宋安祥 姚國文 劉佳偉 王月瑞

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.084

收稿日期：2022?02?10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52178273）；重慶市自然科學(xué)基金（cstc2021jcyj-msxmX1159）；重慶市研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目（JDLHPYJD2020004）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYB22230）

作者簡介：宋安祥（1995- ），男，博士生，主要從事無砟軌道結(jié)構(gòu)研究，E-mail：1225763598@qq.com。

通信作者：姚國文（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：yaoguowen@sina.com。

Received： 2022?02?10

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 52178273）; Natural Science Foundation of Chongqing （No. cstc2021jcyj-msxmX1159）; Chongqing Graduate Joint Training Base Construction Project （No. JDLHPYJD2020004）; Chongqing Postgraduate Research and Innovation Project （No. CYB22230）

Author brief： SONG Anxiang （1995- ）， PhD candidate， main research interest： ballastless track structure， E-mail： 1225763598@qq.com.

corresponding author：YAO Guowen （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： yaoguowen@sina.com.

摘要：為深入了解溫度及高頻列車荷載作用下無砟軌道結(jié)構(gòu)損傷研究進(jìn)展，概述無砟軌道的主要結(jié)構(gòu)型式及其優(yōu)缺點(diǎn)，梳理無砟軌道溫度場與溫度效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析不同溫度荷載形式下層間界面損傷發(fā)生、發(fā)展過程與變化規(guī)律；介紹靜力作用下路基、橋上無砟軌道的靜力特性及疲勞荷載作用下的疲勞損傷演化機(jī)制；探討溫度-列車荷載耦合作用下無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)研究現(xiàn)狀及其重難點(diǎn)；總結(jié)目前研究的局限并進(jìn)一步展望未來發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果表明：具有太陽輻射地域性差異的無砟軌道溫度作用模式和取值鮮有研究，設(shè)計(jì)規(guī)范也沒有針對(duì)性說明，后續(xù)應(yīng)結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算無砟軌道溫度作用，繪制不同地域的無砟軌道溫度作用取值等溫線地圖，提高結(jié)構(gòu)溫度作用取值和溫度計(jì)算理論的精度；對(duì)溫度及列車荷載對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)損傷的研究多集中于整體結(jié)構(gòu)，細(xì)部結(jié)構(gòu)損傷演化未深入研究，應(yīng)對(duì)標(biāo)工程實(shí)際，結(jié)合軌道細(xì)部構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)、室內(nèi)加速試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值分析與試驗(yàn)研究，量化無砟軌道各參數(shù)與結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系；因試驗(yàn)條件限制，現(xiàn)有溫度-荷載及力學(xué)試驗(yàn)均分段進(jìn)行，僅從數(shù)值模擬角度對(duì)無砟軌道開展溫度-列車荷載耦合作用下的性能研究，數(shù)值結(jié)果缺少模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，應(yīng)在單一荷載研究背景下進(jìn)一步突破溫度-列車荷載耦合作用下的多尺度模型試驗(yàn)方法、多場耦合精細(xì)化數(shù)值分析方法，揭示溫度-列車荷載耦合動(dòng)力學(xué)行為和軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理；循環(huán)溫度、持續(xù)高低溫等復(fù)雜溫度和列車荷載耦合效應(yīng)鮮有研究，應(yīng)探明復(fù)雜溫度-列車荷載耦合作用下無砟軌道損傷演化機(jī)制，優(yōu)化無砟軌道體系設(shè)計(jì)，完善耦合作用下的軌道結(jié)構(gòu)性能服役評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；溫度場；溫度荷載；列車荷載

中圖分類號(hào)：U213.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）05-0125-22

Research progress on mechanical properties of high-speed railway ballastless track under temperature and vehicle load

SONG Anxianga，b， YAO Guowena，b， LIU Jiaweib， WANG Yueruib

（a. State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering； b. School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P. R. China）

Abstract： In order to deeply understand the progress of research on structural damage of ballastless track under temperature and high-frequency train load， the primary structural forms of ballastless track and its advantages and disadvantages were summarized， the current status of research on the temperature field and temperature effect of ballastless track was reviewed， and the process of occurrence， development and change the law of interlayer interface damage under different forms of temperature load was focused on. The static properties of roadbeds and ballastless tracks on bridges under static forces and the mechanism of fatigue damage evolution under fatigue loading were presented. The current state of research on the mechanical response of ballastless track structures under coupled temperature-train loads and the major difficulties were discussed. Summarized the current research limitations and further looked forward to future development trends. Research results show that the regional difference of solar radiation has little research on the temperature action mode and value of ballastless track， and the design specification has no specific description. In the future， the temperature action of ballastless track should be accurately calculated in combination with historical meteorological data， and the isotherm maps of the temperature effect of ballastless tracks in different regions should be drawn to improve the accuracy of structural temperature action value and temperature calculation theory. The damage research of temperature and train dynamic load on ballastless track structure is mostly concentrated on the overall structure， and the damage evolution of detailed structure is not studied in depth. To quantify the mapping relationship between each parameter of ballastless track and structure by combining track details， components and overall structure， indoor accelerated test and field test， numerical analysis and experimental research in response to the actual standard project. Due to the limitation of test conditions， the existing temperature load and mechanical test are all carried out in sections， and the performance study under the coupling effect of temperature and train load is only carried out on the ballastless track from the perspective of numerical simulation. Under the background of single-load research， further breakthroughs are made in the multi-scale model test method and the multi-field coupling refined numerical analysis method under the coupled effect of temperature-train load， revealing the coupled dynamic behavior of temperature-train load and the instability mechanism of the track structure. The complex temperature and vehicle load coupling effects based on cyclic temperature， continuous high and low temperature， etc. have rarely been published. Probing the damage evolution mechanism of ballastless track under complex temperature-train load coupling. Optimize the design of ballastless track system， and improve service evaluation criteria for track structure performance under coupling action， to provide a reference for the actual project.

Keywords： high-speed railway； ballastless track； temperature field； temperature load； vehicle load

無砟軌道具有使用壽命長、維修工作量少、可靠性高等優(yōu)異性能，已成為應(yīng)用較為廣泛的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)型式，引領(lǐng)了軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展新方向[1-3]。 “交通強(qiáng)國”國家重大戰(zhàn)略決策的全面開展，進(jìn)一步推進(jìn)了無砟軌道在高速鐵路軌道的中建設(shè)，加快了高速鐵路網(wǎng)的建成。

20世紀(jì)70年代，世界首條無砟軌道高速鐵路建于日本新干線，隨后德、韓等國家逐漸開始將無砟軌道應(yīng)用于鐵路建設(shè)工程中，中國于2004年建立無砟軌道高速鐵路線路的試驗(yàn)段，通過消化吸收再創(chuàng)新形成了CRTS系列無砟軌道[4]。相比其他國家，中國無砟軌道高速鐵路應(yīng)用時(shí)間較短且服役環(huán)境更為復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)營維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)存在一定欠缺。在實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在長期服役過程中，軌道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞與損傷，表現(xiàn)出不同的病害特征，如圖1所示。可見，在保障安全的前提下，使高速鐵路無砟軌道能夠在復(fù)雜的服役環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)營已成為當(dāng)前亟待解決的難題。一方面，在服役過程中，無砟軌道長時(shí)間受到周期性太陽輻射及氣溫變化作用，由此產(chǎn)生的溫度效應(yīng)十分顯著，嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另一方面，軌道結(jié)構(gòu)承受列車周期動(dòng)荷載，荷載的沖擊加速了軌道結(jié)構(gòu)劣化?？梢钥闯觯诜燮趦?nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)損傷及失穩(wěn)機(jī)理較為復(fù)雜。因此，為了更科學(xué)地對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)營維護(hù)，有必要深入探究環(huán)境溫度、列車荷載及溫度-列車荷載耦合作用下對(duì)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)性能的影響，保障無砟軌道在復(fù)雜服役環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)營。

近年來，學(xué)者們針對(duì)上述問題開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與理論分析，并建立了相應(yīng)的數(shù)值模型對(duì)軌道結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行探究。筆者首先概述無砟軌道結(jié)構(gòu)形式及其優(yōu)缺點(diǎn)，并從試驗(yàn)研究、理論分析及數(shù)值仿真的角度出發(fā)，梳理無砟軌道溫度作用與溫度效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納現(xiàn)有研究的不足；對(duì)靜載及疲勞荷載作用下無砟軌道力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步探究溫度-荷載耦合作用下無砟軌道損傷行為及其演化特征，指出存在的問題，對(duì)其中的重難點(diǎn)進(jìn)行探討；最后，展望未來無砟軌道的研究發(fā)展趨勢(shì)。

