路基上双块式无砟轨道裂纹分析及防控方法研究-答辩（杨洋0211305）课件讲解

路基上双块式无砟轨道裂纹分析及防控方法研究学号：0211305姓名：杨洋导师姓名及职称：李斌教授概述路基上双块式无砟轨道裂纹分析及防控方法研究论文选题与综述论文创新性主要工作内容1.1论文选题的意义铁路发展逐步建立客运快速、货运快捷和重载、行车高密技术协调发展，高新技术与适用技术并重，不同层次技术装备并存的具有中国铁路特点的技术体系双块式无砟轨道所拥有的特性：稳定性、耐久性、经济性无砟轨道的病害凡是应用在工程中的混凝土构件，都会产生各种裂纹以及其他缺陷当裂纹出现扩展，道床板承载力与耐久性受到影响，轨道维修费用也会大大增长。若不及时处理影响无砟轨道结构的整体稳定性与行车安全性。1.2无砟轨道裂纹及其扩展研究现状裂纹分析限值裂纹宽度与裂纹出现位置方面的研究双块式无砟轨道的钢筋应力、裂纹宽度及其间距的计算公式研究裂纹扩展分析裂纹扩展扩展的判断研究裂纹扩展速率的研究返回2论文创新性道床板模型考虑钢筋混凝土滑移粘结ANSYS模拟时采用combin14单元裂纹扩展分析断裂力学理论疲劳寿命预测返回主要工作内容裂纹及其扩展研究建立模型有限元模型裂纹模型裂纹分析不同位置、深度、长度下扩展问题分析研究的基础问题解决2.1双块式无砟轨道特点及裂纹成因分析

双块式无砟轨道结构，主要由双块式轨枕（C60）、道床板(C40)、支承层(C15或C20)及其扣件组成，路基上双块式无砟轨道道床板的配筋为：纵向钢筋下层为12根Φ20，纵向钢筋上层为9根Φ20；横向钢筋每两个轨枕间距内上下层各设置一根Φ16的钢筋。2.1双块式无砟轨道特点及裂纹成因分析裂纹分类：道床板裂纹：多以道床板表面处裂纹与道床板上双块式轨枕的角裂纹为主；支承层裂纹：可能会出现在支承层上表面、下表面、侧面，也会出现一般贯通裂纹；双块式轨枕裂纹：多出现在道床板新旧混凝土交界处与双块式轨枕表面。2.1双块式无砟轨道特点及裂纹成因分析材料裂纹结构裂纹裂纹成因材料裂纹：收缩、新旧混凝土作用、施工因素等。结构裂纹：荷载作用（温度梯度、轴向、列车）。返回3.1模型建立

从其他学者的研究成果中我们知道，微裂纹的产生大多是在道床板还未进行实际运营时由于自身缺陷而引起的。所以若要进行荷载作用下路基上双块式无砟轨道道床板裂纹的相关研究，需在此之前模拟理想状况下道床板在温度力作用时其应力分布情况，从而对接下来的裂纹扩展研究给予相关支持。3.1模型建立

（1）混凝土本构关系：

曲线可用一系列数据点拟合以便输入，本文采用多线性等向强化模型MISO模拟。3.1模型建立（2）钢筋本构关系：

一般认为钢筋混凝土结构发生破坏时，钢筋变形仍处于屈服阶段。本文着眼于实际情况亦要求得到较高的精度，故在简化了钢筋的应力应变曲线的基础上，采用双线性等向强化模型BISO模拟。

3.1模型建立（3）钢筋与混凝土滑移粘结本构关系：

钢筋与混凝土纵向作用时对于与钢筋方向垂直的弹簧

据此，本章确定了以link8这种杆单元模拟道床板内的钢筋，用solid65这种实体单元模拟路基上双块式无砟轨道的双块式轨枕、道床板、支承层。为了考虑混凝土与钢筋的粘结滑移效应，道床板混凝土与钢筋之间的连接用弹簧单元Combin14模拟。3.1模型建立

模型长度取3个轨枕支承块间距，主要针对双块式无砟轨道结构中的道床板、支承层为主。由于钢轨、扣件对道床板应力影响较小，所以忽略钢轨与扣件的约束，并假设假设新旧混凝土建粘结良好，根据公路中对于连续配筋混凝土路面(CPCR)的要求，地基摩阻力不在考虑范围之内。

