高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系经时行为研究

The longitudinally connected ballastless track-bridge structure system is widely adopted by the high-speed railway system in china, and the dynamic evolution process of this critical structure system has important impact on the operation safety of high-speed train. As a vertically multi-layered architecture, this track-bridge structure system has special tectonic features as well as loading behaviors. According to these issues, this project will focus on several topics as follows: first, it is quite important to develop a new experimental method, which is able to simulate the time-dependent behavior of ballastless track-bridge structure system. With this test method, the time-dependent behaviors, such as the interaction of each component in the track-bridge structure system, the long-term deformation property and the durability of the structure system, can be fully considered by the developed test method. Second, associated with the test data, a numerical simulation will be conducted to systematically investigate those long-term behaviors. Based on the tests and simulation, this project will reveal of the dynamic evolution mechanism of interactions between the track and bridge, establish the theoretical model and design method for the structures system considering the randomness and variability of engineering materials, and suggest the appropriate time-dependent reliability analysis and conditional assessment for the ballastless track-bridge structure system with information updating based high-order moment method. The outcomes of this research projects will improve the construction technology, establish the conditional assessment method, and enhance the relevant national or industry standards by providing scientific basis or technical support.

我国高速铁路广泛采用纵连式无砟轨道-桥梁结构体系，其经时行为动态演化进程将影响高速列车的运营安全。本项目针对高速铁路纵连式无砟轨道-桥梁结构体系竖向多层的构造特点和受力特征，研发高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系经时行为的试验方法，系统开展列车荷载与环境共同作用下无砟轨道-桥梁结构体系协同工作性能、长期变形性能和耐久性等经时行为的试验研究和数值模拟，揭示高速铁路无砟轨道-桥梁结构相互作用的动态演化机理，建立考虑材料随机性和时变性的高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系经时行为计算理论和设计方法，提出信息更新条件下基于高阶矩理论的高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系时变可靠度分析和状态评估方法。研究成果将为进一步提升我国高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系建造技术、建立相应的服役状态评估体系、完善相关国家或行业技术标准提供理论依据和技术支撑。

本项目对高速铁路纵连板式无砟轨道-桥梁结构体系经时行为进行了深入系统的研究，取得了系列创新性研究成果：(1) 开展了混凝土和CA砂浆的本构试验以及CA砂浆/混凝土界面试验，提出了基于微观统计力学和纤维束-不可恢复(应变) 链模型的混凝土和CA砂浆材料静力与疲劳随机损伤本构模型，建立了CA砂浆/混凝土界面的内聚力模型。(2) 建立了列车-无砟轨道-桥梁结构体系经时行为的多尺度有限元数值分析模型，开展了环境因素和列车荷载共同作用下无砟轨道-桥梁结构体系服役性能演化的模型试验研究，进行了理论分析、数值模拟与试验结果的相互验证，揭示了结构体系协同工作动态演化机理。(3) 开展了混凝土徐变试验研究，建立了考虑环境相对湿度、混凝土抗压强度为随机参量的混凝土徐变概率模型；基于该徐变随机模型，建立了无砟轨道-桥梁结构的三维有限元分析模型，揭示了无砟轨道-箱梁结构的长期整体变形、箱梁-底座板-砂浆-轨道板体系层间长期相互作用机理；提出了考虑随机性和时变性的无砟轨道-桥梁结构体系的长期变形的近似计算公式。(4) 在钢筋随机损伤本构模型中引入腐蚀影响系数，建立了不同侵蚀条件下钢筋的随机损伤本构模型；开展不同程度损伤和裂缝宽度的轨道板和底座板耐久性试验，提出了带裂缝轨道板混凝土氯离子传输模型；建立了氯盐侵蚀环境下无砟轨道-桥梁结构体系耐久性能劣化模型，提出了无砟轨道-桥梁结构体系耐久性设计建议。(5) 提出了动车的单轴、转向架和相邻四轴作用均服从正态分布的列车荷载概率模型；发展了信息更新条件下的高阶矩可靠度分析方法；提出了考虑服役期多因素长期作用影响的各结构层适用性和安全性评估指标体系；发展了基于层次分析法和时变靠度理论的无砟轨道-桥梁结构服役状态综合评估方法。.研究成果在国内外学术期刊上发表论文55篇，学术会议上24篇；授权发明专利9件、软件著作权7项；获中国铁道学会科学技术特等奖1项；主编中国工程建设标准化协会标准1部。