1 CRTS系列無砟軌道系統(tǒng)

目前，無砟軌道因其優(yōu)異特性已得到廣泛認(rèn)同，學(xué)者們研發(fā)出了不同結(jié)構(gòu)形式的無砟軌道。應(yīng)用較廣泛的結(jié)構(gòu)形式有日本的新干線、德國的Rheda、Züblin與B?gl及法國的Stedef等無砟軌道系統(tǒng)[5]。中國通過引進(jìn)消化吸收，形成了CRTS系列無砟軌道系統(tǒng)，主要包括CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型板式無砟軌道及雙塊式無砟軌道。其中，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道是結(jié)合中國國情自主研發(fā)的新型高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)形式[3]。CRTS系列無砟軌道結(jié)構(gòu)信息見表1。

結(jié)合高速鐵路無砟軌道運(yùn)營情況可知，CRTS系列無砟軌道均能滿足當(dāng)前運(yùn)營要求，但各結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)特點(diǎn)有所差異。CRTS系列無砟軌道結(jié)構(gòu)可分為預(yù)制板式與現(xiàn)澆道床式、縱連與單元結(jié)構(gòu)以及水泥乳化瀝青砂漿與自密實(shí)混凝土調(diào)整層。預(yù)制板式優(yōu)勢(shì)在于廠制，效率高且質(zhì)量易于把控，但成本較高；現(xiàn)澆道床式經(jīng)濟(jì)性較好，施工靈活，但施工進(jìn)程緩慢且質(zhì)量控制難度較大?？v連結(jié)構(gòu)整體性較優(yōu)，施工工藝與溫度質(zhì)量要求較高，后期病害整修較為復(fù)雜；反之，單元結(jié)構(gòu)易施工、受力明確、可維修性較強(qiáng)。砂漿調(diào)整層性能指標(biāo)較低且受外界因素影響較大，易劣化；自密實(shí)混凝土調(diào)整層結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)異，造價(jià)也相對(duì)較低[6]。不同結(jié)構(gòu)型式無砟軌道其他優(yōu)缺點(diǎn)在表1中說明。因CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型及雙塊式無砟軌道均是在引進(jìn)國外無砟軌道的基礎(chǔ)上結(jié)合中國實(shí)際情況再創(chuàng)新而形成的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)形式與國外相似，存在共性優(yōu)缺點(diǎn)。為打破國外技術(shù)壟斷，中國研究人員充分利用探索成果，開發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，運(yùn)營實(shí)踐證明，相比其他結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)性較好、病害少、易維修等綜合性能較優(yōu)，當(dāng)前俄羅斯莫斯科—喀山高鐵初步設(shè)計(jì)已采用該結(jié)構(gòu)形式。值得注意的是，中國現(xiàn)已成功開發(fā)350 km/h的高速列車及軌道形式，建成了現(xiàn)代化高標(biāo)準(zhǔn)鐵路網(wǎng)，中國高鐵已在全球高鐵中快速崛起[7]。

2 無砟軌道溫度作用與效應(yīng)

2.1 無砟軌道溫度場

因長期暴露于外界環(huán)境中，在太陽輻射及日、年溫變化等影響因素下，無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部將形成不均勻溫度分布，由此所產(chǎn)生的溫度內(nèi)力與變形在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載中所占比重較大，且在極端溫度地區(qū)的溫度效應(yīng)更為明顯。因此，準(zhǔn)確獲得軌道結(jié)構(gòu)的溫度場尤為重要。

2.1.1 試驗(yàn)研究

現(xiàn)有學(xué)者利用日趨成熟的傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方式對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)豎向及橫向溫度進(jìn)行短期或長期的多點(diǎn)位測(cè)定，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，深入了解無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場的時(shí)程變化及分布特性。

其他國家在規(guī)范中針對(duì)無砟軌道溫度變化作了明確規(guī)定，歐洲規(guī)范中給出的溫度總體變化范圍為±35 ℃，垂直方向的正、負(fù)溫度梯度分別為9、-12 ℃/m；德國規(guī)范中假定了軌道板溫度梯度為50 ℃/m[4]。相較于其他國家，中國的氣候條件有極寒、寒區(qū)和溫帶，更為復(fù)雜。近年來，中國學(xué)者針對(duì)不同氣候條件下無砟軌道溫度分布形式開展了大量的試驗(yàn)研究，建立了豎向溫度預(yù)估分析模型。圖2為部分試驗(yàn)結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)距軌道板上表面的高度，縱坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)溫度與軌道板頂面溫度的差值?？梢钥闯觯S垂直深度的不斷增加，溫差不斷降低。因地區(qū)氣候及路基、橋上軌道結(jié)構(gòu)不盡相同，且相較于路基上無砟軌道，橋上無砟軌道與箱梁之間熱交換更為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致溫度場分布情況差異較大。

戴公連等[8-10]以縱連式無砟軌道為研究對(duì)象，對(duì)無砟軌道在不同季節(jié)（高溫季節(jié)、秋季及寒冷季節(jié)）的橫、豎向內(nèi)部溫度進(jìn)行了現(xiàn)場長期連續(xù)觀測(cè)，研究了各季節(jié)下無砟軌道溫度場相應(yīng)的時(shí)變規(guī)律，并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法建立了符合中國CRTS Ⅱ型無砟軌道的橫、豎向溫度荷載分布模式。楊榮山等[11]探尋了成都地區(qū)雙塊式無砟軌道的道床板垂向溫度荷載模式，同樣采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)CRTS I型雙塊式軌道結(jié)構(gòu)冬季溫度場現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，歸納總結(jié)得到軌道結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律。除此之外，相關(guān)學(xué)者針對(duì)中國不同經(jīng)緯度下軌道結(jié)構(gòu)的溫度場影響規(guī)律，基于熱力學(xué)理論擬合出了典型地區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度荷載預(yù)估模型[12]。由圖2可以看出，上述研究者得到預(yù)估的豎向溫度分布模型均為指數(shù)形式，與《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）[13]中箱梁豎向溫度分布相似。劉鈺等[14]、吳斌等[15]通過分析大量室外軌道結(jié)構(gòu)溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)施工期、運(yùn)營期的溫度場分布特征規(guī)律進(jìn)行了匯總，采用最小二乘法對(duì)軌道結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行了回歸分析，建立了軌道板預(yù)估模型和表面溫度荷載模型。此外，趙磊等[16]、周凌宇等[17]所研究的溫度分布形式與上述研究結(jié)果有所差異，豎向溫差分別呈“S”形、三段式階梯形分布，橫向溫度呈拋物線形分布。其原因在于：1）室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境溫度溫升范圍、時(shí)間可控；2）現(xiàn)場試驗(yàn)豎向測(cè)點(diǎn)較少，未在砂漿層設(shè)置測(cè)點(diǎn)；3）室內(nèi)試驗(yàn)為縮尺試驗(yàn)，豎向厚度小于實(shí)際厚度。其中，相較于混凝土，CA砂漿層具有保溫隔熱性能，造成層間溫度傳導(dǎo)困難，進(jìn)而導(dǎo)致層間溫差較大。此外，學(xué)者們基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)得到軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度分布規(guī)律，CA砂漿層受環(huán)境溫度變化較小[18]。因此，研究者在探究縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)變化規(guī)律的過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注砂漿層的影響，針對(duì)砂漿層的研究在文獻(xiàn)[19-20]中已有相關(guān)綜述。

學(xué)者們除對(duì)氣候條件較為溫和的服役環(huán)境進(jìn)行研究之外，對(duì)極端氣候條件也進(jìn)行了相應(yīng)探究，孫澤江等[21]通過實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)高溫下軌道結(jié)構(gòu)溫度分布及參考?xì)庀筚Y料，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)該天氣下無砟軌道的溫度分布特性進(jìn)行了分析，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)及數(shù)值，對(duì)軌道板外表面溫度進(jìn)行計(jì)算并提出了經(jīng)驗(yàn)公式。歐祖敏等[22-24]考慮溫度荷載具有隨機(jī)性，選取應(yīng)用較為廣泛的極值概率隨機(jī)分布建立數(shù)學(xué)模型，以此對(duì)軌道板相應(yīng)的溫度荷載進(jìn)行合理取值。可見，采用試驗(yàn)研究方法對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)形式、服役環(huán)境下的結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行長期測(cè)試及統(tǒng)計(jì)分析，建立軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載模型已成為目前的研究熱點(diǎn)，在研究中也發(fā)現(xiàn)，影響軌道結(jié)構(gòu)溫度場外界的因素較多，所建溫度荷載模型有所差異，缺乏通用軌道結(jié)構(gòu)溫度及溫度荷載模型，對(duì)工程的普適性指導(dǎo)有所欠缺。其中，基于隨機(jī)過程模擬溫度場的研究已初步取得較好效果，與實(shí)測(cè)的溫度特性具有良好的一致性，可為軌道結(jié)構(gòu)溫度場的預(yù)估提供新方法。