3.2路基上双块式无砟轨道力学研究

本文通过有限元分析软件Ansys分析温度荷载对双块式无砟轨道道床板的受力影响，Ansys软件中对热应力分析推荐采用顺序耦合分析，先进行热分析计算，将计算所得的节点温度施加到结构单元上的节点，再求解温度应力。

以温度梯度50℃／m，分别模拟道床板“上热下冷”“上冷下热”两种情况，计算工况分别为板顶比板底高13℃（13℃）、板顶比板底低13℃（-13℃）两种情况进行加载。

3.2路基上双块式无砟轨道力学研究

通过板顶比板底高13℃与板顶比板底低13℃的计算结果对比(见表3.3)。我们可以看出，温差为13℃与温差为13℃，混凝土与钢筋最大应力的受力方向正好相反，且代数值基本相等。

温度

梯度混凝土纵向混凝土横向钢筋纵向钢筋横向压力拉力压力拉力压力拉力压力拉力13℃0.490.670.420.6624.7-5.131.74-13℃0.680.500.660.42-25.21.835.233.2路基上双块式无砟轨道力学研究

结合双块式无砟轨道在运营中出现的病害情况进一步分析，我们可以得到：由于双块式轨枕与道床板的交角处存在应力集中现象，并且此处是两种混凝土材料的交界处，这会致使微裂纹的发展几率大增，实际运营中也印证了这一点。

返回4.1混凝土断裂力学理论

通常情况下，我们利用传统的强度计算方法判断构件的开裂标准，这种方法在一定条件下是能够完全反映客观事实规律的。不过，对于钢筋混凝土道床板而言，构件是带裂缝工作的，更重要的是，裂纹是在所难免的。所以，我们用传统的强度计算方法是不能完全反映实际情况的，甚至是存在很大偏差的。这是由于传统的强度理论和计算方法的运用，其基础是建立在连续均匀介质的假定上的，而在分析双块式无砟轨道道床板的强度问题中,将道床板理想地简化为无缺陷的连续介质是不能够反映其材料的根本特性的，这是由于实际状况中，道床板混凝土地收缩和其受到较大的温度应力，从而不可避免的会产生裂纹，这种由于各种原因多产生的裂纹外力作用下将会逐渐扩展,使道床板承载能力显著下降，如果这一现象得不到及时修整，将最终导致双块式无砟轨道道床板低应力脆性断裂。4.1混凝土断裂力学理论

我们在断裂力学分析此类问题时，材料不会再被看作是无缺陷的连续均匀介质，取而代之的是，我们把它看作含有裂纹的裂纹体。我们判断道床板使用强度和裂纹扩展规律时，主要根据道床板存在的裂纹及裂纹周围的应力、应变状态。

在断裂力学理论中，裂纹由于其产生的方式、其扩展的方式不同，被分为三种基本类型：I型裂纹，II型裂纹，III型裂纹。

I型裂纹是最常见亦是现场中最为危险的一种。所以，我们在研究中着重研究此类裂纹。2.4.1混凝土断裂力学理论

应力强度因子K1，是表征材料断裂的重要参量，表征外力作用下弹性物体裂纹尖端附近应力场强度的一个参量。张开型(Ⅰ型)裂纹应力强度因子K1是线弹性断裂力学中一个重要断裂参量。

先计算出混凝土构件裂纹尖端周围的应力和位移，然后直接应用裂纹尖端应力或位移场的渐近解表达式求出应力强度因子K1，对于本文研究的I型裂纹，计算公式如下：

4.1混凝土断裂力学理论

在裂纹前缘取几个距裂纹尖端很近的点。上述计算式计算出这些点的K1值，通过这些计算出的值，绘出K1~r曲线，从而通过曲线外推得到到r=0时的K1值即为所求的应力强度因子。应用这种方法求出的靠近裂纹尖端的K1值很精确，而这些点附近的应力梯度很大，因此划分有限元网格时必须划得很细才行；在裂纹尖端使用奇异单元后，得到应力值和位移值会比较准确。

对于断裂准则，一般用断裂力学理论的断裂准则来判断裂纹的失稳扩展。在判断的过程中，所用到的参数有应力强度因子K与混凝土断裂韧度KC，所应用的准则的意义为在外荷载作用下，当混凝土中裂纹的应力强度因子K达到或者超过混凝土失稳破坏所需临界值KC时，裂纹就会出现失稳扩展，最终导致混凝土的破坏。返回4.2路基上双块式无砟轨道裂纹模型

