高鐵橋梁CAM層劣化機(jī)理的試驗研究和多尺度模擬

我國高速鐵路目前多采用板式無砟軌道，水泥瀝青砂漿（CAM）層是板式軌道結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵，其服役時的力學(xué)性能對高速鐵路的安全運營至關(guān)重要。本研究開展了CAM在不同加載速率、溫度下的單軸壓縮試驗，以及不同圍壓下的靜三軸試驗，對破壞模式、抗壓強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，系統(tǒng)地總結(jié)了CAM的力學(xué)性能和加載速率、溫度以及圍壓的關(guān)系，并采用修正的德馬舒克（Domaschuk）模型合理地描述了CAM的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。本研究為CAM在復(fù)雜條件下服役期間的性能提供了參考依據(jù)，并為無砟軌道的受力過程分析和有限元計算建立了理論基礎(chǔ)。 對于包含CAM墊層的高速鐵路無砟軌道系統(tǒng)，各結(jié)構(gòu)組成之間以變形不連續(xù)的界面為銜接，力學(xué)關(guān)系復(fù)雜、分析規(guī)模龐大?；谡尘蹍^(qū)域模型（Cohesive Zone Model，CZM），用多折線形式來描述界面正應(yīng)力-張開位移關(guān)系和界面剪切應(yīng)力-滑移關(guān)系，以模擬CAM與混凝土板之間界面的滑動和脫離等非連續(xù)變形。采用物理區(qū)域與單元網(wǎng)格相獨立的策略，使得物理區(qū)域可獨立于有限元網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對于各物理單元，根據(jù)其受力特點，在彈性力學(xué)一般問題的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中通過罰系數(shù)法引入相應(yīng)的力學(xué)假定，保留了六面體單元網(wǎng)格形式的同時，大大降低網(wǎng)格數(shù)量，有效解決不同尺度和類型網(wǎng)格間的變形協(xié)調(diào)問題，為CAM層破壞過程的多尺度模擬分析提供一途徑。 總結(jié)分析了CAM可能出現(xiàn)的劣化類型，采用有限元方法模擬了不同劣化現(xiàn)象對軌道結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形隨著CAM層邊緣脫落和大面積碎裂程度的加深而逐漸增大，軌道的平順性降低；且隨著CAM與軌道板脫空長度的增大，軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性不斷增大，影響高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，給車軌橋耦合振動效應(yīng)評估提出了新的需求。 2100433B

我國高速鐵路目前多采用板式無砟軌道，水泥瀝青砂漿（CAM）層是板式軌道結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵，對高速鐵路的安全運營至關(guān)重要。CAM材料層除了承受溫變、初始缺陷及列車荷載等作用外，橋梁變形還將導(dǎo)致其承受折彎、局部擠壓等，容易發(fā)生劣化破壞，并嚴(yán)重影響列車行駛的安全性及軌道板系統(tǒng)的耐久性。開展CAM層的劣化過程及機(jī)理分析研究，是防治CAM層破壞的關(guān)鍵。將粘聚帶模型（CZM）擴(kuò)展應(yīng)用于無砟軌道CAM層的起裂判斷及裂紋擴(kuò)展分析，并通過CAM材料和CAM與軌道板混凝土界面試驗，對模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)、CAM、軌道板及鐵軌體系的縮尺模型，采用MTS加載系統(tǒng)對多因素綜合作用下的CAM層劣化及破壞過程進(jìn)行系統(tǒng)研究。基于實體退化和虛擬層合思想，用數(shù)學(xué)網(wǎng)格自適應(yīng)處理技術(shù)實現(xiàn)對高鐵橋梁CAM層劣化的多尺度模擬。期望通過本項目實施，建立CAM劣化模型及開發(fā)多尺度數(shù)值方法，為提升高速鐵路安全性和CAM耐久性提供支撐。

運用量子力學(xué)（QM）、經(jīng)典分子動力學(xué)（MD）、半經(jīng)驗量子MD和從頭算MD以及耗散粒子動力學(xué)（DPD）等理論方法，對多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯類）分子、典型含能晶體（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶體）以及多類型含能復(fù)合材料（如以TATB、HMX和RDX為基與多功能高聚物組成的多類高聚物粘結(jié)炸藥），分別地進(jìn)行系統(tǒng)的微觀與介觀尺度的計算和模擬，研究它們在不同溫度和不同強(qiáng)度沖擊波作用下的分解反應(yīng)和起爆機(jī)理；考察組成、結(jié)構(gòu)、相互作用能、力學(xué)性能與感度特性之間的聯(lián)系；探索內(nèi)部和外界條件對含能分子、晶體和復(fù)合材料的致鈍效應(yīng)的影響，揭示致鈍機(jī)理，建議致鈍方法。通過本項目研究，不僅要發(fā)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象和規(guī)律，提高基礎(chǔ)理論學(xué)術(shù)水平；還要為含能材料的安全使用和高能鈍感含能材料的設(shè)計和制備提供參考或指導(dǎo)。