2.1.2 理論分析

通過綜合研究氣象學(xué)、熱力學(xué)及基礎(chǔ)數(shù)學(xué)等一系列復(fù)雜學(xué)科，基于實(shí)測(cè)初始條件并采用解析方法可得到軌道結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的溫度場。軌道結(jié)構(gòu)溫度場研究過程中涉及學(xué)科寬泛且復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行模型簡化，確定熱量來源及影響因素，建立結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)方程。

無砟軌道結(jié)構(gòu)作為層狀組合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有學(xué)者[24-25]認(rèn)為，熱能在其內(nèi)部傳導(dǎo)實(shí)為三維或二維熱傳導(dǎo)問題，但軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)與環(huán)境接觸面積較小，且無砟軌道各層材料熱工參數(shù)比較相近，因此，根據(jù)固體傳熱理論，將實(shí)際較為繁雜的多維熱傳導(dǎo)進(jìn)行降維處理，可直接將其視為豎直方向的一維線性熱傳導(dǎo)問題[26-28]。

研究發(fā)現(xiàn)，無砟軌道主要熱量源頭為太陽輻射，通過對(duì)白晝非陰雨天時(shí)太陽輻射強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律與正弦或余弦曲線規(guī)律大致相符[29]，為更好地表達(dá)太陽輻射日變化規(guī)律，Wang等[30]采用傅里葉級(jí)數(shù)逼近正弦函數(shù)分布曲線并建立表達(dá)式，便于熱傳導(dǎo)方程的求解計(jì)算，如式（1）所示。

式中：I_0為正午12點(diǎn)太陽輻射最大值；m為日照時(shí)間比例系數(shù)；t為時(shí)間。

在太陽輻射下，無砟軌道結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)之間的熱交換如圖3所示。熱交換包括太陽總輻射、對(duì)流換熱和輻射換熱。值得注意的是，太陽輻射進(jìn)入大氣層后，輻射分為兩部分：一部分直達(dá)結(jié)構(gòu)表面，稱為太陽直接輻射；另一部分被空氣分子和灰塵向其他方向散射，其中部分也會(huì)到達(dá)結(jié)構(gòu)表面。太陽直接輻射與到達(dá)軌道結(jié)構(gòu)表面的散射輻射之和稱為太陽總輻射。當(dāng)這3種類型的傳熱轉(zhuǎn)化為熱流密度邊界條件時(shí)，結(jié)構(gòu)表面與外部之間的總熱流密度表示為[31]

q=q_s+q_c+q_1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：q_s為太陽總輻射折算后的熱流密度；q_c為對(duì)流熱流密度；q_1為有效輻射熱流密度。

基于熱傳導(dǎo)理論分析，歐祖敏等[24，32]將軌道板外表面的實(shí)際觀測(cè)數(shù)值視為初始條件，通過理論解析計(jì)算了結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間變化的數(shù)值，并在該理論下將無砟軌道三維空間溫度場的求解簡化為一維熱傳導(dǎo)問題，以太陽輻射和環(huán)境溫度為熱力學(xué)邊界條件，推導(dǎo)了無砟軌道垂直溫度分布函數(shù)?？稻S新等[33]通過對(duì)實(shí)際觀測(cè)的氣象材料整理分析，并依據(jù)氣象學(xué)及傳熱學(xué)原理對(duì)無砟軌道與環(huán)境之間的換熱機(jī)理展開研究，得到了高溫氣候下軌道結(jié)構(gòu)的溫度計(jì)算表達(dá)式。劉學(xué)毅等[34]采用頻譜分析方法，探究了氣象因素與道床板溫度的聯(lián)系；同樣以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，在試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)道床板材料的相關(guān)熱工參數(shù)進(jìn)行反演，提出了精度較好的道床板溫度簡易計(jì)算辦法。Lou等[35]針對(duì)高鐵橋軌結(jié)構(gòu)，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)與可靠性高矩理論，建立了橋上無砟軌道溫度作用模型，利用傅立葉級(jí)數(shù)擬合了均勻溫度譜的分布規(guī)律，建立了結(jié)構(gòu)與大氣均勻溫度之間的映射關(guān)系。通過理論解析方法對(duì)無砟軌道服役環(huán)境氣溫與軌道結(jié)構(gòu)溫度值之間映射關(guān)系的研究已取得較好成果，且基于映射關(guān)系所得到的軌道結(jié)構(gòu)溫度作用取值具有一定的參考價(jià)值。但目前的成果可供鐵道工作人員設(shè)計(jì)使用中考慮無砟軌道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的溫度作用取值參數(shù)還有所欠缺。

2.1.3 數(shù)值仿真

因溫度具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，在無砟軌道內(nèi)部的傳導(dǎo)變化難以捕捉。目前，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測(cè)較為簡單，而對(duì)整體結(jié)構(gòu)的溫度變化情況進(jìn)行觀測(cè)難度較大[36]。針對(duì)上述問題，有限元數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為重要的分析方法，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定復(fù)雜的邊界條件，能夠較為準(zhǔn)確地分析溫度在無砟軌道內(nèi)部的傳遞規(guī)律，該方法已成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)之一。

尤明熙等[36]為系統(tǒng)地研究無砟軌道中溫度傳導(dǎo)變化，根據(jù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用ABAQUS構(gòu)建了三維溫度傳導(dǎo)數(shù)值模型。同時(shí)，劉付山等[37]、李鍵等[38]根據(jù)無砟軌道的結(jié)構(gòu)特征，使用ANSYS數(shù)值仿真軟件建立了無砟軌道溫度場模型，以此探究無砟軌道溫度場的分布規(guī)律以及任意時(shí)刻下太陽輻射對(duì)軌道板溫度場產(chǎn)生的作用，確立軌道結(jié)構(gòu)與環(huán)境溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)溫度所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算提供基礎(chǔ)參數(shù)。閆斌等[12]基于上述軟件，針對(duì)橋上無砟軌道構(gòu)建了熱力學(xué)分析有限元模型，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)垂直方向溫度的分散情況進(jìn)行了研究。為保證仿真模型的真實(shí)性，Wang等[39]和Yang等[40]以逐時(shí)氣候資料為基礎(chǔ)，通過理論推導(dǎo)確定了無砟軌道溫度場的底邊界條件。在此基礎(chǔ)上，建立了考慮軌道結(jié)構(gòu)方向和地理位置的軌道溫度場三維計(jì)算模型，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，并分析了連續(xù)高溫天氣下無砟軌道的溫度特性。

目前，學(xué)者們通過開展試驗(yàn)研究得到了軌道結(jié)構(gòu)溫度預(yù)估模型，利用理論公式建立了環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)溫度的映射關(guān)系，采用數(shù)值仿真得到溫度在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳遞規(guī)律及結(jié)構(gòu)整體溫度分布情況，深化了對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布特性的認(rèn)識(shí)，但尚存在以下不足：1）缺乏通用軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載模型，對(duì)工程的普適性指導(dǎo)有所欠缺；2）目前的成果可供鐵道工作人員設(shè)計(jì)使用中考慮無砟軌道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的溫度作用取值參數(shù)還有待探究；3）針對(duì)太陽輻射的地域性差異對(duì)無砟軌道溫度作用模式和取值的影響鮮有報(bào)道，設(shè)計(jì)規(guī)范亦未有針對(duì)性說明，結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算無砟軌道溫度作用，繪制更為真實(shí)、全面的無砟軌道溫度作用地域差異性取值的等溫線地圖亟待開展。

2.2 無砟軌道溫度效應(yīng)

無砟軌道作為典型的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，各層材料導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，內(nèi)部將存在較大的溫度梯度，進(jìn)而在外界溫度場及約束的作用下，無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生明顯的溫度效應(yīng)（溫度應(yīng)力、變形、彎矩等）。值得注意的是，相較其他軌道結(jié)構(gòu)形式，縱連式無砟軌道產(chǎn)生的軸向溫度應(yīng)力更大[41]，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生較大影響，德國Rheda2000、Zublin及 B?gl無砟軌道系統(tǒng)均高度重視溫度效應(yīng)[42]。

