设为首页 加入收藏 期刊导航 网站地图
  • 首页
  • 期刊
    • 数学与物理
    • 地球与环境
    • 信息通讯
    • 经济与管理
    • 生命科学
    • 工程技术
    • 医药卫生
    • 人文社科
    • 化学与材料
  • 会议
  • 合作
  • 新闻
  • 我们
  • 招聘
  • 千人智库
  • 我要投搞
  • 办刊

期刊菜单

  • ●领域
  • ●编委
  • ●投稿须知
  • ●最新文章
  • ●检索
  • ●投稿

文章导航

  • ●Abstract
  • ●Full-Text PDF
  • ●Full-Text HTML
  • ●Full-Text ePUB
  • ●Linked References
  • ●How to Cite this Article
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 156-161
http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.22027 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html)
Study on Characteristic of Flow for Non-Ballasted Track
Crack under the High Speed Railway Action*
Guihong Xu, Xueyi Liu, Rongshan Yang, Yong Peng
MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu
Email: smileanne@163.com
Received: Dec. 18th, 2012; revised: Jan. 21st, 2013; accepted: Feb. 3rd, 2013
Copyright © 2013 Guihong Xu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-
stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract: The non-ballasted track had been widely used with the massive construction of the high-speed railway in
China. The damage issue of non-ballasted track mainly based on the flaw was becoming gradually evident, especially
the influence of rainwater to the damages. Nowadays there was a lack of the systematic research on the relevant prob-
lems at home and abroad. This paper focuses on the flow characteristics of CRTSII non-ballasted track interlayer crack.
Unified governing equation and mathematical model were established in solid and fluid domain, based on the two-way
coupled field computation, at the high speed train loads action. The water flow characteristics had been simulated in
CRTSII no n-ballasted track Interlayer crack. Analysis shows that: 1) At the high-speed train loads action, crack surface
pressure of every monitor is linear increased with the crack length, the more close the crack tip, the more pressure; 2)
with crack length increased the water velocity of crack internal reduce.
Keywords: Non-Ballasted Track; Fluid-Structure Interaction; Flow Characteristics
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究*
徐桂弘,刘学毅,杨荣山,彭 勇
西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都
Email: smileanne@163.com
收稿日期:2012 年12 月18 日;修回日期:2013 年1月21 日;录用日期:2013 年2月3日
摘 要:无砟轨道伴随我国高速铁路大规模修建得到了广泛应用,但以裂纹为主要形式的伤损问题也逐步凸显,
特别是雨水对伤损的影响尤为突出。本文针对 CRTSII 型无砟轨道层间裂纹中水流特性问题,应用流固耦合理论
及其统一控制方程,基于双向二维流固耦合场计算原理,建立了高频列车荷载作用下 CRTSII 型板式轨道砂浆层
下裂纹中水流特性模拟,结果表明:1) 当高频荷载作用于下,随着裂纹长度的增加,裂纹内部各计算点压强与
裂纹的长度基本呈线性变化,越是靠近裂纹尖端,压强越大。2) 裂纹内部水流速度,随着裂纹深度的增加而减
少,在裂纹的尖端时最小。
关键词:无砟轨道;流固耦合;运动特性
1. 引言
无砟轨道以其高平顺、高稳定和少维修的特点成
为高速铁路上的主要轨道结构型式,随着我国客运专
线的大规模兴建并投入运营,无砟轨道得到了快速发
展与广泛应用。
*基金项目:国家自然科学基金(51278431)。 目前,通过对全国各地的无砟轨道服役情况调研
Copyright © 2013 Hanspub
156
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究
发现,各型无砟轨道均出现了不同程度的伤损,其中
以轨道板/道床板开裂、层间连接破坏和填充层破损等
伤损最为普遍。在降雨量丰富的地区或排水不畅地
段,无砟轨道破损速率较干燥地区快得多。以双块式
无砟轨道为例,在武广、郑西、遂渝等线路均发现预
制轨枕与现浇道床板间出现裂纹的现象(如图 1所示),
在遂渝线和武广线,同样的病害,道床板裂纹发展较
快,在病害严重地段,裂纹宽度增加,预制轨枕松动
下雨后,经列车荷载的作用,在裂纹处有白浆冒出,
进一步加剧了轨枕松动(如图 2所示)。对于北方干旱
地区,层间离缝基本不发展,但在南方多雨地区,凡
离缝处均发现有冒浆现象发生,在排水不良地段,列
车经过时,离缝处的冒浆现象非常明显,且病害发展
迅速。可见,列车荷载与水的耦合作用对无砟轨道病
害发展起着极为关键的作用,高频荷载作用下,裂纹
内部水流的运动形态,是影响轨道水至伤损的关键性
问题。
Figure 1. Non-ballasted track plate injury of SUI-YU line
图1. 遂渝线无砟轨道道床板伤损
Figure 2. Sleeper loose of SUI-YU line
图2. 遂渝线无砟轨道轨枕松动
水泥混凝土路面与无砟轨道的工作条件类似,公
路路面的研究成果对于无砟轨道的研究具有积极的
借鉴意义。相关研究表明,在交通荷载和水的共同作
用下,水泥混凝土路面普遍出现挤浆、板底脱空等现
象,进一步引起路面板的断板、裂缝等早期损坏严重
[1,2]。国内外的道路工作者普遍认为这种现象主要是由
路面基层材料抗冲刷性能差和较大的动水压力造成
的,并相继展开了对基层材料性能和动水压力的研究
[3,4]。20 世纪 70 年代起,王先俊、黄仰贤、姚祖康、
唐伯明等人应用有限元方法先后分析了地基部分脱
空状态下的水泥混凝土路面结构受力[5,6]。20 世纪 80~
90 年代,美国的研究人员采用现场试验的方法,对脱
空区滞留水的水压力进行了一定的研究[7,8]。目前,我
国对水泥混凝土路面动水压力的形成和数值计算开
展了一定的理论研究工作[9,10]。在试验研究方面,采
用室内试验的方法建立了水泥混凝土路面脱空处动
水压力试验模型, 测定了基层脱空处的动水压力,并
分析了脱空面积、荷载位置、荷载大小和荷载速度等
因素对脱空处动水压力的影响[11]。为合理进行路面板
脱空的预防和治理提供了参考依据。
目前,国内外对于高频列车荷载作用下,水在裂
纹中运动的状态,未进行系统深入的研究[12,13]。虽然
各领域在混凝土本构关系、流固耦合及水害作用机理
方面做了大量理论和试验研究,但这些研究均未考虑
列车荷载轴重大、速度快的作用特点,其研究成果不
能照搬到无砟轨道的相关研究领域。
本文针对典型无砟轨道裂纹中水流特性问题,应
用流固耦合理论及其统一控制方程,基于双向二维流
固耦合场计算原理,建立了高频列车荷载作用下
CRTSII 型板式轨道砂浆层下裂纹中水流动特性的模
拟,详细探讨了高频列车荷载作用下裂纹内部水的流
动特性及运动规律。分析结果为无砟轨道裂纹伤损的
发展机理提供理论参考。
2. 计算模型
直线路基上Ⅱ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣
件、预制轨道板、砂浆调整层及支承层等组成[14],轨
道板尺寸为 200 × 2550 mm,砂浆调整层尺寸为:30 ×
2550 mm,轨道板底座尺寸为:300 × 2950 mm[15,16]。
因为裂纹一般始发于新老混凝土的交界面处,计算假
定裂纹在砂浆调整层与支承层交接位置。
Copyright © 2013 Hanspub 157
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究
Copyright © 2013 Hanspub
158

