高速鐵路結構耐久性能分析與設計方法

朱 星 盛

(京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100000)

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高速鐵路結構耐久性能分析與設計方法

朱 星 盛

(京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100000)

針對高速鐵路結構的特點，介紹了目前對其耐久性分析和設計的主要方法，總結了其中存在的問題和不足之處，探討了未來高速鐵路結構耐久性能分析方法的發(fā)展方向，有利于高效、科學地發(fā)展高速鐵路交通事業(yè)。

高速鐵路，耐久性，多因素耦合

1 高速鐵路耐久性分析的意義

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，交通運輸對經濟發(fā)展的推動作用越來越明顯，人類也更加熱衷于追求高速、舒適的交通方式。自21世紀以來，我國不斷加大對高速鐵路建設的投資力度，致力于形成四縱四橫的高鐵干線網，此外，根據(jù)國務院批準的《綜合交通網中長期發(fā)展規(guī)劃》，2020年我國鐵路網營業(yè)里程將達到12萬km以上，建設客運專線1.6萬km以上。高速鐵路的發(fā)展在面向21世紀的中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，將產生深遠的意義和影響。然而，受服役期限和服役期間結構性能的影響，加之現(xiàn)有耐久性能分析方法的不足，我國每年花費在高速鐵路結構養(yǎng)護上的人力財力十分驚人。因此，有必要對高速鐵路結構的耐久性評估和設計方法進行科學、系統(tǒng)的研究，以便高效、正確地發(fā)展高速鐵路交通。

2 高速鐵路耐久性能分析設計現(xiàn)狀及問題

高速鐵路結構在長期服役過程中受到自然環(huán)境、使用環(huán)境、動靜力荷載以及材料內部因素的作用，不可避免地發(fā)生材料性能劣化、結構損傷累積，最終造成結構承載力下降、可靠性降低、使用壽命縮短。針對這些影響因素，國內外許多學者開展了混凝土結構中有害介質的傳輸機理的理論和試驗研究，并采用人工氣候模擬試驗、自然暴露試驗及在役混凝土結構檢測等手段開展了如機械應力、氯離子的擴散、碳化、凍融等典型服役環(huán)境下關鍵結構的性能退化過程的研究，取得了豐富的研究成果，形成了Eurocode 2[1]，ACI 318[2],《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[3]《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[4]《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[5]和《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準》[6]等設計規(guī)范和技術標準，為改善混凝土結構長期服役性能指明了方向。對某一兩種簡單的環(huán)境作用，國內外的研究已相當完備，但是結構服役性能的劣化很少是單一因素作用的結果。研究表明：多因素共同作用下結構的服役性能響應與單一因素作用效果大不相同，不能將多因素的耦合作用視為單一因素作用的簡單疊加[7-10]。而且，現(xiàn)有的環(huán)境作用考慮的一般都是自然環(huán)境的物理化學侵蝕作用，少有研究涉及變形、使用荷載以及各種損傷的影響。對于高速鐵路結構來說，結構所處的工作環(huán)境，除掉各種復雜外界環(huán)境的耦合作用外，還要受到各種動靜荷載的影響，而且影響結構性能的荷載和環(huán)境等參數(shù)大部分是隨機的，隨著時間、空間發(fā)生變化，機理十分復雜，就目前所取得的研究成果而言，要用來準確預測高速鐵路結構壽命全過程的動態(tài)可靠度尚有很大的距離。

此外，現(xiàn)階段研究者主要依靠加速老化實驗模擬高速鐵路結構在長期服役時的性能改變情況，但是現(xiàn)有的實驗方法和研究理論仍然存在無法將人工氣候模擬實驗結果與現(xiàn)場實驗結果有效聯(lián)系起來的問題。環(huán)境模擬實驗與實際環(huán)境行為之間的相關性，是進行環(huán)境模擬實驗非常關鍵的基礎問題[11]，但是對于混凝土結構，該相似性研究仍處于起步階段，現(xiàn)有的環(huán)境模擬實驗多根據(jù)經驗方法設計，缺乏相應的理論指導。為此，浙江大學基于三大經典相似理論，通過引入與研究對象暴露環(huán)境相同或相似的第三方參照物，在國際上首次提出了一種基于多重環(huán)境時間的相似性實驗方法METS[12，13]，通過對第三方參照物的現(xiàn)場檢測結果與對應混凝土試件的室內加速試驗檢測結果進行對比，建立混凝土結構是性能惡化參數(shù)隨時間的變化，從而達到在較短時間內對混凝土結構的耐久性進行有效地評估和壽命預測。