2.2.1 理論分析

采用理論解析方法對(duì)無砟軌道的溫度效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，從機(jī)理上探究溫度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律。為了簡化解析方法的計(jì)算過程，目前研究者大都引入了假定條件，得到更為簡潔明了的計(jì)算公式，以便指導(dǎo)無砟軌道設(shè)計(jì)。

無砟軌道平面尺寸較大且溫度場變化主要集中在厚度方向，水平方向變化較小，因此，在既有研究中針對(duì)無砟軌道溫度應(yīng)力與變形采用Winkler彈性地基梁模型，具體力學(xué)模型公式為[43]

式中：σ為溫度應(yīng)力；E為彈性模量；M為彎矩；α為混凝土線膨脹系數(shù)；T為梁內(nèi)溫度；Tm為平均溫度；Td為等效線性溫差；h為板厚度；N為軸力；μ為水平位移；V為豎向位移。

德國研究者將整體溫度和溫度梯度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力均考慮在軌道板溫度應(yīng)力計(jì)算中，在此基礎(chǔ)上，德國設(shè)計(jì)規(guī)范[44]在結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料后認(rèn)為橫向不產(chǎn)生約束應(yīng)力，以道床板支承不連續(xù)計(jì)算模型計(jì)算自重與溫度荷載作用下的翹曲應(yīng)力。

σ_c=1/（1-μ）×ΔΤ/2×α×E×[（3B-2A）/2.7R] ? ?（4）

式中：ΔT為道床板上下表面溫差；B為道床板寬度；A為道床板伸出鋼軌外的寬度；R為基礎(chǔ)板的彈性長度。

趙磊等[45]針對(duì)無砟軌道的多層結(jié)構(gòu)形式，基于地基梁溫度應(yīng)力計(jì)算模型并考慮內(nèi)部溫度梯度非線性分布引起的層間約束，通過建立力學(xué)計(jì)算模型對(duì)層間約束應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，提出無砟軌道溫度翹曲應(yīng)力計(jì)算新方法，其中混凝土軌道層間約束應(yīng)力σ_s為

σ_s=Ε/（1-μ^2 ） （Ν/F-hΜ/D） ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：D為抗彎剛度系數(shù)；F為抗壓剛度系數(shù)。

針對(duì)層間臨界伸縮溫度，朱永見等[46]考慮溫度荷載下軌道板伸縮的影響，推導(dǎo)了軌道板在砂漿層或砂漿層與縱連張拉鋼筋約束下的解析解，得到層間離縫發(fā)生時(shí)的軌道板臨界伸縮溫度，并指出臨界伸縮溫度主要與砂漿層對(duì)軌道板約束達(dá)到最大時(shí)的臨界位移有關(guān)。Chen等[47]在平衡微分方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度、板和鋼軌重力作用下混凝土結(jié)構(gòu)局部變形的協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出軌道板翹曲的解析表達(dá)式，通過計(jì)算式得到軌道結(jié)構(gòu)變形過程中的位移場分布。針對(duì)縱連式無砟軌道軸向溫度應(yīng)力所造成的上拱失穩(wěn)工況，基于歐拉梁撓曲微分方程求解了高溫環(huán)境下軌道結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性問題，得到上拱矢度與波長的關(guān)系，并通過勢(shì)能駐值原理給出了精確解析解，相較于閆斌等[48]、徐玉坡等[49]的研究方法，求解更為簡單、精確，該團(tuán)隊(duì)將動(dòng)力法與有限元法結(jié)合，研究了縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度壓力與系統(tǒng)振動(dòng)特性的關(guān)系，探討了該結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性問題[43]，得到了垂向失穩(wěn)的初始上拱限值。通過上述研究可大致看出無砟軌道溫度效應(yīng)理論解析的發(fā)展變化，其中假定條件由多到少，結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜理論解析結(jié)果精度由低到高。隨著高速鐵路網(wǎng)的不斷完善、無砟軌道服役環(huán)境的復(fù)雜化，影響因素也隨之增加，如依舊使用現(xiàn)有的溫度效應(yīng)理論解析結(jié)果，準(zhǔn)確性可能下降，因此，復(fù)雜環(huán)境下無砟軌道溫度效應(yīng)理論解析解的建立還有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 試驗(yàn)研究

無砟軌道溫度作用下應(yīng)力、位移變化規(guī)律已開展一系列的試驗(yàn)研究，目前主要采用縮尺模型試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法。

針對(duì)縮尺模型試驗(yàn)，周凌宇等[50]通過建立橋上縱連式無砟軌道1/4縮尺模型，模擬日照溫度荷載，基于實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)分析了軌道結(jié)構(gòu)層間位移分布規(guī)律，隨著溫度的升高，軌道結(jié)構(gòu)整體位移呈非線性增大趨勢(shì)，各層的豎向相對(duì)位移也逐漸增大，梁體沿縱向出現(xiàn)上拱。除此之外，Zhou等[51]還對(duì)循環(huán)溫度荷載下無砟軌道結(jié)構(gòu)層間離縫的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了探究，見圖4（a）。對(duì)損傷過后的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步開展靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層間損傷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大，剛度下降幅度與離縫的延伸長度同步。此外，劉偉斌等[52]基于現(xiàn)場試驗(yàn)開展了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的復(fù)合軌道板溫度翹曲應(yīng)力研究，見圖4（b）。對(duì)復(fù)合軌道板溫度翹曲應(yīng)力、溫度梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，獲得了正溫度梯度作用下板底溫度翹曲應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算式，可對(duì)不同溫度梯度作用下的翹曲應(yīng)力進(jìn)行推算。學(xué)者們針對(duì)溫度變化對(duì)連續(xù)鋼筋混凝土軌道段裂縫寬度的影響，基于裂紋寬度綜合試驗(yàn)研究的結(jié)果，提出了改善CRCT性能的多種方法，為將溫度裂縫控制在容許范圍內(nèi)，板中配筋率需達(dá)到0.8%～0.9%[53-54]，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值分析得到了裂縫寬度隨溫度變化的擴(kuò)展規(guī)律[55]。此外，因單元結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)受溫度變化影響較小，日本設(shè)計(jì)規(guī)范中未考慮溫度效應(yīng)，然而軌道板在試驗(yàn)中仍存在翹曲位移，為此，日本學(xué)者針對(duì)軌道板受溫度影響的性能變化問題開展了一系列試驗(yàn)研究[56]，韓國學(xué)者同樣通過現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)單元結(jié)構(gòu)軌道板溫度變形規(guī)律進(jìn)行了探索，指出軌道板設(shè)計(jì)中有必要考慮外部溫度變化引起的溫度變形[57]。

從上述研究可看出，部分研究者開展的無砟軌道室內(nèi)、室外溫度效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)橋上、路基上無砟軌道應(yīng)力及變形有借鑒意義。目前開展的模型試驗(yàn)主要針對(duì)部分板式無砟軌道，并未對(duì)其他結(jié)構(gòu)形式的無砟軌道開展類似試驗(yàn)，是否具有普適性還需要進(jìn)一步探明；其次，縮尺模型及現(xiàn)場試驗(yàn)中接縫處溫度的效應(yīng)還有待明確?；诖耍_展多結(jié)構(gòu)形式、多工況下的無砟軌道溫度效應(yīng)模型試驗(yàn)，明確細(xì)部結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)尤其重要。

2.2.3 數(shù)值仿真

目前，研究者主要通過現(xiàn)場溫度實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合，以實(shí)際測(cè)量最不利溫度工況作為有限元軟件溫度荷載進(jìn)行加載或直接對(duì)其施加極端溫度荷載，以探究溫度荷載作用下無砟軌道溫度應(yīng)力及變形。

