板式轨道充填层自密实混凝土阻尼性能研究.pdf
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1、振动与冲击第42 卷第14期JOURNAL OFVIBRATIONAND SHOCKVol.42 No.14 2023板式轨道充填层自密实混凝土阻尼性能研究陈俊豪,谢友均,曾晓辉,刘锦辉,郭桃明,管吉波”,龙广成(1中南大学土木工程学院,长沙410 0 7 5;2 深圳市地铁集团有限公司,广东深圳518 0 0 0;3.深圳市市政设计研究院有限公司,广东深圳518 0 0 0)摘要:阻尼性能对土木工程结构的动力行为有重要影响,目前尚未见针对地铁板式轨道填充层自密实混凝土(s e l f-c o m p a c t i n g c o n c r e t e,,SCC)阻尼性能的研究。采用MTS
2、疲劳试验机,研究了不同应力幅值、橡胶掺量和尺寸对SCC滞回耗能和损耗因子的影响规律及变化机理,并对SCC的滞回耗能进行数值模拟。结果表明:SCC的滞回耗能随应力幅值的增加先慢后快的增大,这与其损伤演变和动弹性模量退化密切相关,内部缺陷的能量耗散是SCC的主要阻尼机制;滞回耗能与应力幅值呈幂函数关系,其中SCC的幂指数值最小,表明SCC 的非线性程度最低;橡胶显著增大了SCC的阻尼性能,在相同的应力幅值下,SCC的滞回耗能随着橡胶掺量的增加和尺寸的降低而增大;Kelvin模型可用来模拟SCC在循环荷载下的滞回耗能,计算值与试验结果吻合良好。关键词:阻尼;填充层;自密实混凝土(SCC);滞回耗能;
3、Kelvin模型中图分类号:TU528.53文献标志码:AD0I:10.13465/ki.jvs.2023.014.025Damping characteristics of filling layer self-compacting concrete applied in a slab track systemCHEN Junhao,XIE Youjun,ZENG Xiaohui,LIU Jinhui?,GUO Taoming,GUAN Jibo,LONG Guangcheng(1.School of Civil Engineering,Central South University,Ch
4、angsha 410075,China;2.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China;3.Shenzhen Municipal Design and Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:The MTS test system was used to study the influences and variation mechanisms of different stressamplitude,rubber content and size on t
5、he hysteretic energy and loss factor of the filling layer self-compacting concrete(SCC)of a subway slab track,and the hysteretic energy of SCC was numerically simulated.The results show that thehysteretic energy of SCC increases first slowly and then rapidly with the increase of the stress amplitude
6、,which is closelyrelated to its damage evolution and dynamic elastic modulus degradation,and the energy dissipation of internal defects isthe main damping mechanism of SCC.The hysteretic energy has a power function relationship with the stress amplitude,and among varieties of corrcrete,the power exp
7、onent value of SCC is the smallest,indicating that the nonlinearity degreeof SCC is the lowest.Rubber significantly increases the damping performance of SCC.Under the same stress amplitude,the hysteresis energy of SCC increases with the increase of rubber content and the decrease of size.The Kelvin
8、model canbe used to simulate the hysteretic energy of SCC under cyclic loading,and the theoretical values are in good agreementwith the experimental values.Key words:damping;filling layer;self-compacting concrete(SCC);hysteretic energy;Kelvin model相比于现场浇筑的普通整体道床,地铁板式轨道具有平顺性好、稳定性高、维护量少和施工周期短等诸基金项目:国家
9、自然科学基金(117 90 2 8 3;52 0 7 8 490)收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 1修改稿收到日期:2 0 2 2-0 9-2 6第一作者陈俊豪男,博士生,1993年生通信作者曾晓辉男,博士,教授,198 2 年生多优点。高速铁路CRTS型板式轨道将CRTS I型和CRTS型轨道结构中的充填层材料由CA砂浆替换为自密实混凝土,使得其承重能力更强,施工更加便利。通过借鉴高速铁路的先进技术,地铁板式轨道也逐渐用自密实混凝土替换了原有的充填层材料,其结构主要由钢轨、扣件系统、轨道板、土工布、自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)填充层和支撑层组
