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硕士学位论文

城市轨道交通梯形轨枕疲劳损伤

规律研究

⃞

2023年06月13日

摘要

随着我国经济实力的不断增强，大城市的人口聚集和机动车数量的快速增长

导致地面交通顺畅的需求激增。后来城市轨道交通的出现，有效改善了地面交通拥

堵的情况。重庆是西部地区第一个开通轨道交通的城市，并且不断开通新型的轨道

线路，某些线路站点所使用的梯形轨枕为一种新型轨枕，具有减振降噪、施工快等

多方面的优点，相关技术人员对其静力性能已有较充分的研究，但对轨枕结构在列

车荷载作用、温度循环下的疲劳性能研究很少。本文主要以某些站点所使用的梯形

轨枕原型为研究对象，通过理论计算与试验数据，分析轨枕的疲劳性能，并从中得

到梯形轨枕的疲劳损伤规律，论文主要工作与结论如下：

参照目前重庆其他已开通的轨道交通路线，结合预期的客流量和车流量，对研

究站点所在线路的运行计划进行预估。通过Midas/Civil建立钢轨-梯形轨枕的结构

分析模型，计算出移动荷载作用下梯形轨枕的弯矩包络图，以及最不利位置处的弯

矩影响线，得到最不利截面的弯矩历程曲线，再采取雨流计数法和泄水法取弯⃞

矩历程曲线上的弯矩幅及其对应的循环次数，结合预估得到的运行计划，确定

100年

运营期内各弯矩幅及其总的循环次数。

针对重庆夏天的极端高温，在轨枕疲劳分析中首次引入温度梯度影响，采用轨

道板的温度场模型，利用本地区多年分析得到的气温、辐射量等情况，计算出梯形

轨枕上下表面的温度差，得到梯形轨枕上下表面在各月份的正负温度梯度及其最

不利截面的弯矩循环情况。通过阅读大量文献发现以往的研究中大多数都只考虑

了仅列车荷载作用，忽略了温度梯度对结构的影响，而本文结合列车荷载和温度梯

度这两个因素对梯形轨枕的作用。

分别考虑仅列车荷载作用、列车荷载加上温度梯度共同作用两种情况。采用

Paris公式将变幅弯矩循环等效为常幅弯矩循环，并通过混凝土的S-N方程和Miner

线性损伤累积理论计算出在两种情况下，200万次疲劳荷载下的常幅弯矩，然后将

弯矩幅转化为作用在梯形轨枕上的试验荷载幅。

建立梯形轨枕ANSYSWorkbench三维实体模型进行静力、动力与疲劳寿命分

析，用预应力钢筋降温收缩的方式来模拟轨枕中的预应力，得到最不利截面下缘拉

应力达到混凝土抗拉强度设计值时对应的弯矩40.39kN·m，与梯形轨枕静力破坏

试验的实测开裂弯矩41kN·m基本一致，稍大于按规范计算的开裂弯矩值

38.15kN·m；固有频率计算结果，为疲劳试验加载频率3.5Hz的最终确定⃞供

了

依据；前述两种情况下梯形轨枕的计算寿命，均符合规范要求。

根据两种情况在200万次疲劳荷载下的计算常幅弯矩，考虑弯矩幅分级及循

I

环次数的组合对5片梯形轨枕进行系列疲劳试验，以仅考虑列车作用的弯矩幅值

200150755025

为基础，初始循环次数分别为万、万、万、万、万次后，对弯矩

幅依次⃞高至基础幅值的1.11倍（列车荷载加上温度梯度共同作用）、1.3倍、

1.45倍，再继续进行不同循环次数组合的疲劳试验直至破坏，得到梯形轨枕循环加

载分级组合直至疲劳失效过程的结构刚度、截面中性轴位置、代表性测点应变、

疲劳寿命、损伤度变化规律。以往的多数疲劳试验没有考虑荷载分级，因此采用

弯矩幅分

级及循环次数的组合研究轨枕损伤变化规律是本论文的创新之处。

关键词：梯形轨枕，温度梯度，累积损伤，损伤规律，有限元分析

II

ABSTRACT

Inrecentyears,withChinasgrowingeconomicpower,