楊靜靜等[58]、劉鈺等[59]、王森榮等[60]均通過建立有限元模型對(duì)實(shí)測(cè)溫度梯度的翹曲變形進(jìn)行了計(jì)算，得到不同時(shí)間下溫度梯度所引起的軌道板翹曲應(yīng)力或位移，并指出氣溫與輻射是影響溫度梯度的主要因素，板面溫度對(duì)溫度梯度起控制作用；溫度梯度值大小及軌道板面溫度與初溫對(duì)翹曲變形影響較大。胡松林等[61]通過模型計(jì)算得到了全年溫度梯度時(shí)程曲線，并探究了服役期溫度梯度及極端循環(huán)溫度梯度對(duì)層間損傷的影響，結(jié)果表明，板角、板端為最不利位置，在該位置處易發(fā)生損傷且逐漸向界面內(nèi)部延伸。趙春發(fā)等[62]采用內(nèi)聚力模型對(duì)界面損傷行為進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：極端溫度梯度荷載作用下界面損傷將出現(xiàn)在軌道板邊緣并形成應(yīng)力集中帶；循環(huán)溫度梯度下的界面損傷與界面黏結(jié)性能有關(guān)；黏結(jié)性能較差的情形下，損傷區(qū)域及離縫面積隨溫度作用次數(shù)增加而加速發(fā)展。陳龍等[63]指出，界面黏結(jié)強(qiáng)度小于0.025 MPa時(shí)，正溫度梯度荷載下軌道板易上拱。Kim等[64]、Bae等[65]為研究溫度變化下連續(xù)無砟軌道結(jié)構(gòu)的行為特性，建立了CRCT三維數(shù)值仿真模型，敏感性分析表明，結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)影響程度較為顯著，并預(yù)測(cè)了溫度梯度作用下軌道結(jié)構(gòu)的裂縫形態(tài)。Yusupov等[66]基于耦合動(dòng)力學(xué)理論建立了三維有限元耦合模型，指出隨著溫度的升高，結(jié)構(gòu)加速度逐漸增大，初步探明了溫度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，為完善軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)提供了參考。

針對(duì)橋上無砟軌道，周敏等[67]指出整體升溫對(duì)CA砂漿層及軌道板界面縱向剪應(yīng)力較大，溫度梯度引起界面豎向拉裂破壞；張志超等[68]、DAI等[69]指出，滑動(dòng)層摩擦因數(shù)越大引起軌道—橋梁結(jié)構(gòu)體系受力增加，軌道板寬接縫開裂將導(dǎo)致部件縱向受力及與軌道板位移增加。張鵬飛等[70-71]指出梁體溫差和溫度跨度與橋梁-軌道結(jié)構(gòu)的伸縮力、位移呈正相關(guān)關(guān)系；雙向溫度梯度與豎向溫度梯度荷載作用下導(dǎo)致軌道板出現(xiàn)翹曲應(yīng)力，陰陽兩側(cè)縱向位移差、相對(duì)位移差和應(yīng)力差隨橫向溫度梯度荷載的增加而逐漸增大。

相關(guān)學(xué)者采用數(shù)值仿真開展了無砟軌道溫度效應(yīng)研究，主要的溫度荷載類型及研究內(nèi)容列于表2。結(jié)合表2和前述內(nèi)容可知，對(duì)實(shí)際溫度荷載或極端溫度荷載模式下無砟軌道結(jié)構(gòu)界面損傷、結(jié)構(gòu)受力與變形進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果對(duì)實(shí)際無砟軌道性能演化規(guī)律具有一定的參考價(jià)值。相比于路基上無砟軌道，橋上無砟軌道溫度效應(yīng)研究偏少，主要集中于簡支梁橋上無砟軌道應(yīng)力、變形及影響因素的研究。路基上無砟軌道溫度效應(yīng)研究主要依靠現(xiàn)場實(shí)測(cè)溫度為基礎(chǔ)，建立有限元模型進(jìn)行仿真分析，橋上無砟軌道雖有共性問題存在，但其受力與路基上無砟軌道差異較大，影響因素、受力變形更為復(fù)雜；除此之外，研究者采用多種有限元軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)置參數(shù)復(fù)雜，普適性還有待提高。

上述研究主要是將軌道板看作整體，通過有限元軟件探究其在溫度荷載下的變形和動(dòng)力性能，忽略界面等薄弱區(qū)的影響。Li等[72]、Liu等[73]基于混凝土損傷塑性模型（CDP）和粘聚區(qū)模型（CZM）探究了環(huán)境溫度升高對(duì)寬窄接縫力學(xué)性能變化的影響規(guī)律，研究了寬窄接縫處混凝土強(qiáng)度、寬度、界面強(qiáng)度和溫度梯度4個(gè)因素對(duì)接縫損傷的影響以及接縫缺陷與界面損傷的變化規(guī)律，闡明了寬窄接縫損傷機(jī)理和發(fā)展過程。窄縫和寬縫中部出現(xiàn)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致軌道板偏心受壓，軌道板出現(xiàn)上拱加劇，理論研究雖對(duì)垂向穩(wěn)定性有深入研究，但簡化的因素較多，與實(shí)際受力存在差異。針對(duì)此問題，Cai等[74]結(jié)合現(xiàn)場軌道結(jié)構(gòu)施工，采用有限元方法建立了CRTS Ⅱ板式軌道三維精細(xì)化數(shù)值分析模型，考慮縱向連續(xù)板軌道的屈曲準(zhǔn)則，探明了不同損傷情況的寬窄接縫上拱失穩(wěn)規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果深入分析了起拱機(jī)理。因此，應(yīng)對(duì)標(biāo)無砟軌道工程實(shí)際，考慮多參數(shù)耦合作用，建立精細(xì)化有限元模型，并進(jìn)一步研究軌道結(jié)構(gòu)溫度作用下軌道不平順對(duì)車線系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響。

3 列車荷載作用下無砟軌道的力學(xué)性能

近年來，針對(duì)高速鐵路無砟軌道服役過程中受力性能已開展較多的試驗(yàn)研究，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的無砟軌道施加靜載、疲勞荷載或移動(dòng)列車荷載，探究了荷載作用下路基與橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力特性、剛度變化及疲勞損傷等性能演化規(guī)律。

3.1 無砟軌道靜力性能

在荷載作用下，無砟軌道易發(fā)生破壞，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全性造成影響，因此，開展無砟軌道靜力性能研究至關(guān)重要。程前[75]通過對(duì)CRTS Ⅱ型軌道板單元開展靜載試驗(yàn)，對(duì)軌道板單元的靜態(tài)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，揭示了靜載破壞機(jī)理、裂縫形態(tài)和撓度發(fā)展規(guī)律。此外，為探究軌道板及砂漿層的界面粘結(jié)-滑移能力及抗剪性能，Dai等[76]對(duì)現(xiàn)場CRTS Ⅱ型全尺寸試件開展了現(xiàn)場橫、縱向剪切荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明，軌道板與CA砂漿層界面的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于CA砂漿層與底板界面的粘結(jié)強(qiáng)度，其斷裂破壞模式均為延性斷裂，并以此提出了界面粘結(jié)-滑移定律，所得試驗(yàn)研究成果亦可為后續(xù)數(shù)值仿真的模型驗(yàn)證提供參考。與此同時(shí)，劉曉春等[77]以CRTS Ⅲ板式無砟軌道為研究對(duì)象，對(duì)其界面粘結(jié)性能開展了進(jìn)一步研究，對(duì)疲勞后的復(fù)合板開展了橫向三點(diǎn)彎曲靜載試驗(yàn)，主要探明界面滑移前后受力破壞特征（整體協(xié)同受力、疊合受力），且所提出的層間界面粘結(jié)性能提升方法在改善軌道結(jié)構(gòu)工作性能方面有較為顯著的效果。由此可見，軌道結(jié)構(gòu)作為多維結(jié)構(gòu)形式，上述研究雖對(duì)軌道結(jié)構(gòu)部分的靜力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但未能完全滿足實(shí)際服役狀態(tài)?；诖?，吳斌等[78]以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了CRTS Ⅱ板式無砟軌道足尺模型，輔以梁板理論所構(gòu)建的有限元模型了對(duì)各結(jié)構(gòu)層在豎向靜荷載作用下的變形狀態(tài)能較好模擬，對(duì)探究無砟軌道整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力及變形提供了新的建模思路。值得注意的是，張魯順等[79]在無砟軌道設(shè)計(jì)中將列車荷載傳遞規(guī)律作為取值基準(zhǔn)，建立了列車荷載分析模型，并與室內(nèi)實(shí)尺模型進(jìn)行了模型驗(yàn)證（圖5），提出了無砟軌道荷載傳遞范圍和量值與動(dòng)力系數(shù)的關(guān)系。此外，為保障軌道運(yùn)行安全，Vu等[80]對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的荷載傳遞效率同樣進(jìn)行了評(píng)估[80]。針對(duì)荷載由鋼軌向軌道板的傳遞規(guī)律及其荷載分布，Sadeghi等[81]開展了大量室內(nèi)與現(xiàn)場測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析計(jì)算，最終得出了軌枕荷載的數(shù)學(xué)表達(dá)式和軌道板的加載模式，由于現(xiàn)有方法的局限性，所提出的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)于無砟軌道的鋼軌和軌道板設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值，可較好地改善目前高速鐵路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及合理性。

