刚度退化对高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系受力性能的试验研究.pdf
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1、第 卷,第 期年 月公路工程 ,:收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目()作者简介王其良(),男,浙江嵊州人,教授级高级工程师,硕士,主要从事桥梁结构、装配式建造等方面研究相关工作。引文格式王其良,周凌宇 刚度退化对高速铁路无砟轨道 桥梁结构体系受力性能的试验研究 公路工程,():,():刚度退化对高速铁路无砟轨道 桥梁结构体系受力性能的试验研究王其良,周凌宇(中南大学,湖南 长沙 ;湖南建设投资集团有限公司,湖南 长沙 )摘要考虑材料在循环荷载作用后导致的弹性模量下降引起的结构体系刚度的退化,建立了高速铁路无砟轨道 连续箱梁多层空间多尺度有限元模型,分析了荷载循环作用后仍在服役期内的结构在
2、温度梯度和列车荷载作用下,结构体系受力性能的变化。分析结果表明:纵向位移、相对位移和系统各层受力在列车静载作用下不断增大;列车静荷载作用下,系统各层的纵向位移、相对位移和应力则不断增加;温度梯度作用下,系统各层纵向位移、相对位移和纵向应力均随结构刚度的退化不断减小;各层竖向位移均随结构刚度退化而增大,竖向应力则随刚度退化而不断减小;动力特性分析中,结构各层的竖向加速度、相对位移随刚度退化有增大趋势,各层竖向应力则呈减小趋势。结构刚度退化的前期,各层反应变化迅速,后期变化较平缓,结构各层的反应变化速率同时期几乎保持一致。关键词高速铁路无砟轨道;结构体系;刚度退化;受力性能;动力响应 中图分类号
3、文献标志码 文章编号 (),(,;,),;,;,;,;,公路工程 卷 ,;引言随着高速铁路的不断发展、城市轨道交通的不断普及,无砟轨道的应用也越来越广泛,但随着时间的延长,无砟轨道的桥梁支撑结构的刚度退化逐渐产生不可忽略的影响 。本文以某市城际铁路 型无砟轨道()连续箱梁桥为研究对象,依据现有材料疲劳损伤累积研究成果 ,在列车荷载再作用时,对因疲劳累积损伤而引起无砟轨道的桥梁结构体系刚度退化后结构性能的影响展开研究。无砟轨道连续梁桥结构体系有限元模型的建立采用有限单元法建立了 型板式轨道弹性地基梁一体模型,包括桥梁、钢铁轨、轨道板、扣件系统、砂浆层、混凝土基座等主要结构,如图 所示。图 有限元
4、模型示意图 钢铁轨 可 视 同 弹 性 点 支 承 梁,采 用 钢铁轨,弹性模量取为 ,泊松比取 为 ,容重 ,用 空 间 梁 单元模 拟。型 板 分 为 轨 道 板、砂 浆层 、底座板这 层,轨道板采用 混凝土,尺寸为 ;砂浆本文取为 ,底座板纵向连 续 铺设,宽度为 、高 度 为 ,采用 混凝土。各构件的具体力学参数见表 。表 型轨道结构计算参数 项目弹性模量 泊松比线膨胀系数 ()容重 ()轨道板()砂浆 底座板()扣件系统使用线形弹簧单元进行模拟,竖向支承刚度取 、间距为 ,使用均布线形弹簧模拟 砂浆竖向支承刚度。本文基于德国博格公司进行的推板试验,计算出纵向弹簧刚度为 ,而 砂浆上下
5、界面层的竖向刚度参考 砂浆的抗拉、抗压刚度数值分别取()、()。滑动层摩擦系数取值为 ,其纵向刚度取 。主体部分的单元类型选取如下:桥梁、底座板、砂 浆 和 轨 道 板 为 ;钢 铁 轨 为 ;预应力筋采用 。扣件、轨道板 砂浆 底座板之间界面层、滑动层等连接结构各方向的阻力均采用一维弹簧来模拟,其中除滑动层用 单元模拟,其余连接均采用 单元。结构刚度退化分析方法的确定 循环荷载作用后材料剩余刚度的确定基于对混凝土 次加载后剩余割线弹性模量和泊松比变化规律的研究,并对试验数据进行详细分析,得出可表现混凝土割线弹性模量 个阶段变化规律的回归公式,如式()式()所示。()()()()()()()(
6、)()()()第 期王其良,等:刚度退化对高速铁路无砟轨道 桥梁结构体系受力性能的试验研究()()()()其中,为最大应力与静力强度的比值;为疲劳寿命;、分别为循环荷载作用 次时,混凝土相应的割线弹性模量与泊松比本文计算在结构整个寿命周期内剩余刚度变化对整个系统的影响,选择式()式()来计算结构的剩 余 刚 度,图 为 分 别 取 等 于 、和 按照式()求得的混凝土疲劳剩余弹性模量与初始弹性模量之比随疲劳受命增加的变化曲线。由图 分析可知,在疲劳荷载作用下,混凝土刚度退化在整个疲劳寿命阶段可分为 个阶段,第一阶段占疲劳寿命的 左右,第二阶段占 左右,第三阶段占 左右,本文近选取取 疲 劳 次
