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“高速列车疲劳荷载作用下无砟轨道伤损机理研究及裂纹修复技术”获省自然科学奖三等奖
来源: 发布日期:2022-05-31 浏览次数:

本网讯 日前,由土木工程学院徐桂弘、杨荣山、林红松等教师的“高速列车疲劳荷载作用下无砟轨道伤损机理研究及裂纹修复技术”项目获省自然科学奖三等奖。

该项目探索了高速铁路的固定基础设施——无砟轨道结构(如图1所示),在疲劳荷载作用下损伤演化行为及结构材料劣化机理,属固体力学与流体力学的交叉领域,内容涉及固体力学、材料力学、计算流体力学、流固耦合动力学、弹塑性力学、流体实验测量等方面的知识。获得创新性成果,主要包括:

图1无砟轨道结构与裂纹有关的工程问题

(1)在我国首次针对典型CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆调整层底部含水裂纹的受力特点(如图2、图3所示),应用结构动力学、流体动力学和流固耦合振动的基本原理,建立了列车动荷载与水耦合作用下裂纹内动水压力双向瞬态流固耦合三维计算模型,简称“裂纹内动水压力计算模型”。

图2无砟轨道层间连接破坏 图3无砟轨道轨枕吊空浸水

列车荷载具有加载频率高、作用力大等特点。本项目通过研究确定了,用于裂纹水压力特性研究的荷载分布、作用力大小、加载频率等,为相关的理论计算和试验研究提供加载参数。

三篇代表性论文及著作他引100余次,得到包括中国科学院院士翟婉明、赵春发(西南交通大学教授)、夏禾(北京交通大学教授)、谢友均(中南大学教授)等,来自不同研究领域学者的重点引用和评价。

该项研究成果,为后期“强岩溶富水城市地铁瑞雷波监测技术研究与应用”提供了理论支撑,并荣获2016年度中国施工企业管理协会科学技术奖科技创新成果一等奖。

(2)在我国高铁领域率先提出了循环动荷载作用下裂纹水压力的模型试验方法,针对典型CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆调整层底部含水裂纹,根据实际轨道结构缩小比例,浇筑了带裂纹的钢筋混凝土模型试件,将试件安放于水槽中,采用液压伺服疲劳机施加循环动荷载,采用高灵敏度传感器测量裂纹内水压力。试验研究了裂纹不同位置压力变化特点,加载频率、荷载幅值对水压力的影响。该成果为研究高速铁路无砟轨道结构水损害研究奠定了基础。

该项研究成果应用于后期的“工程结构模拟试验平台研究”,并于2018年获得了中国铁路总公司科学技术二等奖。此外,两篇代表性的论文得到同行专家王明昃、蔡成标等学者的重点引用和评价。该成果引发大量后续研究,如:曹世豪、朱胜阳等,将其发展到双块式无砟轨道离缝积水动水压力时空变化领域进行研究。

(3)首次考虑了列车疲劳荷载、雨水条件等多种不利因素耦合条件下,分析无砟轨道混凝土层间裂纹扩展特性。作为竖向多层、纵向异性的带状体,无砟轨道结构层与层之间的可靠联结对其服役性能有重要影响,本项目中,建立的“裂纹尖端强度因子的计算方法”,借助商用软件ANSYS-Structure计算不同条件下裂纹尖端的强度因子。明确疲劳荷载作用下产生的水压力对混凝土裂纹扩展影响宏观机理。

该项目提出以裂纹深度、裂纹宽度、裂纹开口量为基础的修补技术标准及裂纹扩展控制技术,研究成果应用于京沪高铁CRTSⅡ无砟轨道结构维修、用于商-合-杭高速铁路修建及部分地铁线路的修建中,与本项目研究成果相关的混凝土裂纹扩展形态研究成果及裂纹扩展控制方法,也已应用于高速公路及房建工程,如中建四局第5公司承担的未来方舟G区工程项目、云南石锁高速公路等。1篇代表性的专著及1篇论文得到同行专家胡瑞鹏、张戎令(兰州交通大学教授)、王云峰(兰州铁路局兰州枢纽工程建设指挥部主任)等学者的重点引用和评价。

(4)首次针对双块式无砟轨道典型轨枕松动后雨水浸入导致裂纹加剧的问题(如图3所示),基于高速列车循环冲击荷载作用及雨水浸入条件下,建立了轨枕-水流固耦合动力学计算模型。为验证计算模型的正确性浇筑带裂纹的模型试件,开展了轨枕松动吊空的裂纹内动水压力试验。

该项研究成果得到国内同行专家的刘学毅、杨荣山等学者的重点引用和评价。此外,该成果引发大量后续研究,如:谢露、杨荣山等,将其发展到轨枕边裂纹的扩展研究。

该成果为研究双块式无昨轨道枕边裂纹的防治和维修提供理论基础,研究成果中提出的控制轨枕裂纹扩展的混凝土、自密实混凝土的配合比技术,已经在用于渝黔铁路、白龙铁路、商-合-杭铁路修建中,且在地铁项目也有应用。

(5)首次开展了疲劳荷载-水耦合作用下混凝土裂纹的动态演化过程研究。根据裂纹状态特征,借助有限元分析软件Workbench-Structure,研究无砟轨道裂纹在疲劳荷载作用下动态演化过程计算方法、建立计算模型(简称为“裂纹动态演化模型”)。开展疲劳荷载-水耦合作用下混凝土裂纹动态演化试验。

该成果为研究疲劳荷载作用下无砟轨道水损害问题提供了新的研究基础和应用模型。得到同行专家的一致好评。为在建高铁提供了新的设计理念,在科学上具有深刻的启发性,为无砟轨道结构设计,提供了新的参考条件和新思路。

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