另外，針對(duì)橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)體系的變形特性以及軌道結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)體系剛度的影響規(guī)律，張廣潮等[82]采用縮尺模型開展了單梁和梁軌協(xié)同作用下的靜載試驗(yàn)，推導(dǎo)出適用于彈性狀態(tài)的無砟軌道-簡支梁橋結(jié)構(gòu)體系在豎向靜力荷載作用下的撓度與滑移理論解。為進(jìn)一步探究列車荷載作用下多跨簡支梁橋和大跨連續(xù)梁橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道穩(wěn)定性問題，基于現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，張鵬飛等[83]建立了精細(xì)化空間耦合模型進(jìn)行計(jì)算，分析了不同參數(shù)下縱向力與位移影響規(guī)律，指出相比于多跨簡支梁橋上軌道，大跨連續(xù)梁橋上軌道縱向力與位移更為明顯。

3.2 無砟軌道疲勞、經(jīng)時(shí)力學(xué)性能

為保障無砟軌道結(jié)構(gòu)在高頻列車荷載下的受力及運(yùn)營安全，現(xiàn)有研究對(duì)其疲勞、經(jīng)時(shí)力學(xué)性能及壽命預(yù)測(cè)開展了一系列研究并取得豐富成果。楊靜靜等[58]探究了等幅疲勞荷載作用下軌道板裂縫的擴(kuò)展形態(tài)及規(guī)律，并基于黏結(jié)滑移理論建立了裂縫寬度擴(kuò)展規(guī)律的計(jì)算公式，以期為疲勞荷載作用下軌道板裂縫寬度的計(jì)算提供理論參考。劉曉春等[84]采用足尺模型試驗(yàn)?zāi)M了路基上CRTS Ⅲ板式無砟軌道橫向彎曲疲勞試驗(yàn)，疲勞荷載500萬次后層間不協(xié)調(diào)變形較為顯著，可通過改變軌道板底部粗糙度、門形筋數(shù)量改善界面黏結(jié)性能。Feng等[85]開展了高速鐵路CRTS Ⅱ板式無砟軌道剪力鋼筋低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，得到其破壞形式為“斷裂”，并提出增加受剪鋼筋的數(shù)量和直徑可有效改善試件的延性、減緩剛度退化速度、增強(qiáng)耗能能力，顯著提高無砟軌道抗震性能。此外，學(xué)者們[86-87]采用循環(huán)荷載和移動(dòng)列車荷載對(duì)室內(nèi)足尺模型進(jìn)行加載，證明了軌道動(dòng)力響應(yīng)具有時(shí)程效應(yīng)，提出了一種經(jīng)濟(jì)且適用于無砟軌道實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，即足尺預(yù)制軌道板三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，通過分析破壞臨界位移和位移率與疲勞壽命之間的關(guān)系，可預(yù)測(cè)軌道板疲勞壽命。?eba?ek等[88]開展了室內(nèi)全尺寸模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了無砟軌道與有砟軌道在循環(huán)荷載作用下的累計(jì)沉降與峰值位移，發(fā)現(xiàn)無砟軌道更優(yōu)。Chapeleau等[89]基于光纖應(yīng)變傳感技術(shù)探究了疲勞荷載作用下無砟軌道早期裂紋發(fā)展規(guī)律。Sung等[90]、Xavier 等[91]針對(duì)無砟軌道無縫鋼軌疲勞壽命以及不同軌型對(duì)軌道板疲勞性能的影響進(jìn)行了初步探究，得到最優(yōu)軌型與鋼軌疲勞壽命的影響因素。上述研究雖對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)開展了部分疲勞試驗(yàn)，但對(duì)于1 000萬次及以上長期疲勞荷載鮮有研究?；诖?，Zeng等[92]采用軌道-路基動(dòng)力加載系統(tǒng)并建立足尺模型，將王啟云等[93]得出的加載時(shí)程曲線作為荷載譜，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3 000萬次循環(huán)疲勞加載，揭示了軌道系統(tǒng)扣件剛度、隔震層剛度和加速度的演化規(guī)律，指出隔震層剛度增大時(shí)，軌道板與支撐層的耦合程度增大，軌道板的振動(dòng)受到抑制，而支撐層的振動(dòng)增大。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，數(shù)值仿真方法的應(yīng)用為疲勞壽命分析提供了新的思路。楊俊斌等[94]建立了CRTS I型板式無砟軌道彈性地基梁-體有限元模型，計(jì)算了列車疲勞荷載作用下軌道板及CA砂漿應(yīng)力值，并以此為基礎(chǔ)對(duì)CRTS I型板式無砟軌道進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算，結(jié)果表明，在列車疲勞荷載作用下在服役期內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)未發(fā)生疲勞損傷。Feng等[95]在Forman模型的基礎(chǔ)上提出了長期列車動(dòng)荷載作用下混凝土疲勞裂紋擴(kuò)展的迭代估計(jì)方法，討論了支撐層不同初始裂紋深度下的疲勞裂紋擴(kuò)展過程和剩余壽命。任娟娟等[96]基于現(xiàn)場測(cè)試及理論計(jì)算建立了有限元模型，探究了客、貨車的運(yùn)營對(duì)CRTS I型軌道板疲勞壽命的影響規(guī)律，指出在貨車作用時(shí)軌道結(jié)構(gòu)疲勞壽命縮短。Yu等[97]通過全尺寸CRTS Ⅲ板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的全尺寸疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。此外，通過CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下的有限元分析，探索并總結(jié)出CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在高速列車荷載作用下的損傷演化規(guī)律。Poveda等[98]建立了數(shù)值仿真模型，該模型能夠提取軌道系統(tǒng)的主要振動(dòng)模式，并通過板上的全尺度試驗(yàn)驗(yàn)證了時(shí)間相關(guān)載荷下的瞬態(tài)分析，應(yīng)用應(yīng)力幅疲勞準(zhǔn)則對(duì)軌道結(jié)構(gòu)疲損傷進(jìn)行了評(píng)估。此外，Zhu等[99]考慮了路基沉降及列車隨機(jī)荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，建立了車輛-軌道-路基耦合模型，采用S-N經(jīng)驗(yàn)曲線預(yù)測(cè)了軌道板的疲勞壽命。Th?lken等[100]開展了全尺寸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)并進(jìn)行了參數(shù)分析，開發(fā)了高可靠性計(jì)算模型，評(píng)估了列車的動(dòng)態(tài)行為，并對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的長期性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

以橋代路作為中國高速鐵路建設(shè)常用形式[101]，其中簡支梁橋作為主要支承結(jié)構(gòu)，橋上無砟軌道已服役多年，探究列車動(dòng)荷載作用下橋-軌力學(xué)性能對(duì)高速鐵路橋-軌結(jié)構(gòu)體系維護(hù)養(yǎng)護(hù)具有重要意義。周凌宇等[102]采用材料的損傷本構(gòu)模型及界面內(nèi)聚力模型建立了橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道精細(xì)化空間有限元模型，得到雙線列車荷載作用下結(jié)構(gòu)體系各層材料的共同疲勞損傷，相較于各層單獨(dú)劣化對(duì)整體剛度的影響更為顯著。除此之外，Zhao等[103-104]通過制作1：4的軌道-橋梁結(jié)構(gòu)縮尺模型展開了多級(jí)變幅長期列車荷載試驗(yàn)，列車荷載循環(huán)次數(shù)與荷載幅值對(duì)結(jié)構(gòu)變形與剛度退化影響較為顯著，并指出在長期列車荷載作用下，軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系在服役年限內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞損傷破壞，與文獻(xiàn)[85]的結(jié)論一致。然而，Sheng等[105]針對(duì)大跨度斜拉橋上無砟軌道開展了足尺模型疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，在疲勞載荷作用下，無砟軌道的剛度退化不明顯。徐慶元等[106]開展了靜載試驗(yàn)，并分析了各力學(xué)參數(shù)，結(jié)合規(guī)范對(duì)宋玉普與Tepfers的混凝土S-N曲線進(jìn)行了修正，得到適用于服役期間組合荷載下橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道混凝土疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。

可見，研究者從試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值仿真的角度針對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)形式并圍繞其疲勞特性進(jìn)行了深入探究，提出了相應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。由于無砟軌道所處服役環(huán)境復(fù)雜且結(jié)構(gòu)形式較多，當(dāng)前所得預(yù)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)壽命離散型較大，普適性較弱；考慮環(huán)境因素并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析，建立可行的數(shù)學(xué)模型以預(yù)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究還鮮有報(bào)道，亟待學(xué)者針對(duì)這一領(lǐng)域開展進(jìn)一步研究。

