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水泥乳化沥青砂浆(cementandemulsifiedasphaltmortar,CA砂浆)主要应用于中国铁路轨道系统Ⅰ型板式无砟轨道(ChinarailwaytracksystemⅠprefabricatedslabtrack,CRTSⅠ型板式无砟轨道),具有调整、支承等重要作用。实际运营中,CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆常产生伤损,影响轨道结构受力、变形以及行车安全性、平稳性。本文采用基于损伤力学与Weibull分布理论推导得出的CA砂浆统计损伤本构方程,编写相应的UMAT子程序并验证其合理性,研究实际列车荷载作用下的砂浆损伤情况,具体分析了不同初始弹性模量、不同速度列车作用、板端离缝情况下的CA砂浆损伤发展规律,主要研究内容以及结论如下:
(1)编写CA砂浆统计损伤本构UMAT子程序,使用ABAQUS建立砂浆有限元模型,不同应变率下的模拟结果与试验数据的相关系数均在0.9747以上,表明了程序的合理性;分析砂浆损伤时发现,加载的应变一定,应变率越大,其损伤反而相对较小。
(2)建立CRTSⅠ型板式无砟轨道实体模型,嵌入UMAT子程序,采用现场实测客、货车轮轨垂向力,在板端第一扣件位置钢轨上方进行动力加载。假设砂浆无初始损伤,初始弹性模量为100MPa、300MPa、500MPa时:同一初始弹性模量下,CA砂浆损伤主要集中分布在板端3个扣件区域内;初始弹性模量增加,客、货车作用下砂浆的最大损伤均呈现出增加的趋势,且货车作用下砂浆的损伤比客车作用下的大。
(3)应用前文所建轨道有限元模型,根据现场实测所得不同车速下客、货车轮轨垂向力,分别研究客车速度60km/h、80km/h、110km/h和货车速度50km/h、70km/h、100km/h下CA砂浆的损伤发展,假设砂浆无初始损伤,发现:客、货车作用下,砂浆最大损伤均随速度增高而减小,货车作用下砂浆的损伤比客车作用下的大。
(4)板端离缝长度为1.5m,离缝高度分别为0.6mm、1.0mm、1.6mm、2.0mm时:客、货车作用下,砂浆的最大损伤均随离缝高度增加呈先增大后减小的态势,客、货车作用下砂浆损伤分别在离缝高度为1.0mm、1.6mm时达到最大;离缝高度增加,最大损伤出现的位置也由砂浆层端区域变为离缝-未离缝衔接部位。
(1)编写CA砂浆统计损伤本构UMAT子程序,使用ABAQUS建立砂浆有限元模型,不同应变率下的模拟结果与试验数据的相关系数均在0.9747以上,表明了程序的合理性;分析砂浆损伤时发现,加载的应变一定,应变率越大,其损伤反而相对较小。
(2)建立CRTSⅠ型板式无砟轨道实体模型,嵌入UMAT子程序,采用现场实测客、货车轮轨垂向力,在板端第一扣件位置钢轨上方进行动力加载。假设砂浆无初始损伤,初始弹性模量为100MPa、300MPa、500MPa时:同一初始弹性模量下,CA砂浆损伤主要集中分布在板端3个扣件区域内;初始弹性模量增加,客、货车作用下砂浆的最大损伤均呈现出增加的趋势,且货车作用下砂浆的损伤比客车作用下的大。
(3)应用前文所建轨道有限元模型,根据现场实测所得不同车速下客、货车轮轨垂向力,分别研究客车速度60km/h、80km/h、110km/h和货车速度50km/h、70km/h、100km/h下CA砂浆的损伤发展,假设砂浆无初始损伤,发现:客、货车作用下,砂浆最大损伤均随速度增高而减小,货车作用下砂浆的损伤比客车作用下的大。
(4)板端离缝长度为1.5m,离缝高度分别为0.6mm、1.0mm、1.6mm、2.0mm时:客、货车作用下,砂浆的最大损伤均随离缝高度增加呈先增大后减小的态势,客、货车作用下砂浆损伤分别在离缝高度为1.0mm、1.6mm时达到最大;离缝高度增加,最大损伤出现的位置也由砂浆层端区域变为离缝-未离缝衔接部位。