3 高速鐵路耐久性能設計方法研究展望

我國高速鐵路結構具有服役環(huán)境復雜(嚴寒地區(qū)、酸雨地區(qū)、沿海地區(qū)等)、地質條件與運營條件不確定和軌道結構多樣(CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道、岔區(qū)板式及長枕埋入式無砟軌道)等特點，這些特點決定了我國高速鐵路結構性能演化的復雜性和特殊性，單一因素引起的結構性能演化是較難真實反映結構的實際情況，并且結構的損傷劣化也決不是各因素單獨作用引起損傷的簡單疊加。因此，結構性能演化研究必須從單一因素的作用向力學因素、溫度效應和環(huán)境因素的耦合作用轉變，研究多重損傷因素耦合作用下結構的劣化機理和環(huán)境行為，從本質上揭示結構性能演化規(guī)律[14]。目前，關于多因素耦合作用下混凝土結構的研究主要包括兩類：一是以傳輸性表征混凝土耐久性顯著降低，主要集中于對力學、化學、物理因素耦合作用下的傳輸方程的建立；二是力、化學、物理因素耦合作用下導致材料與結構失效。但限于多場耦合作用效應模擬技術研究的欠缺，關于多場耦合作用下混凝土結構性能演化過程的研究相對較少，并且多集中在靜荷載與環(huán)境因素的耦合作用，至于動力荷載與環(huán)境因素的耦合作用的研究報道更少[15-17]。有關多場耦合作用下結構性能演化的研究較少的原因在于問題本身的難度，環(huán)境作用、溫度作用和動靜力荷載作用具有迥異的內在特質和時間效應尺度，前兩者劣化混凝土結構性能，需經歷相對長程慢化的過程，后者則可在短時間或瞬間內產生損壞結構的作用效應。因此，模擬荷載瞬時作用和環(huán)境緩慢作用的耦合效應是結構性能演化研究的關鍵問題，研究結構多場耦合作用效應與性能多尺度演化機理是研究發(fā)展的趨勢。

除此之外，我國高速鐵路路網規(guī)模大且覆蓋地域遼闊，因此高速鐵路結構所處的環(huán)境地域差異性也較大。不同地區(qū)的氣候、地理等環(huán)境條件隨著侵蝕介質的不同，直接導致高速鐵路結構耐久性劣化的地區(qū)差異。因此高速鐵路結構的性能演變規(guī)律研究和高速鐵路結構設計宜分區(qū)域進行。雖然國內外一些設計規(guī)范和規(guī)程中給出了混凝土結構的工作環(huán)境分類，但一般都是以環(huán)境侵蝕機理特征并結合各自在不同情況下的侵蝕程度進行定性的分類分級描述，對于工程實際運用不具備量化的指標，使得工程技術人員在環(huán)境選取時即使對于同一環(huán)境對象也有可能產生較大的差異；而且對于環(huán)境溫度、濕度、風速及侵蝕介質濃度等對結構性能劣化有直接影響，僅以定性的指標加以描述或對其不加以明確的考慮，相應的耐久性設計會出現(xiàn)使用上或安全上的問題，或不能滿足設計使用壽命期的功能要求。浙江大學自2004年在國際上創(chuàng)先開展了混凝土結構耐久性設計區(qū)劃的系統(tǒng)研究，以建立混凝土結構耐久性環(huán)境區(qū)劃標準，并于2005年明確提出了混凝土結構耐久性區(qū)劃(Durability Zonation)的基本概念和建立耐久性環(huán)境區(qū)劃標準的基本原則，編制了浙江省混凝土橋梁結構耐久性環(huán)境區(qū)劃標準[18]。在此基礎上又以全國各地實際環(huán)境下的耐久性年限預測值為區(qū)劃主導標志，根據(jù)損傷等分原則完成了碳化環(huán)境、凍融環(huán)境和氯鹽環(huán)境的耐久性分區(qū)[19]。對于高速鐵路結構來說，可望將此區(qū)劃研究理論與高速鐵路結構特性和服役環(huán)境特征相結合，建立不同侵蝕機理所對應的全國區(qū)域環(huán)境荷載作用譜，發(fā)展適用于高速鐵路的混凝土結構耐久性環(huán)境分區(qū)分級方法體系和耐久性設計方法體系，以指導高速鐵路結構耐久性研究和設計，保障其“壽命”和“健康”。

盡管目前國內外對單一因素作用下高速鐵路耐久性能的劣化有著相當成熟的研究，但是對多因素耦合作用下的影響研究仍然值得關注。另外，我國鐵路網的實際特點決定了耐久性分區(qū)域研究也是未來研究發(fā)展的重點方向。

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The durability performance analysis and design method of the high-speed railway

Zhu Xingsheng

(Beijing-ShanghaiExpressRailwayCo.,Ltd,Beijing100000,China)

According to the features of the express railway structure, the paper introduces its durability analysis and main methods for the design, sums up some problems and shortages, and explores the development for the analysis methods for the railway durability, so as to enhance the effective and scientific development for the express railway traffic.

express railway, durability, multiple-factor coupling

1009-6825(2016)10-0115-02

2016-01-23

朱星盛(1972- )，男，高級工程師

U212.334

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