10、212成,如图1所示。图1地铁板式轨道结构图Fig.1 Subway slab track structure diagramSCC是地铁板式轨道的关键材料,位于轨道板和支撑层的中间位置,长期经受动荷载作用,导致其服役性能降低。为了保证结构安全,研究人员对 SCC 的动态力学性能进行了大量研究。马昆林等2 发现疲劳荷载作用将导致SCC 的损伤逐渐增大。龙广成等3 研究表明SCC在轴压荷载与冻融循环耦合作用下劣化速率也会增大。动荷载作用下SCC也表现出了明显的应变率敏感性4。然而,阻尼作为SCC 动态力学性能的关键参数,对轨道结构动力响应和减振降噪有着重要影响5,却还未有系统的研究。相比于其他参
11、数,如质量和弹性模量,阻尼更难精确估计,解释阻尼现象背后的复杂机理仍然是一个世界性难题6 。因此,针对地铁板式轨道填充层SCC阻尼性能的研究是很有必要的。此外,充填层作为地铁振动的传播路径,高阻尼SCC能够耗散振动能量,减少振动向下传播。橡胶混凝土具有较强的阻尼性能7 ,在国内外已经得到了诸多应用,比如高速公路路面8 、铁路轨枕9 以及防撞护栏10 等。为了推进橡胶自密实混凝土(rubber self-compacting concrete,R SCC)在地铁板式轨道中的工程应用,有必要对其动荷载作用下的阻尼性能进行深入研究。1试验概况1.1试验材料及试件制备试验所用胶凝材料包括水泥(C)、粉
12、煤灰(FA)和矿渣(SL)。水泥为湖南东坪水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥,其技术指标符合GB1752007振动与冲击通用硅酸盐水泥11 的相关规定。粉煤灰为湖南湘潭电厂提供的I级粉煤灰,其技术指标符合GB/T钢轨15962017用于水泥和混凝土中的粉煤灰12 的相关规定。矿渣为上海宝钢新材料公司提供的S95粒化轨道板高炉矿渣,其主要技术指标符合GB/T180462017用自密实混凝土充填层于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉13 的相关规定。胶凝材料的化学性质采用X射线荧光光谱法测定,比表面积采用Blaine法。胶凝材料的粒径分布(a)布局图如图2(a)所示,化学组成和物理性
13、能如表1所示。钢轨细骨料为普通河砂(S),细度模数为2.6,比重为轨道板2.65,累积筛余百分数符合TB/T32752018铁路混主工布凝土【14 中II区级配范围,其他技术指标亦符合TB/T32752018铁路混凝土中的其他规定。粗骨料为石自密实混凝土充填层灰石碎石(G),由5 10 mm和10 16 mm两个级配按支撑层2:3的比例混合而成,比重约为2.6 8,其他技术指标(b)横断面图符合TB/T32752018铁路混凝土的相关规定。RSCC由橡胶颗粒等体积替换普通河砂组成,橡胶比重为1.0,抗拉强度为8.0 MPa,初始弹性模量为3.4MPa,分为三种不同的尺寸,即2 4 mm(L R
14、)、12 m m(M R)和0 0.3mm(RR)。普通河砂、石灰石碎石和橡胶的粒径分布如图2(b)所示。高效减水剂(SP)为聚羧酸类减水剂,其减水率为26%,含固量33%,由安徽中铁工程材料公司提供,其性能符合TB/T32752018铁路混凝土的相关规定。拌合水(W)为饮用自来水,其性能符合TB/T32752018铁路混凝土的相关规定。100+CFASL80%/率60F40F20F010-2100SG80LRMRPR%/率其60F402001o-3Fig.2Particle size distribution2023年第42 卷10-1100颗粒粒径/mm(a)胶凝材料10-210-1100
15、颗粒粒径/mm(b)骨科图2 粒径分布101101102102第14期类型SiO,/%C20.94FA52.30SL26.10试验配合比如表2 所示,包括1组SCC和5组RSCC,其中 S。为SCC,St,S,和S分别为MR橡胶掺量10%,2 0%和30%的RSCC,S4和S,则分别是LR和RR橡胶掺量30%的RSCC。搅拌完成后,立即进行工作性能测试,然后装人100mm100mm100mm的试模中,1d后脱模,将试件放置在相对湿度大于90%、温度为2 0 2 的标准养护室中养护至56 d进行后续试验。落扩展度C/FA/组号(kg m-3)SoS,S2S4SsTab.3Workability
16、and compressive strength工作性能组号落度/mmTs0/sSo695S,680655630S46205701.2试验方法MTS疲劳试验机及加载方案如图3所示。试验测试主要分两个阶段,首先将试件放置在加载板中心位置处,然后以10 kN的接触荷载对试件进行预压,确认对中后,先以2 kN/s速率加载至水平荷载10 0 kN。第二阶段,加载至目标应力水平后,对试件采用正弦波荷载,每个加载水平持续40 个循环,每个工况测试3个试件,试验结果取3个试件的平均值。地铁A型车相邻两车厢重心间距为2 2.8 m,运行速度约为6 0 10 0 km/h,从而可以得到单节车厢对轨陈俊豪等:板式
17、轨道充填层自密实混凝土阻尼性能研究表1胶凝材料化学组成和物理性能Tab.1PPhysical and chemical properties of cementitious materialsAl,0,/%Fe,0,/%4.853.4426.309.7013.8014.10SL/(kg m*3)(kg m-3)34480表3工作和力学性能含气量/抗压强度/%MPa3.53.74.55.466.97.59.58.08.79.511.2213Ca0/%Mg0/%64.521.703.701.2033.608.10(s lu m p f lo w)和扩展时间(Tso)试验根据我国JGJ/T28320
18、12自密实应用技术规程15 和美国材料与试验协会 Standard Test Method for Slump Flow of Self-con-solidating Concrete:ASTM C1611/C1611M-1416 的相关规定进行测试。力学性能试验过程参照我国 GB-T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准17 进行。所测得工作性能和力学性能如表3所示。表2 试验配合比Tab.2Test mixture proportionsSP/W/(kg m*3)(kg m)5.06.06.71067.27.27.244.540.235.130.831.925.6SO,/%1.