運用量子力學(xué)（QM）密度泛函理論（DFT）方法，對硝酸酯類和疊氮硝基類多系列含能化合物的分子結(jié)構(gòu)和分解機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的比較研究，以引發(fā)鍵鍵級和鍵離解能關(guān)聯(lián)感度和穩(wěn)定性，設(shè)計出高能且穩(wěn)定的品優(yōu)化合物供合成實驗參考。研究了不同壓力下α-和β-RDX晶體的結(jié)構(gòu)和感度判別，發(fā)現(xiàn)RDX的感度隨其所受的靜水壓力增大而增大。 運用從頭算分子動力學(xué)（MD）理論方法，研究了含能晶體引發(fā)分解反應(yīng)。TATB晶體熱引發(fā)壓力效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)該熱引發(fā)是由分子內(nèi)的氫轉(zhuǎn)移引起，壓力影響氫轉(zhuǎn)移的難易程度。通過與多尺度沖擊技術(shù)（MSST）結(jié)合，研究了沖擊加載下HMX、TATB和PETN晶體的分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)隨時間的變化細(xì)節(jié)，以引發(fā)分解（斷鍵）出現(xiàn)的時間和開始出現(xiàn)金屬態(tài)的時間關(guān)聯(lián)了沖擊感度。 運用經(jīng)典MD理論方法，研究了含能晶體， HMX、RDX、CL-20、PETN和TNT以及CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶，以其內(nèi)聚能密度和引發(fā)鍵最大鍵長關(guān)聯(lián)感度，并通過波動法計算預(yù)測其力學(xué)性能。研究了含能復(fù)合材料，CL-20/HMX共晶分別與聚氨基甲酸乙酯（Estane 5703）和端羥基聚丁二烯（HTPB）所構(gòu)成的PBX模型，通過結(jié)合能的計算發(fā)現(xiàn)含少量Estane 5703的PBX穩(wěn)定性和相容性更佳。研究CL-20/TNT共晶與含氟高聚物PVDF、F2311 和 F2313粘結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)高聚物粘結(jié)劑分子中H與F、Cl原子比列恰當(dāng)，有助于粘結(jié)劑分子的鋪展，利于致鈍。 運用半經(jīng)驗QM MD理論方法，研究了含能復(fù)合材料，用基于自洽電荷―密度泛函緊束縛（SCC-DFTB）水平的半經(jīng)驗QM MD方法，研究HMX/PEG復(fù)合體系的熱引發(fā)分解；該方法與MSST技術(shù)相結(jié)合，研究它們的沖擊引發(fā)分解。發(fā)現(xiàn)在熱引發(fā)分解條件下，PEG有著延遲引發(fā)分解的作用，即致鈍作用，而在沖擊引發(fā)分解條件下，PEG反而有著加速引發(fā)分解的作用。 運用耗散粒子動力學(xué)（DPD）介觀理論方法，模擬計算了5個不同溫度下晶體CL-20、TNT和共晶CL-20/TNT炸藥各自分別與含氟高聚物粘結(jié)劑F2311、F2313、PVDF、和PCTFE組成的12種PBXs體系。發(fā)現(xiàn)溫度升高有利于含氟高分子伸長鋪展，兩種高分子結(jié)構(gòu)單元與兩種炸藥分子的相互作用各不相同。

本書介紹了作者帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊十多年來在大型土木結(jié)構(gòu)損傷多尺度模擬與分析領(lǐng)域的主要研究成果及其在結(jié)構(gòu)抗震分析、橋梁疲勞損傷預(yù)后分析中的應(yīng)用。本書主要內(nèi)容包括：微細(xì)、宏觀尺度上材料與結(jié)構(gòu)的損傷特征觀測與分析，不同尺度上材料與結(jié)構(gòu)損傷的合理表征及其量化方法，結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的基本方程與計算方法，結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的實施流程及其驗證，損傷跨尺度演化致混凝土構(gòu)件局部失效的模擬與分析，混凝土結(jié)構(gòu)損傷演化致失效過程的多尺度跨層次自適應(yīng)模擬與分析，以及大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬。本書同時介紹了這些理論與方法在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷失效分析與重大橋梁工程結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程模擬中的應(yīng)用。