7、 数 和 疲 劳 寿 命 之 比 为 ,分别按式()求得其疲劳后剩余弹性模量用于后续分析。图 混凝土剩余刚度与循环次数关系 国内有关 砂浆疲劳性能的研究较少,且主要侧重于疲劳次数 与应力水平 之间关系。罗伟 基于 砂浆单轴疲劳试验,利用“南水”非线性模型方程和 统计分布理论,建立了 砂浆等效单轴疲劳损伤本构模型,但并未对其疲劳后弹性模量、残余应变等性能做具体的描述。本文在计算中将对 砂浆的剩余弹性模量下降规律做一定的假设,按照其抗压强度的一定比例选取。结构体系的实际受力状态中各部位应力状态不同,而材料弹性模量的退化受最大应力水平影响较大,为了简化计算,将梁分为 段处理,每一段内的最大、最小应力
8、使用该段内的应力均值替代进行计算,如图 所示,计算时只取、段,计算结果见表 。图 结构体系分段示意图(单位:)(:)表 混凝土剩余刚度计算表 桥梁各段疲劳后刚度 号段号段号段 本文的研究思路首先,计算整个结构体系在单次列车静荷载作用下的应力水平;随后,利用材料疲劳损伤本构关系计算出不同运行年段内其疲劳后剩余刚度,并输入至有限元模型;最后,通过对各运营年段内无砟轨道 桥梁结构体系的静力性能和动力响应进行计算,以得到在设计使用年限内结构体系的静力和动力性能随疲劳剩余刚度退化的变化规律。本文的研究思路和分析流程见图 。图 本文的研究思路和分析流程 公路工程 卷 刚度退化后结构体系静力性能分析对结构施
9、加列车活载和梯度温度,分析结构刚度退化后在梯度温度和列车活载作用下系统纵向性能的变化规律 。列车活载作用图()和图()分别为列车活载作用下桥梁顶面的纵向位移和纵向应力随结构疲劳后剩余刚度退化的变化曲线。由图()可知,梁顶的纵向位移沿桥纵向的整体变化大致分为 段,先增大后减小再增大,最大纵向位移值出现在固定支座和中跨跨中之间,最小位移出现在中跨跨中和中间活动支座之间。随着刚度的不断下降,桥的纵向位移均变大,且在位移最大值处增量最大,位移最小值的位置增量最小。纵向应力沿桥分为 段,两边受拉段和中间受压段,基本为对称分布,最大拉应力约为 ,最大压应力约为 。()纵向位移()纵向应力图 列车活载作用下
10、桥梁纵向位移和应力分布 底座板、砂浆层、轨道板和钢铁轨在结构服役期各个阶段内受列车活载作用的纵向位移和应力沿桥分布曲线与图 中桥梁的变化规律相似。各层的纵向位移分布规律基本一致,即梁端处纵向位移均为零,然后沿桥先增大后减小,在固定支座附近取得最大值;随着荷载作用次数增加、刚度退化,各层纵向位移均增大。但是各层应力的变化不同,轨道板的应力分布与底座板大致相同,以固定支座分界,左边受拉,右边受压,在跨中应力值突变,但幅度较小;砂浆层纵向应力分布规律与钢铁轨基本一致,固定支座左边受拉,右边受压,且在跨中位置有明显的应力突变。因钢铁轨直接承受列车荷载的作用,列车活载在跨中位置简化为较大的集中力,导致该
11、位置处的弯矩有较大的突变,因此各层在该位置处都有应力突变,且钢铁轨的变化最为明显,砂浆为调整层,调整应力分布,因此应力变化也相对较大。列车活载作用下 砂浆层和钢铁轨的纵向位移和应力分布情况如图 、图 所示。()纵向位移()纵向应力图 列车活载作用下 砂浆层纵向位移和应力分布 第 期王其良,等:刚度退化对高速铁路无砟轨道 桥梁结构体系受力性能的试验研究()纵向位移()纵向应力图 列车活载作用下钢铁轨纵向位移和应力分布 桥梁和轨道系统中各层结构的纵向位移最大值与初始状态和最终状态系统各层纵向位移最大值变化量列于表 和图 。由桥梁至钢铁轨,变化量值逐渐增大,其中,变化量最大为桥梁的 ,变化量最小的为
12、轨道板的 ,变化率基本达到 左右;且结构刚度退化的前期,即 由增加到 时,各层的最大位移值增长速率较快,随后直到最终状态,最大位移值增长速率相对较缓慢;各层位移幅值不同,但是最大位移变化率和变化速率几乎相同,近似呈现双折线规律。表 不同服役期内系统的纵向位移最大值 最大纵向位移 桥梁底座板 砂浆层轨道板钢铁轨 最大增量 变化率 图 系统纵向位移最大值与荷载作用次数关系 结构体系各层之间的纵向相对位移最大值的变化量和变化率汇总见表 和图 ,其中,相对位移最大值变化幅度最小的是底座板与 砂浆层,为 ,轨道板和钢铁轨之间的纵向相对位移最大,为 。同样的,结 构刚度退 化的前 期,各层相对位移变化较快
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