重载列车荷载与环境因素耦合作用下重载铁路桥梁疲劳损伤演化机理研究

The railway bridges have exhibited the outstanding fatigue damage and crack problem under the high traffic density condition of big axle load and long marshalling heavy haul trains. It is well documented that the performance of concrete structures exposed to corrosive enviroment is deteriorated due to long-time eroding and the concrete structures subjected to fatigue loading are more obviously than that subjected to static loading. The design and evaluation theoretical system on heavy haul railway bridge is not formed in our country and the coupled effect of fatigue loading and environmental action on structural performance deterioration is not taken into account completely in the literature. Based on experimental and theoretical methods, fatigue damage evolution mechanism of the heavy haul railway bridge under heavy haul strain, structural performance deterioration mechanism of damage and cracking bridge under environmental action and the coupled mechanism of fatigue loading and environmental action are systematically investigated. The experiment simulation method on the equivalent coupling effects of fatigue loading and environment factors will be proposed. The fatigue damage evolution rule for heavy haul railway bridge under the coupling effects is simulated by using experiment technology of fatigue loading and artifical climate simulation. The test project of heavy haul railway bridge under the coupling effect of fatigue loading and environment action will be carried out to research fatigue damage evolution mechanism and failure mode. The results will provide important science basis for design, evaluation and strengthening of heavy haul railway bridge

重载铁路在大轴重、长编组、高行车密度作用下，桥梁结构的疲劳损伤开裂问题非常突出，同时工程实践又表明，由于环境因素作用而产生的混凝土结构劣化对其疲劳性能的影响较静力性能的影响严重得多。目前，我国尚无专门针对重载铁路桥梁的设计与评估理论体系，已有的研究也并未充分考虑疲劳荷载与环境因素的耦合作用影响。为此，本项目拟通过试验研究和理论分析研究重载列车荷载作用下重载铁路桥梁疲劳损伤演化机理、环境因素作用下疲劳损伤开裂重载铁路桥梁性能劣化机理以及疲劳荷载与环境作用效应的耦合机制，建立疲劳荷载与环境因素耦合作用效应等效的试验模拟方法，并基于疲劳试验与人工环境模拟试验技术实现重载铁路桥梁在疲劳荷载与环境因素耦合作用下性能演化过程的模拟，通过系列模型试验研究疲劳荷载与环境因素耦合作用下预应力混凝土梁疲劳损伤演化机理和失效模式。研究成果将为重载铁路桥梁的设计、评估和强化提供科学依据。

本项目以重载铁路典型混凝土桥梁为研究对象，结合试验研究、理论分析和数值模拟，开展了重载列车荷载与环境因素耦合作用下重载铁路桥梁疲劳损伤演化机理研究，按照项目原定计划，揭示了重载铁路桥梁疲劳损伤演化机理，提出了相应的试验模拟和计算分析方法。主要创新成果如下：. （1）基于模拟疲劳荷载法建立了20m、24m、32m和40m重载铁路桥梁结构荷载效应谱；以重载铁路32m普通高度的预应力混凝土简支T梁为原型，设计了12根1:6试验模型梁，开展了疲劳荷载作用下梁的预应力损失试验、混凝土弯曲性能试验、疲劳损伤试验，揭示了预应力混凝土梁正截面疲劳损伤演化规律；基于混凝土与钢筋的疲劳损伤特性和本构模型，提出了两种预应力混凝土梁疲劳性能分析计算方法。. （2）建立了大气环境和氯盐腐蚀环境的人工模拟试验方法；开展了二组（12个）样品的疲劳损伤混凝土孔隙结构试验， 26根二氧化碳和氯离子在疲劳损伤模型混凝土梁中传输和钢筋锈蚀试验；基于多孔介质理论，建立了二氧化碳和氯离子在结构疲劳损伤混凝土内传输模型以及钢筋锈蚀模型，揭示了重载铁路预应力混凝土梁性能劣化特征和规律。. （3）基于重载列车荷载和环境载荷作用的特征，建立了疲劳荷载与环境因素耦合作用效应的试验模拟方法；以32m普通高度的预应力混凝土简支T梁为原型，设计了8根1:6缩尺模型梁，开展了疲劳荷载与环境因素耦合作用下预应力混凝土梁疲劳损伤试验，揭示了预应力混凝土梁疲劳损伤特征和规律；基于混凝土与钢筋的疲劳损伤特性和正截面应力分布特征，提出了疲劳荷载与环境因素耦合作用下预应力混凝土梁疲劳损伤分析计算方法。. 课题研究成果可为重载铁路桥梁的设计、评估和强化提供理论基础。在既有重载铁路以及普通铁路扩能改造中具有广阔的应用前景。. 在课题研究期间，课题组已发表学术论文13篇，其中SCI 论文6 篇，EI 论文6篇；获国家专利7项；参编标准1本；培养研究生6名，其中博士生1 名，硕士研究生5 名；获湖南省科技进步一等奖1 项等。