為保障無砟軌道服役運(yùn)營安全，近年來，關(guān)于無砟軌道靜力性能及疲勞、經(jīng)時(shí)力學(xué)性能研究成為相關(guān)學(xué)者的研究焦點(diǎn)，特別是中國學(xué)者對(duì)此開展了系統(tǒng)的研究。相關(guān)試驗(yàn)及研究內(nèi)容列于表3，結(jié)合表3和前述相應(yīng)的研究總結(jié)可得：

1）研究學(xué)者針對(duì)多工況、多結(jié)構(gòu)形式、多加載方式、多角度開展了室內(nèi)、現(xiàn)場與數(shù)值仿真試驗(yàn)，探究了無砟軌道靜、動(dòng)力性能，但對(duì)荷載和環(huán)境耦合作用下無砟軌道靜動(dòng)力性能的深入探討稍顯不足，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

2）相較于橋上無砟軌道，針對(duì)路基無砟軌道的研究內(nèi)容更為寬泛，近年來研究重點(diǎn)主要集中于CRTS Ⅱ、CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，少有涉及其他軌道結(jié)構(gòu)形式性能的研究。

3）隨著研究的逐漸深入，無砟軌道的縮尺模型、有限元模擬也愈發(fā)與實(shí)際工程相符，為研究無砟軌道部分、整體結(jié)構(gòu)性能提供了強(qiáng)有力的支撐。但目前研究中建立的仿真模型對(duì)部分位置進(jìn)行了簡化，模擬還缺乏準(zhǔn)確性，后續(xù)還需從多尺度精細(xì)化無砟軌道建模方面開展研究。

4 溫度-列車荷載耦合作用下無砟軌道的力學(xué)性能

目前，經(jīng)過不斷優(yōu)化改進(jìn)，無砟軌道結(jié)構(gòu)性能方面雖得到明顯提升，但在服役過程中，因受到多種外界因素的影響，導(dǎo)致過早的結(jié)構(gòu)損傷，如溫度變化引起的溫度荷載及列車動(dòng)荷載。在實(shí)際服役中，無砟軌道通常處于列車荷載與溫度變化共同作用下，考慮單一荷載難以真實(shí)反映無砟軌道的力學(xué)響應(yīng)及界面損傷演化，溫度-列車荷載耦合作用下無砟軌道力學(xué)性能研究更加符合實(shí)際情況。因溫度-荷載與列車荷載作用的時(shí)間尺度不同，按照實(shí)際作用情況將二者精確耦合的難度較大。基于上述問題，中國高校及其他科研院所開展了相關(guān)研究，主要采用數(shù)值仿真對(duì)溫度-荷載耦合作用下無砟軌道力學(xué)性能進(jìn)行探究，得到了較為豐富的研究成果。

相關(guān)學(xué)者通過建立變溫作用分析模型得到無砟軌道界面最大損傷狀態(tài)，并基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論[107]，引入整車多剛體模型和彈簧阻尼振動(dòng)模型，建立了車輛-無砟軌道耦合振動(dòng)模型（如圖6所示）。

采用Hertz非線性彈性接觸理論[108]、kalker線性蠕滑理論對(duì)輪軌垂向力和蠕滑力進(jìn)行計(jì)算[109]，計(jì)算模型為

p（t）=[1/G ΔZ（t） ]^1.5 ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：p（t）為輪軌垂向力；G為輪軌接觸常數(shù)；ΔZ（t）為輪軌相對(duì)壓縮量；t為時(shí)刻。

式中：Fx、Fy為縱、橫向蠕滑力；Mz為旋轉(zhuǎn)蠕滑力矩；f11、f22、f33分別為縱向、橫向、旋轉(zhuǎn)蠕滑系數(shù)；f23為旋轉(zhuǎn)-橫向蠕滑系數(shù)；ξ_X、ξ_Y、ξ_SP分別為縱向、橫向、旋轉(zhuǎn)蠕滑率。

朱勝陽等[110-111]采用上述計(jì)算模型建立了車輛-CRTS雙塊式/板式無砟軌道耦合振動(dòng)模型，探究了變溫和列車動(dòng)荷載共同作用下無砟軌道界面損傷規(guī)律及其對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響，指出界面損傷對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響較大；相較于單一溫度荷載，耦合作用下道床板位移、加速度及表面動(dòng)應(yīng)力幅值均有明顯增加。李全鵬[112]、李巖等[113]以CRTS Ⅲ型板式無砟軌道為研究對(duì)象，將扣件支點(diǎn)反力作為變溫作用下軌道板處于最大損傷狀態(tài)時(shí)的輸入荷載，并根據(jù)車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論得出的車輛動(dòng)荷載，模擬分析了該類型軌道結(jié)構(gòu)同時(shí)承受變溫作用和車輛動(dòng)荷載作用時(shí)的損傷力學(xué)行為，指出變溫作用是產(chǎn)生損傷的主要根源，其損傷顯著增大了軌道板的振動(dòng)效應(yīng)且抗變形能力有所減弱。李培剛[114]基于輪軌系統(tǒng)垂向耦合振動(dòng)模型，建立了橋上車輛與含損傷無砟軌道垂向動(dòng)力相互作用模型，探究了溫度-荷載耦合作用下層間損傷的擴(kuò)展演化，指出僅考慮列車荷載，層間不易產(chǎn)生損傷及擴(kuò)展；在溫度作用下，層間拉應(yīng)力數(shù)值較大，加之列車荷載作用，層間損傷將進(jìn)一步演化為完全脫黏。另外，李龍祥等[115]建立橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)空間有限元模型，探究了整體降溫-列車荷載耦合作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，通過對(duì)比分析得到單線列車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的貢獻(xiàn)程度較低。張廣義等[116]以分離、未分離模型為基礎(chǔ)，建立了三維有限元模型，探究了溫度-列車移動(dòng)荷載耦合作用下砂漿層的力學(xué)性能，研究表明，列車荷載作用下砂漿充填層的最大動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)小于耦合作用的計(jì)算結(jié)果，并指出負(fù)溫度梯度下的列車速度將對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置處軌道板的加速度產(chǎn)生較為顯著的影響。曲村[117]通過建立空間耦合精細(xì)化靜力分析模型，對(duì)不同荷載組合展開了研究，指出相對(duì)于單獨(dú)考慮溫度變化，同時(shí)考慮溫度變化及列車荷載的鋼軌力和鋼軌位移的最大值變化較小，在此基礎(chǔ)上加上列車制動(dòng)作用，位移最大值有較明顯的增加，因此，后續(xù)進(jìn)行鋼軌強(qiáng)度驗(yàn)算需同時(shí)考慮上述3個(gè)因素。另外，文獻(xiàn)[118]同樣考慮了列車制動(dòng)作用，將拉力和壓力荷載分別模擬為軌道板溫度降低和溫度升高時(shí)的剪切荷載，得到溫度效應(yīng)和列車制動(dòng)共同作用下界面應(yīng)力變化規(guī)律，指出板端的界面剪應(yīng)力首先達(dá)到界面粘結(jié)力，層間裂縫開始萌生并向內(nèi)擴(kuò)展，其剪切破壞過程如圖7所示。

Zeng等[119]基于現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及室內(nèi)落軸沖擊試驗(yàn)建立了溫度-落軸三維有限元模型（圖8）。在落輪沖擊激勵(lì)下，針對(duì)不同工況的振動(dòng)響應(yīng)開展了研究，結(jié)果表明，溫度對(duì)落軸的影響不容忽視，為大溫差下CRTS I型雙塊無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)提供了參考。同時(shí)，學(xué)者們通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值仿真，探究了溫差和列車荷載共同作用下無砟軌道的變形及應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)了軌道結(jié)構(gòu)薄弱損傷位置及破壞模式，并指出路基與橋上無砟軌道因剛度不同，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀態(tài)有所差異，橋上軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小[120]。