裂纹尖端裂纹模拟断裂韧度4.2路基上双块式无砟轨道裂纹模型

模型的建立依然借助大型有限元分析软件ANSYS，在前文模型的基础上，确定了分析裂纹扩展的路基上双块式无砟轨道有限元模型。本章主要研究温度应力与列车荷载作用下考虑道床板混凝土与钢筋滑移粘结作用的表面裂纹。

在内嵌裂纹模型模拟裂尖时，需要在单元的1/4边长处生成节点，对于三维裂纹尖端的模拟，我们采用等参单元进行模拟。为了解决裂纹奇异单元与常规单元连接面位移协调的问题，在裂尖外仍然采用常规单元。4.2路基上双块式无砟轨道裂纹有限元模型

对于表面裂纹，我们采用大型有限元分析软件ANSYS中专门模拟奇异单元的solid95进行模拟。由于双块式无砟轨道道床板会出现一些深度、长度同时存在的裂纹，所以，本文根据前人模拟裂纹扩展的经验，结合路基上双块式无砟轨道道床板裂纹的自身特点，模拟方法采用根据裂纹的不同深度将道床板按竖向划分为两部分：上部道床板中，裂纹尖端部分以及两尖端之间的部分采用solid95进行模拟，扩展的方向为沿道床板横向，其他部分采用solid65进行模拟；下部道床板由于不牵扯到裂纹尖端的应力强度因子的相关计算，所以仍然用第三章的方法进行模拟。针对裂纹尖端的模拟，我们在solid95的基础上采用人为设定节点的方法进行节点的布置，模拟裂纹尖端时，设置裂纹尖端处的应力奇异性计算的中间节点在各边的1/4处。4.2路基上双块式无砟轨道裂纹有限元模型

道床板断裂韧度：

Kc通常情况下需要复杂的实验进行测定，因此考虑采用经验公式来确定无砟轨道道床板的断裂韧度KC。a为与材料有关的系数，具体取值与混凝土中最大骨料粒径有关，根据我国《客运专线铁路双块式无砟轨道双块式混凝土轨枕暂行技术条件》规定，道床板混凝土骨料最大粒径为25mm，用线性插值法进行材料系数的计算。4.2路基上双块式无砟轨道裂纹有限元模型

道床板断裂韧度：

fcEDmaxa273250080.0252732500160.0302732500250.0462732500320.0554.2路基上双块式无砟轨道裂纹有限元模型

含表面裂纹的双块式无砟轨道有限元模型：

表面裂纹是并未完全贯穿道床板的具有两个裂纹尖端的裂纹，它的位置为道床板表面，由于它会沿着两个方向扩展，因此必须分别计算出两个裂纹尖端的应力强度因子，比较它们的值，取出最不利的计算结果，接着与断裂韧度进行比较以判断裂纹时候会发生失稳扩展。假设轨枕角裂纹长度为50mm，下图分别为为裂纹位置示意图与表面裂纹模型：返回4.3裂纹扩展分析

下面，我们将对前文建立的无砟轨道力学研究模型进行改进，引入上述裂纹模型，计算双块式无砟轨道道床板分别在温度梯度荷载、轴向温度荷载、列车荷载单独作用下，考虑道床板内部钢筋与混凝土的滑移粘结作用时的道床板裂纹随着裂纹深度、长度不同，道床板的裂纹扩展情况。

温度梯度荷载轴向荷载列车荷载下一页4.3.1温度梯度荷载下道床板裂纹扩展分析裂纹深度分别为50mm、100mm、150mm、200mm裂纹长度间隔50mm分别从50mm取至1000mm固定深度下裂纹强度因子随裂纹长度变化趋势

