[发明专利]一种无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤计算方法

说明书

本发明提供了一种无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤计算方法，属轨道交通技术领域。该方法包括：构建耦合了损伤的自密实混凝土疲劳本构关系式；将耦合了损伤的自密实混凝土疲劳本构关系式嵌入荷载‑无砟轨道非线性有限元模型中，构建损伤‑有限元耦合模型；利用损伤‑有限元耦合模型，分析无砟轨道自密实混凝土层的疲劳损伤演化规律。本发明运用耦合法揭示了疲劳损伤与结构应力之间的耦合关系，弥补了传统解耦法认为结构应力不随损伤累积而变的局限性，探究了列车荷载变化、板端离缝、自密实混凝土初始劣化对无砟轨道填充层疲劳损伤的影响，以及疲劳损伤累积对弯拉应力的影响规律，为高速铁路无砟轨道的长期服役性能研究提供了一定的理论支撑。

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤计算方法。

背景技术

随着我国高速铁路技术的快速发展，截止到2020年底，中国高铁运营里程已超3.8万公里，无砟轨道运营里程达2.2万公里，稳居世界第一。作为高速铁路、客运专线的核心技术之一，无砟轨道因其高平顺性、高稳定性和少维修性等优势成为引导并支承高速列车运行的重要基础结构，设计时速350km以上的高铁线路全采用无砟轨道。

在反复的列车荷载及复杂的服役环境共同作用下，无砟轨道结构容易产生疲劳破坏。CRTSⅢ型板式无砟轨道作为我国具有自主知识产权的轨道结构，其结构特点主要是采用自密实混凝土代替CA砂浆作为填充层，填充层性能在很大程度上决定着轨道结构的平顺性、耐久性、行车安全性等，因此有必要研究其疲劳损伤。例如，何燕平基于P-M准则，采用CDP损伤模型和混凝土疲劳寿命S-N曲线，分析了列车荷载、温度荷载作用下的自密实混凝土层疲劳寿命；王安华计算了组合荷载作用下轨道结构的应力值，采用混凝土疲劳S-N曲线预测了CRTSⅢ型板式无砟轨道填充层受压疲劳破坏次数，结果表明填充层疲劳破坏次数远大于设计要求；刘晓春等研究了列车荷载作用下的无砟轨道横向弯曲疲劳，探究了无砟轨道结构应变、位移及疲劳损伤变化规律；Yu等通过CRTSⅢ型无砟轨道全尺疲劳试验和有限元仿真模拟，研究了高速列车荷载作用下的轨道结构疲劳损伤特性，结果表明填充层较底座板先开裂，裂纹为横向裂纹。

自密实混凝土层在服役过程中难免出现板端离缝、材料性能劣化，如图1所示。板端离缝将产生较大的弯拉应力，混凝土劣化会对结构的长期使用和安全运营产生严重影响。已有文献表明，当疲劳损伤达到一定程度其计算结果将产生误差，同时，自密实混凝土层在轨道结构中的受力状态与公路混凝土路面相似，填充层弯拉强度远小于抗压强度，所以本发明选择弯拉强度作为其评价指标进行规律探究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤计算方法，解决了未考虑损伤累积对自密实混凝土自身应力状态影响的问题，可以更加真实地反映自密实混凝土层在服役过程中的应力分布随损伤累积的变化规律。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：

S1、基于P-M线性损伤准则和自密实混凝土的弯拉S-N曲线，构建耦合了损伤的自密实混凝土疲劳本构关系式；

S2、将所述耦合了损伤的自密实混凝土疲劳本构关系式嵌入荷载-无砟轨道非线性有限元模型中，构建损伤-有限元耦合模型；

S3、利用损伤-有限元耦合模型，分析无砟轨道自密实混凝土层的疲劳损伤演化规律，完成基于损伤-有限元耦合模型的无砟轨道自密实混凝土疲劳损伤的计算。