19、881.20一R/(kg m3)03060186909090道基础的加载频率约为0.8 2 1.37 Hz,因此正弦波荷载加载频率取1Hz。根据文献18 研究表明,地铁板式轨道充填层的最大动力荷载约为40 kN,即试件轴向应力为4MPa,故本试验中最小加载水平取六组试件中最小抗压强度的10%左右,最大加载水平则限制在各组抗压强度的7 0%以下。加载水平和加载频率均符合地铁板式轨道的服役条件。表4为试件S。S,的加载水平。表4加载水平Tab.4Loading level组号荷载水平S。12243648510612716820925eq-Na,O/%0.501.800.45S/(kg:m 3)83
20、5751668585585585S,24681012151821烧矢量/%比表面积/(mkg=)1.884.702.105 10 mm324S2S,2244668810101212151418162118353450420G10 16 mm486单位:MPaS42468101214161824681012141618(2)214Fig.3 Photo for MTS fatigue testing machine and loadingprogram1.3试验原理混凝土作为一种非理想弹性材料,在循环荷载作用下会产生能量耗散,这种消耗外界能量的性质称为材料阻尼,其应力和应变曲线之间存在时间差,形
21、成滞回曲线,如图4所示。C(eD,0D)DOminH图4滞回曲线Fig.4Diagram of hysteresis loop混凝土单个循环内的滞回耗能U可近似由环ABCD的面积表示18 ,环ABCD的面积可通过Origin绘图软件直接求得。单个循环内的储存能量U可以通过三角形OBE面积计算U=222式中,和8 分别为滞回曲线中的最大应力和应变。损耗因子定义为实际阻尼系数c与临界阻尼系振动与冲击数cer之比,损耗因子与储存能量U和滞回耗能U的关系如式(2)所示2 0 ,其中储存能量U和滞回耗能U 为最后10 次循环对应实测值的平均值。业=1U?=Cer式中:m为振动体系质量;为自振频率;出为阻
22、尼比容。动弹性模量E。为循环应力幅值与应变幅值的比值,如式(3)所示,其中单次循环中的最大应力和应(a)M T S疲劳试验机变8 B,最小应力和应变8 p均为最后10 次循环对应实测值的平均值。40圈Ea=gB-dD8B-8DF+0.5F2试验结果分析NV/F加载(b)加载方案示意图图3MTS疲劳试验机及加载方案示意图GOmaxB(eB,0B)E&dA19B8B2023年第42 卷C2ma=4元=4元T2.1滞回曲线特征分析F-0.5F由于篇幅有限,本节仅对 SCC试件 S。和 RSCC 试件S3进行分析,其他RSCC组试件的滞回曲线特征与t/s试件S,类似。试件S。和S,经过归一化处理后的应
23、力时间和应变时间曲线如图5所示,其中应力幅值为10 MPa,荷载频率为1Hz,循环次数为30,归一化公式如下(4)VNi(umx-min)式中:Un;为归一化后的数据;u;为原始数据;max和Umin分别为原始数据的最大值和最小值。从图5中可以看到,对于试件S。和S3来说,加载段AB和DE,应变相位始终落后于应力相位,而卸载段BC和CD,应变相位则领先于应力相位。在一个循环加载的过程中,混凝土的应变相位可能滞后、相等或超前于应力相位,其主要原因是混凝土中分布着裂缝和孔隙等缺陷,材料本身的非均匀性导致了非线弹性行为和滞后特性2 1 不同加载水平下,试件S。和S的滞回曲线变化,如图6 所示。统计两
24、组试件各个滞回曲线面积如表5所示,其中滞回曲线面积为循环加载最后10 次循环对应实测值的平均值。从图中可以看出,在加载水平较低时,试件S。和S3的应力-应变曲线呈现尖叶状,而随着加载水平的增大,滞回曲线逐渐下凹成新月状,曲线趋于应变轴,表明两组试件的动弹性模量随着加载水平的提高逐渐降低,一定程度上呈现非线弹性特性2 。从表5可以看出,随着加载水平的提高,滞回曲线(1)面积增大,滞回耗能明显增加。此外,在相同应力幅值下,RSCC试件S,的滞回曲线面积均大于SCC试件So,这也表明橡胶的加入增强了SCC的耗能能力。(3)(v;-Umin)第14期Fig.5Stress-time and strai
25、n-time curves12251020215105122510204215%100200300应变/ue105Tab.5Hysteresis curve area荷载水平组号12345So1.84.09.316.727.744.469.2115.3 175.62.16.513.924.939.455.377.799.8 127.2陈俊豪等:板式轨道充填层自密实混凝土阻尼性能研究2.2动弹模量一应力-应变1.25B1.000.750.50A0.2501.251.000.75F0.50A0.25000.2(b)试件S;图5应力一时间和应变时间曲线第1级第之级第4级第5级100200300应变/
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- 板式 轨道 充填 密实 混凝土 阻尼 性能 研究
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