对于最不利的情况即道床板受到负温度梯度应力作用下的上表面裂纹进行分析，温度梯度均取50℃/m。4.3.1温度梯度荷载下道床板裂纹扩展分析裂纹尖端强度因子没有超过断裂韧度。所以，当裂纹深度为50mm时，裂纹不会横向扩展。裂纹尖端强度因子没有超过断裂韧度。所以，当裂纹深度为100mm时，裂纹不会横向扩展。4.3.1温度梯度荷载下道床板裂纹扩展分析裂纹尖端应力因子在裂纹长度达到900mm时，梁裂纹尖端应力强度因子中最小的已经接近断裂韧度，达到了54.50，这说明了，当裂纹深度为150mm时，900mm即为裂纹扩展的失稳长度。当裂纹深度为200mm时，裂纹尖端强度因子随裂纹的长度趁逐渐变大的趋势，不过由图可以看出，随着长度的增长，裂纹尖端应力因子在裂纹长度达到750mm时，裂纹尖端应力强度因子中最小的已经接近断裂韧度，达到了54.34，这说明了，当裂纹深度为200mm时，750mm即为裂纹扩展的失稳长度。4.3.1温度梯度荷载下道床板裂纹扩展分析

根据不同裂纹深度（50mm、100mm、150mm、200mm、250mm）得到的裂纹失稳长度绘制在图4.13中，如图可知，考虑道床板钢筋混凝土粘结滑移作用时，温度梯度荷载作用下，裂纹失稳扩展的长度随裂纹深度的增大而减小的同时，其裂纹失稳长度变化的速率也逐渐减缓。返回4.3.2轴向荷载下道床板裂纹扩展分析裂纹深度分别为20mm、50mm、100mm裂纹长度间隔50mm分别从50mm取至1000mm固定深度下裂纹强度因子随裂纹长度变化趋势

由于不管是哪种荷载，其只在受拉时才会发生不利变化，而双块式无砟轨道道床板只有在承受降温荷载的时候才会受拉，所以考虑采用降温荷载，降温幅度采用最不利情况的50℃/m进行研究分析4.3.2轴向荷载下道床板裂纹扩展分析裂纹尖端强度因子没有超过断裂韧度。所以，当裂纹深度为20mm时，裂纹不会扩展。当裂纹深度为50mm时，140mm即为裂纹扩展的失稳长度4.3.2轴向荷载下道床板裂纹扩展分析当裂纹深度为100mm时，90mm即为裂纹扩展的失稳长度根据不同裂纹深度（20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm）得到的裂纹失稳长度绘制在图中，可以看到，考虑道床板钢筋混凝土粘结滑移作用时，轴向荷载作用下，裂纹失稳扩展的长度随裂纹深度的增大而减小的同时，其裂纹失稳长度变化的速率也逐渐减缓，这与其在温度梯度荷载作用下变化情况基本一致。返回4.3.3列车荷载下道床板裂纹扩展分析

针对道床板下表面裂纹扩展的研究，通常采用的是准静态的方法进行研究。可以预见的是，下表面的裂纹扩展主要集中在下表面的反射裂纹，其示意图如图所示，国内外学者的研究成果表明，无砟轨道道床板在列车荷载作用时，其下表面所产生的反射裂纹的强度因子远远没有达到断裂韧度即列车荷载作用下，道床板下表面的反射裂纹是不会失稳扩展的。返回4.4道床板裂纹疲劳寿命研究

根据之前的研究我们可以看出，双块式无砟轨道道床板上表面的裂纹在一定深度下，其断裂失稳长度有所不同。道床板的裂纹扩展直至断裂失稳是一个长期的过程，在这一过程中，道床板受到外荷载的作用，使得裂纹发生疲劳扩展。混凝土疲劳断裂疲劳裂纹扩展速率道床板裂纹疲劳扩展研究4.4.1混凝土疲劳断裂疲劳断裂与普通的静载断裂有所差异，这些差异主要表现在：疲劳断裂的根源是循环荷载作用而静载断裂则是荷载的大小所致；疲劳断裂在宏观上通常不易被发觉，这也是疲劳断裂经常突然发生不易提前进行诊治的原因之一。疲劳荷载的循环次数，决定于荷载所产生的应力大小、材料的抗裂性能。在应力小、抗裂性能好的条件下，材料能够承受疲劳荷载的循环次数将会大大增加。在疲劳裂纹出现直到发生裂纹失稳这一过程中，包括显微裂纹扩展与明显裂纹扩展两个阶段，合称亚临界扩展。裂纹在这两个阶段所呈现出的变化其区别在于，前者往往表现为裂纹的长度、深度、扩展速率的缓慢变化，后者中的上述参考值则会大幅变化。4.4.2疲劳裂纹扩展速率反复荷载作用下混凝土道床板的疲劳寿命用下式计算：Nc即为裂纹疲劳寿命，其中，整个积分考虑在道床板裂纹从初始长度l0扩展到临界长度lc这一过程中，本文将会根据之前研究的数据，用参数L求出K的表达式，并根据上式积分得到疲劳寿命4.4.3道床板裂纹疲劳扩展研究

