高铁桥梁CAM层劣化机理的试验研究和多尺度模拟项目摘要

我国高速铁路目前多采用板式无砟轨道，水泥沥青砂浆（CAM）层是板式轨道结构层关键，对高速铁路的安全运营至关重要。CAM材料层除了承受温变、初始缺陷及列车荷载等作用外，桥梁变形还将导致其承受折弯、局部挤压等，容易发生劣化破坏，并严重影响列车行驶的安全性及轨道板系统的耐久性。开展CAM层的劣化过程及机理分析研究，是防治CAM层破坏的关键。将粘聚带模型（CZM）扩展应用于无砟轨道CAM层的起裂判断及裂纹扩展分析，并通过CAM材料和CAM与轨道板混凝土界面试验，对模型参数进行标定。设计桥梁结构、CAM、轨道板及铁轨体系的缩尺模型，采用MTS加载系统对多因素综合作用下的CAM层劣化及破坏过程进行系统研究。基于实体退化和虚拟层合思想，用数学网格自适应处理技术实现对高铁桥梁CAM层劣化的多尺度模拟。期望通过本项目实施，建立CAM劣化模型及开发多尺度数值方法，为提升高速铁路安全性和CAM耐久性提供支撑。

我国高速铁路目前多采用板式无砟轨道，水泥沥青砂浆（CAM）层是板式轨道结构层关键，其服役时的力学性能对高速铁路的安全运营至关重要。本研究开展了CAM在不同加载速率、温度下的单轴压缩试验，以及不同围压下的静三轴试验，对破坏模式、抗压强度、弹性模量及应力应变关系的变化规律进行了分析，系统地总结了CAM的力学性能和加载速率、温度以及围压的关系，并采用修正的德马舒克（Domaschuk）模型合理地描述了CAM的应力应变关系。本研究为CAM在复杂条件下服役期间的性能提供了参考依据，并为无砟轨道的受力过程分析和有限元计算建立了理论基础。 对于包含CAM垫层的高速铁路无砟轨道系统，各结构组成之间以变形不连续的界面为衔接，力学关系复杂、分析规模庞大。基于粘聚区域模型（Cohesive Zone Model，CZM），用多折线形式来描述界面正应力-张开位移关系和界面剪切应力-滑移关系，以模拟CAM与混凝土板之间界面的滑动和脱离等非连续变形。采用物理区域与单元网格相独立的策略，使得物理区域可独立于有限元网格进行划分；对于各物理单元，根据其受力特点，在弹性力学一般问题的应力应变关系中通过罚系数法引入相应的力学假定，保留了六面体单元网格形式的同时，大大降低网格数量，有效解决不同尺度和类型网格间的变形协调问题，为CAM层破坏过程的多尺度模拟分析提供一途径。 总结分析了CAM可能出现的劣化类型，采用有限元方法模拟了不同劣化现象对轨道结构的影响。结果表明，轨道结构的应力和变形随着CAM层边缘脱落和大面积碎裂程度的加深而逐渐增大，轨道的平顺性降低；且随着CAM与轨道板脱空长度的增大，轨道结构发生共振的可能性不断增大，影响高铁桥梁结构的安全性，给车轨桥耦合振动效应评估提出了新的需求。 2100433B

运用量子力学（QM）、经典分子动力学（MD）、半经验量子MD和从头算MD以及耗散粒子动力学（DPD）等理论方法，对多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯类）分子、典型含能晶体（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶体）以及多类型含能复合材料（如以TATB、HMX和RDX为基与多功能高聚物组成的多类高聚物粘结炸药），分别地进行系统的微观与介观尺度的计算和模拟，研究它们在不同温度和不同强度冲击波作用下的分解反应和起爆机理；考察组成、结构、相互作用能、力学性能与感度特性之间的联系；探索内部和外界条件对含能分子、晶体和复合材料的致钝效应的影响，揭示致钝机理，建议致钝方法。通过本项目研究，不仅要发现许多新的现象和规律，提高基础理论学术水平；还要为含能材料的安全使用和高能钝感含能材料的设计和制备提供参考或指导。

运用量子力学（QM）密度泛函理论（DFT）方法，对硝酸酯类和叠氮硝基类多系列含能化合物的分子结构和分解机理进行了细致的比较研究，以引发键键级和键离解能关联感度和稳定性，设计出高能且稳定的品优化合物供合成实验参考。研究了不同压力下α-和β-RDX晶体的结构和感度判别，发现RDX的感度随其所受的静水压力增大而增大。 运用从头算分子动力学（MD）理论方法，研究了含能晶体引发分解反应。TATB晶体热引发压力效应的研究，发现该热引发是由分子内的氢转移引起，压力影响氢转移的难易程度。通过与多尺度冲击技术（MSST）结合，研究了冲击加载下HMX、TATB和PETN晶体的分子结构和电子结构随时间的变化细节，以引发分解（断键）出现的时间和开始出现金属态的时间关联了冲击感度。 运用经典MD理论方法，研究了含能晶体， HMX、RDX、CL-20、PETN和TNT以及CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶，以其内聚能密度和引发键最大键长关联感度，并通过波动法计算预测其力学性能。研究了含能复合材料，CL-20/HMX共晶分别与聚氨基甲酸乙酯（Estane 5703）和端羟基聚丁二烯（HTPB）所构成的PBX模型，通过结合能的计算发现含少量Estane 5703的PBX稳定性和相容性更佳。研究CL-20/TNT共晶与含氟高聚物PVDF、F2311 和 F2313粘结性能，发现高聚物粘结剂分子中H与F、Cl原子比列恰当，有助于粘结剂分子的铺展，利于致钝。 运用半经验QM MD理论方法，研究了含能复合材料，用基于自洽电荷―密度泛函紧束缚（SCC-DFTB）水平的半经验QM MD方法，研究HMX/PEG复合体系的热引发分解；该方法与MSST技术相结合，研究它们的冲击引发分解。发现在热引发分解条件下，PEG有着延迟引发分解的作用，即致钝作用，而在冲击引发分解条件下，PEG反而有着加速引发分解的作用。 运用耗散粒子动力学（DPD）介观理论方法，模拟计算了5个不同温度下晶体CL-20、TNT和共晶CL-20/TNT炸药各自分别与含氟高聚物粘结剂F2311、F2313、PVDF、和PCTFE组成的12种PBXs体系。发现温度升高有利于含氟高分子伸长铺展，两种高分子结构单元与两种炸药分子的相互作用各不相同。

本书介绍了作者带领的研究团队十多年来在大型土木结构损伤多尺度模拟与分析领域的主要研究成果及其在结构抗震分析、桥梁疲劳损伤预后分析中的应用。本书主要内容包括：微细、宏观尺度上材料与结构的损伤特征观测与分析，不同尺度上材料与结构损伤的合理表征及其量化方法，结构损伤多尺度分析的基本方程与计算方法，结构损伤多尺度分析的实施流程及其验证，损伤跨尺度演化致混凝土构件局部失效的模拟与分析，混凝土结构损伤演化致失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与分析，以及大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟。本书同时介绍了这些理论与方法在钢筋混凝土框架结构损伤失效分析与重大桥梁工程结构疲劳损伤演化过程模拟中的应用。