由于整体道床的力学行为影响因素复杂，这就决定了整体道床力学行为是结构基础、材料参数及交通荷载的函数，由此给整体道床工作状态的计算与表征增加了难度。 本项目在分析、总结国内外已有研究成果的基础上，推导了有轨电车整体道床双层叠合梁力学行为弹性解析解，建立了有轨电车-整体道床-道路路基三维有限元模型，通过系统的力学行为及疲劳性能分析，明确了整体道床荷载应力的分布规律与影响因素，并提出有轨电车整体道床提出了不同的基于容许应力法的结构设计方法。主要内容如下： ①研究了整体道床结构设计理论体系部分，研究建立和完善路基整体道床下部基础的力学理论、模型与方法，推导了无水平摩阻情况下弹性基础双重叠合梁精确解析解，得钢轨、整体道床板的挠度y、转角θ、弯矩M、剪力Q、基础反力q的显式表达。 ②依托大型通用有限元软件ABAQUS，建立了有轨电车-整体道床-道路路基分析有限元模型，通过对荷载模型、材料模型、结构几何尺寸、边界条件和网格密度进行系统分析，明确了各参数对整体道床力学行为的影响规律，并确定了该参数在分析模型中的合理取值。 ③采用所建立的有限元分析模型，模拟板中/端有轨电车荷载作用下的整体道床力学行为影响因素，分析板中/端单个转向架荷载作用下的整体道床结构层厚度、层间接触条件等因素对其力学行为及疲劳性能的影响；模拟夏季7月份道床板的温度场变化情况，以最大正温差耦合板中荷载、最大负温差耦合板端荷载，得温度与有轨电车耦合作用下整体道床疲劳性能；模拟路基出现不协调变形的情况下，板中单个转向架荷载作用下的路基不协调对整体道床工况的力学行为的影响因素。 ④确定了有轨电车整体道床的功能设计和结构设计内容，确定了以容许应力法作为有轨电车整体道床结构设计方法，并明确了有轨电车荷载组合。 2100433B

国内外疲劳性能研究难以考虑有轨电车整体道床在实际工程环境下疲劳损伤力学机理及预估模型，本项目拟通过试验模型/数值计算/理论分析/现场测试等技术手段：①精细定义轮轨动态接触/温度边界条件/材料疲劳属性/结构层间弹性接触，建立荷载-温度双相耦合情况下整体道床疲劳性能分析三维有限元统一模型，并通过试验模型确定相关计算参数和验证；②提出疲劳损伤的直观表征指标刚度衰变参量与疲劳寿命，运用因次分析法及雨流计数法全面分析行车荷载/温度荷载/结构设计等多维复杂因素对整体道床疲劳损伤的影响规律及其耦合效应，通过降维筛选得荷载-温度耦合作用下有轨电车整体道床疲劳损伤的显著影响因素；③构建了荷载-温度耦合作用下有轨电车整体道床疲劳寿命与显著影响因素的理论关系，为区分有轨电车整体道床与高速铁路无砟轨道的疲劳损伤力学机理提供了理论依据。研究成果可用于预估有轨电车整体道床的疲劳寿命，为整体道床设计与评价提供理论基础。

有关复合材料的疲劳损伤模型大致可以分为三类：第一类模型不考虑实际的性能劣化机理，使用S－N 曲线或类似的图，提供若干疲劳破坏准则；第二类是剩余刚度或剩余强度的表象模型；第三类是损伤发展模型，使用一个或多个可测的能衡量损伤情况的变量。2100433B

疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程，是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果。在循环加载期间，在最高应力区域发生局部塑性变形，这种塑性变形引起零件的永久损伤和裂纹扩展。随着零件所承受的加载循环次数不断增加，裂纹长度(损伤)随之增加。在达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效(断裂)。

