考虑率效应的无砟轨道混凝土动力损伤研究

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混凝土结构是无砟轨道的主要组成结构,且混凝土在动态加载过程存在应变率效应。由于无砟轨道在列车荷载作用下处于动态加载过程,故其损伤机理与其动态力学性能较静态下比较存在一定差异,且不同加载速率下,无砟轨道混凝土结构的受力特性也不同,混凝土的应变率效应对无砟轨道在列车荷载作用下的影响不可忽视。仅采用静态本构关系对轨道结构进行设计与分析与轨道结构实际加载情况相比存在一定差异。因此,对无砟轨道混凝土结构在服役过程中的应变速率范围进行系统性分析,并采用此应变率范围内的动力损伤本构模型对无砟轨道结构进行分析,对研究应变率效应对无砟轨道混凝土结构损伤演变和动态力学性能影响具有重要意义和参考价值。本文基于有限元软件,首先对无砟轨道在列车荷载下的应变率范围进行总结分析;并根据已有的混凝土率相关的动态性能试验,编制了可考虑应变率效应且适用于无砟轨道受力特性的混凝土材料本构模型子程序;最后针对列车移动荷载作用下应变率效应对无砟轨道混凝土结构的损伤发展及动态性能的影响进行分析。本文的主要研究内容如下:(1)建立双块式无砟轨道动力分析模型,从不同荷载作用类型、静动态列车荷载、不同荷载移动速度以及混凝土材料非线性四个方面入手对双块式无砟轨道应变速率影响进行分析。得出结论:无砟轨道混凝土在列车荷载作用下应变速率处于一般处于10-4~10-3 s-1的范围内,其中道床板的应变速率最大可达到10-2 s-1,说明无砟轨道混凝土结构在列车荷载作用下处于动态特性的范围。(2)基于有限元软件的用户自定义材料子程序,根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中规定的可考虑损伤的混凝土单轴本构模型,应用混凝土材料的破坏准则并同时引入混凝土应变率参数对模型进行修正,编制了适用于无砟轨道分析且可考虑应变率效应以及损伤的混凝土材料子程序。(3)通过建立考虑应变率效应的无砟轨道动力损伤模型,研究应变率效应对无砟轨道混凝土结构损伤演变和动态性能影响。研究结果表明:无砟轨道混凝土移动荷载作用下表现出较强的率敏感性,考虑应变率效应对道床板和支承层混凝土的影响后,其损伤发展速率以及作用范围均得到减弱。且道床板和支承层混凝土应变均有所改变,建议无砟轨道的设计与检算中应考虑混凝土的动态性能影响。
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