(1)温度梯度荷载作用下道床板表面裂纹疲劳扩展研究：

根据之前分析可知，双块式无砟轨道道床板在考虑钢筋与混凝土粘结滑移作用下，表面裂纹仅在50℃/m温度梯度荷载作用时，从裂纹深度大于100mm开始，裂纹均存在失稳扩展长度。当裂纹深度为150mm时，900mm为裂纹扩展的失稳长度；当裂纹深度为200mm时，750mm为裂纹扩展的失稳长度。所以，我们仅对裂纹深度为150mm与200mm时，做裂纹疲劳寿命研究。参照之前的分析，计算疲劳寿命，就要首先算出裂纹尖端项

的值以便进行数值积分的后续计算，之后应用经典统计学分析软件SPSS对疲劳寿命公式进行拟合。4.4.3道床板裂纹疲劳扩展研究

=

代入所以，所以，考虑道床板钢筋与混凝土滑移粘结作用，双块式无砟轨道道床板在温度梯度为-50℃/m下，裂纹深度为150mm、初始长度50mm的裂纹，其疲劳扩展寿命大概在698万次左右。4.4.3道床板裂纹疲劳扩展研究

=

代入所以，考虑道床板钢筋与混凝土滑移粘结作用，双块式无砟轨道道床板在温度梯度为-50℃/m下，裂纹深度为200mm、初始长度50mm的裂纹，其疲劳扩展寿命大概在571万次左右。4.4.3道床板裂纹疲劳扩展研究

=

代入

所以，考虑道床板钢筋与混凝土滑移粘结作用，双块式无砟轨道道床板在轴向温度为-50℃/m下，裂纹深度为50mm、初始长度50mm的裂纹，其疲劳扩展寿命大概在48.7万次左右。（2）轴向荷载作用下，同理可得：4.4.3道床板裂纹疲劳扩展研究

=

代入

所以，考虑道床板钢筋与混凝土滑移粘结作用，双块式无砟轨道道床板在轴向温度为-50℃/m下，裂纹深度为100mm、初始长度50mm的裂纹，其疲劳扩展寿命大概在19.8万次左右。5双块式无砟轨道裂纹防控方法浅析

对于钢筋混凝土结构的裂纹及其防治，现阶段已有一套较稳成熟的方法。由于双块式无砟轨道亦为钢筋混凝土结构，其无论在构造阶段、施工阶段或运营阶段，裂纹的出现在所难免。目前，对于无砟轨道裂纹控制的研究还在发展中，本章仅以普遍出现的裂纹与其扩展的防治予以建议。基本内容钢筋混凝土裂纹双块式无砟轨道特点双块式无砟轨道裂纹防控5.1钢筋混凝土防控方法简述裂纹容许值欧洲日本德国中国美国混凝土裂纹控制标准介绍：5.1钢筋混凝土防控方法简述收缩裂纹及其控制措施塑性收缩塑性干缩裂纹塑性沉降裂纹自生收缩干燥收缩5.1钢筋混凝土防控方法简述温度裂纹及其控制措施限制能量释放及扩散限制自身温度限制温差提高本身性能限制温差钢筋设置5.2双块式无砟轨道裂纹防控方法道床板裂纹控制标准发表组织裂纹宽度/mmDIN10450.30欧洲混凝土委员会0.30短期荷载组合下0.25长期荷载组合下日本土木、建筑学会0.05c耐久性要求下0.30外观要求下混凝土结构设计规范0.2C/30铁路混凝土耐久性设计暂行规定0.2C/305.2双块式无砟轨道裂纹防控方法施工方面裂纹出现后的处理设计方面

无砟轨道中，道床板的破坏对于无砟轨道使用寿命的危害是极其重大的，使用寿命的60年我们通常从设计与施工两方面出发，采取各种措施减小裂纹数量，特别是有害裂纹的数量。6.总结结论裂纹扩展方面

表面裂纹仅在-50℃/m温度梯度荷载作用时，裂纹沿道床板的扩展只在裂纹深度在100mm以后才会出现。其中，裂纹深度达到150mm，900mm为裂纹扩展