通常，疲劳过程可以观察到裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和最终断裂四阶段。

裂纹在接近高应力集中的局部剪切面上开裂，如稳定滑移带、夹杂物、疏松或晶粒不连续分布等，局部剪切面通常发生在晶粒表面或边界之内。在这一阶段，裂纹成核是疲劳过程的第一步。一旦裂纹成核并且持续施加循环载荷，裂纹就会沿着最大切应力面并通过晶粒边界扩展。

在工程应用中，将零件在裂纹成核和微观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹萌生阶段，而将零件在宏观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹扩展阶段。通常，对从萌生到扩展的过渡阶段无法做出精确的定义。钢制零件的裂纹萌生阶段一般占其疲劳寿命的大部分，特别是在高周疲劳状态下(约大于10000次循环)。在低周疲劳状态下(约小于10000次循环)，疲劳寿命的大部分时间耗费在裂纹扩展。

一旦裂纹形成或者发生完全失效，就可以检查到疲劳失效的表面。弯曲或轴向疲劳失效通常会留下蛤壳状或海滩状斑纹，这些斑纹的名称源自断裂表面的形貌特征。裂纹成核区域位于壳的中央，裂纹像是从裂纹成核所在区域扩展开来的样子，通常呈辐射状，留下一个半椭圆形的图案。在某些情况下，通过检测裂纹部位所遗留海滩斑纹的尺寸和位置，可以识别裂纹扩展开始或者结束的不同阶段。海滩斑纹的线条呈条纹状与树干横断面的年轮线相似。这些条纹状呈现出在一个加载循环期间裂纹扩展的范围。与树类似，树每年长一圈，而疲劳损伤则在每个加载循环产生一个圈。在发生疲劳失效时，会出现一个最终的剪切裂痕，这是材料在失效之前对载荷的最后一点支撑。切变裂痕的尺寸取决于加载的类型、材料和其他条件。

注浆加固是地下工程结构事故处理与预防的主要手段，由于岩体工程的隐蔽性以及岩体内部裂隙、孔洞等缺陷分布的随机性，开展注浆加固后岩体的破坏机理研究，是一个具有挑战性的研究课题，关于周期荷载下的注浆加固体的力学性能及破坏机理研究尚无系统研究，其疲劳寿命及损伤演化模型尚未建立，本研究基于试验研究，以注浆加固后的岩石及类岩石材料为研究对象，通过抗弯及抗压静态加载和疲劳加载试验，揭示注浆加固后的破坏机理，并建立相应的疲劳寿命方程和损伤演化模型，本项目研究完成了: (1)探讨了树脂和水泥加固含裂隙红砂岩、大理岩、类岩石材料的压缩破坏机理，分析了注浆材料、裂纹类型、裂纹数量岩石类型等因素对应力重分布即开裂模式的影响规律；(2)揭示了树脂加固含裂隙岩石三点弯破坏机理，研究三种裂隙形式、注浆深度、增韧树脂对破坏模式的影响规律；(3)考虑应力比对疲劳寿命的影响，建立了压缩和三点弯疲劳双对数高频疲劳寿命方程，结果吻合较好，疲劳寿命存在应力水平的门槛值，当应力水平小于门槛值，不会发生疲劳破坏，当循环比n/Nf达到0.5时，裂隙面横向应变突然迅速增加达到了门槛值导致开裂，与试验中观测到的开裂现象一致。(4)应力水平是影响疲劳力学性能的主要因素，当应力水平较高时，试样的损伤破坏分为三个阶段，即，初始损伤加速阶段，裂纹稳定扩展阶段和裂纹不稳定加速扩展阶段。而当应力水平较低时，损伤破坏退化为二个阶段；(5)根据Logistic 模型，提出一种倒S型曲线模拟疲劳损伤演化曲线，实测数据与拟合曲线吻合较好。本项目的资助下，共发表论文9篇，申请专利2项，出国参加国际会议1次并作分组报告，培养硕士研究生2名，另外还有1名在读硕士研究生。本项目研究成果可为地下及其他岩土工程注浆加固后效果评价提供理论与试验依据，为岩土工程事故处理及设计方案提供基础数据，具有重要的科学意义和实用价值。 2100433B