上述對(duì)溫度和列車荷載共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的層間界面損傷、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等研究指出，溫度與列車耦合作用下軌道結(jié)構(gòu)層間易產(chǎn)生損傷，且變溫作用是軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的根源。然而，針對(duì)無砟軌道的疲勞問題未做進(jìn)一步探討。基于此，為更準(zhǔn)確地判斷服役環(huán)境下無砟軌道的疲勞特性，采用組合荷載下無砟軌道疲勞應(yīng)力譜的計(jì)算理論，并根據(jù)多種工況下的計(jì)算結(jié)果和無砟軌道的實(shí)際溫度荷載，采用內(nèi)插運(yùn)算方式得到列車經(jīng)過時(shí)無砟軌道在溫度荷載與其他縱向荷載共同作用下的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型[121]。此外，王青等[122]采用等效靜力法對(duì)軌道結(jié)構(gòu)疲勞力學(xué)性能及損傷發(fā)展進(jìn)行了三維仿真分析，結(jié)果表明，在恒載、溫度和列車往復(fù)荷載作用下，路基上CRTS Ⅱ型無砟軌道結(jié)構(gòu)體系各層材料豎向位移、最大應(yīng)力分別與時(shí)間呈正、負(fù)相關(guān)的關(guān)系，探明了軌道結(jié)構(gòu)服役過程中的長期性能演變規(guī)律。為應(yīng)對(duì)未來無砟軌道發(fā)展新極限并適應(yīng)極端天氣情況，Matias等[123]設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新的列車-軌道-土壤系統(tǒng)模型（HI-Track），能夠準(zhǔn)確地模擬列車和大氣作用下軌道的短期和長期響應(yīng)，以預(yù)測(cè)混凝土板損傷的演變。

針對(duì)無砟軌道的細(xì)部結(jié)構(gòu)，李威等[124]研究了溫升與列車荷載耦合作用下列車荷載作用位置、軸重大小及制動(dòng)力對(duì)寬、窄接縫損傷發(fā)展趨勢(shì)的影響規(guī)律，指出在耦合作用下接縫連結(jié)處極易產(chǎn)生壓縮損傷，對(duì)轉(zhuǎn)角位置破損應(yīng)著重關(guān)注。阮慶伍[125]、蔡小培等[126]、Li等[127]基于混凝土塑性損傷本構(gòu)理論和CA砂漿劈裂抗拉試驗(yàn)研究了溫度與列車荷載作用下無砟軌道的損傷特性，對(duì)比分析了塑性損傷模型與線彈性模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，指出在耦合作用下軌道結(jié)構(gòu)寬窄接縫及砂漿層出現(xiàn)劣化，探明溫度荷載是導(dǎo)致劣化的主要因素；結(jié)構(gòu)受力在線彈性階段，材料非線性特征未有明顯體現(xiàn)；考慮配筋情況下的塑形損傷模型更符合實(shí)際情況。溫度-列車荷載耦合作用下無砟軌道相關(guān)研究列于表4。

綜上所述，目前國外學(xué)者針對(duì)無砟軌道溫度-列車荷載耦合鮮有研究，中國學(xué)者則側(cè)重于將現(xiàn)場監(jiān)測(cè)溫度變化、整體升降溫及溫度梯度與列車荷載進(jìn)行耦合，采用數(shù)值仿真對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)性能開展研究，并取得了有益成效，但尚存在以下不足：

1）無砟軌道作為多層異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，在環(huán)境和列車荷載的共同作用下，其結(jié)構(gòu)材料具有不同的性能退化規(guī)律，構(gòu)件的損傷將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐久性，缺少系統(tǒng)的方法對(duì)無砟軌道耐久性進(jìn)行研究。

2）受環(huán)境與荷載耦合加載試驗(yàn)裝備的限制，目前鮮有環(huán)境與荷載耦合加載試驗(yàn)研究，僅從理論分析和數(shù)值仿真角度開展溫度-荷載耦合作用效應(yīng)方面的研究，相關(guān)數(shù)值模型難以真實(shí)反映軌道結(jié)構(gòu)在耦合作用下的長期力學(xué)性能，數(shù)值結(jié)果缺少模型試驗(yàn)的有效驗(yàn)證。

3）針對(duì)持續(xù)高低溫、極端高低溫和循環(huán)溫度等復(fù)雜溫度場與列車荷載耦合效應(yīng)的研究較少，對(duì)于不同溫度場和列車荷載的耦合作用機(jī)制尚不清楚。

在接下來的工作研究中應(yīng)針對(duì)性、系統(tǒng)地開展無砟軌道溫度荷載與列車荷載的耦合作用機(jī)制研究，搭建溫度-列車荷載耦合室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，打破現(xiàn)有溫度荷載及力學(xué)試驗(yàn)分段進(jìn)行的研究現(xiàn)狀；并以此為基礎(chǔ)，將無砟軌道結(jié)構(gòu)累積損傷演化過程及其破壞形式作為重點(diǎn)研究內(nèi)容，開展耦合作用下的試驗(yàn)與理論研究，確定軌道結(jié)構(gòu)開裂損傷、疲勞裂紋擴(kuò)展等結(jié)構(gòu)安全服役限值；完善高速鐵路無砟軌道技術(shù)指標(biāo)體系及結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)方法，指導(dǎo)無砟軌道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營與維護(hù)。

5 總結(jié)與展望

目前，高速鐵路無砟軌道建設(shè)得到快速發(fā)展，為保障無砟軌道在復(fù)雜的服役環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)營，溫度、列車荷載單獨(dú)或耦合作用下無砟軌道結(jié)構(gòu)失效及性能演變已逐步成為研究焦點(diǎn)，并積累了較為豐碩的研究成果。首先，介紹了無砟軌道結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)缺點(diǎn)，并系統(tǒng)地從試驗(yàn)分析、理論計(jì)算及數(shù)值模擬梳理了無砟軌道溫度場與溫度效應(yīng)的研究現(xiàn)狀；其次，概述了靜載及疲勞荷載作用下無砟軌道力學(xué)響應(yīng)研究；進(jìn)一步分析了溫度-荷載耦合作用下無砟軌道損傷行為及其演化特征，指出現(xiàn)有研究的不足。基于調(diào)研與分析，對(duì)當(dāng)前高速鐵路無砟軌道力學(xué)性能研究現(xiàn)狀，尤其是針對(duì)目前的局限及未來研究發(fā)展趨勢(shì)作以下探討：

1）無砟軌道溫度作用與效應(yīng)研究。目前研究者針對(duì)太陽輻射的地域差異對(duì)無砟軌道溫度作用模式和取值的影響鮮有研究，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范亦未對(duì)不同地域溫度梯度的取值有具體和針對(duì)性的說明。后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同地域軌道結(jié)構(gòu)溫度的長期測(cè)試，并結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)對(duì)無砟軌道溫度作用取值開展研究，準(zhǔn)確計(jì)算無砟軌道溫度作用，得到不同地域中無砟軌道溫度作用取值的等溫線地圖，提高結(jié)構(gòu)溫度作用取值和溫度計(jì)算理論的精確度，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的不足。此外，因無砟軌道溫度場影響因素較為繁雜且影響因素的時(shí)空變異性、關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，后期應(yīng)深入探究隨機(jī)過程模擬方法，開展無砟軌道溫度場的預(yù)測(cè)研究，為鐵道工作者對(duì)無砟軌道安全運(yùn)營的評(píng)估提供有效參考。

2）單一荷載（溫度、列車動(dòng)荷載）力學(xué)性能深入分析研究。為了更好地探究溫度-荷載耦合作用下無砟軌道的力學(xué)響應(yīng)，需繼續(xù)針對(duì)單一因素下軌道結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理開展更深層次的研究，基于軌道材料、構(gòu)件的基本力學(xué)性能的充分研究，拓展研究無砟軌道整體結(jié)構(gòu)在單一荷載下的力學(xué)響應(yīng)，掌握其破壞形式、內(nèi)力分布及損傷演化規(guī)律；通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值分析與試驗(yàn)研究的對(duì)比研究，重點(diǎn)探討無砟軌道各參數(shù)影響規(guī)律，揭示單一荷載下軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化行為及損傷機(jī)理。

3）無砟軌道溫度-荷載耦合作用效應(yīng)研究。受限于試驗(yàn)條件，現(xiàn)有研究僅從數(shù)值模擬方面對(duì)無砟軌道開展了溫度-荷載耦合作用下相關(guān)性能分析，數(shù)值結(jié)果缺少模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。后續(xù)應(yīng)在單一因素研究背景下搭建溫度-列車荷載耦合室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，改進(jìn)數(shù)值仿真手段，突破溫度-列車荷載耦合作用下材料-構(gòu)件-結(jié)構(gòu)多尺度模型試驗(yàn)方法、多場耦合精細(xì)化數(shù)值分析方法，揭示溫度-列車荷載耦合動(dòng)力學(xué)行為及軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理；此外，應(yīng)進(jìn)一步探究持續(xù)高低溫、極端高低溫和循環(huán)溫度等復(fù)雜溫度場和列車移動(dòng)荷載耦合效應(yīng)，闡明極端溫度-荷載耦合作用下軌道板上拱變形規(guī)律和力學(xué)特性，優(yōu)化無砟軌道體系設(shè)計(jì)，完善多場耦合作用下軌道結(jié)構(gòu)性能的服役評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

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（編輯 ?胡玲）