11 1111nnnnnnnn
iii
ti
M
uMu CpCp

 

 
(5)
模拟高速列车荷载作用下裂纹内部水流特性可
分如下步骤,首先高速列车荷载传递给轨道板,轨道
板传递给裂纹内部水,水反过来把荷载传递给轨道
板,属于双向流固耦合问题。考虑高速列车荷载幅值
高、加载速度快频率高等特点。研究其内部水流特性,
可采用双向瞬态流固耦合模型如图3所示。
在计算速度时,在流固耦合边界面上应考虑速度
耦合边界条件:
T
uTv (6)
其中,v为耦合边界上的结构运动速度, 为几何关
系矩阵。
T
T
3. 流固耦合基本原理、计算方法及参数
结构的运动方程可写为:
3.1. 流固耦合的基本原理及控制方程
mv cv kX



 (7)
ALE 方法将固体中常用的拉氏系与流体中常用
的欧拉系相联系。ALE 描述下的不可压流体的 Navier-
Stokes 方程组包括流体力学基本方程、有限元数值离
散方程及耦合系统方程[17,18]。
在流固耦合界面上可推导出:

s
X
TFnds p


 
 (8)
式(8)中: 为壁面法向矢量,F为等效
结点力,

12 3
,, T
nnnn




为插值函数矩阵。
基本方程包括流体连续性方程、运动方程、本构
方程,利用连续方程推导出压力和速度的计算公式: 在耦合界面上,由方程(8)式可求得:
1
21 2
2
n
nn
i
ii
pu
tx 2
p
x
x







(1)

1
11 111nn nnnnn
ii
pM CuApQQ
t


 n


 




 (9)
1
11 nn
nn
ii ii
tp p
uu
x
x


 
 
 




(2) 耦合界面上有:

1T
nT
S
Qndsv
 
T
Tv

 

(10)
有限元数值离散方程中,对于有限元分步法,速
度和压力由相互独立的方程以解耦的形式求解。利用
Galerkin 加权余量方法可推导出有限元数值离散 方
程。对整个单元进行集合,得到耦合系统方程,写成
矩阵形式:
将(8),(9),(10)式代入结构运动方程(7)式并整理
得:

11
n
nnnn nn
iiijij jii
M
uMu tBDuCpE


 




1
1
1
111
nT
nnnnn
ii
mTM Tvcvk
MCuMp
t










n
Q



 








(11)
(3) 结构运动方程用 Newmark 方法求解。系统耦合
方程(11)利用迭代方法求解。
11 111nnnnnn n
in
M
pCuApQ
tQ

 
 
 (4)
Figure 3. Two-way transient fluid-structure coupling computation model
图3. 双向瞬态流固耦合计算模型
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究
3.2. 计算方法及参数选取
高频列车荷载作用下,无砟轨道结构裂纹内部水
流动特性的研究,采用双向瞬态流固耦合模型模拟计
算。ALE描述被用于流体域;流体域中的网格点按照
自由液面的运动或结构与液体接触面的移动而不断
更新,从而将运动边界的非线性效应融人到计算方法
中,在空间域上采用有限元离散格式;在时间域上
Navier-Stokes 方程采用分步计算格式。荷载取值按静
轮载 1/2 (250 kN)取值,按 350 km/s行车速度,荷载
频率 25 Hz[19,20]。计算相关参数如表1所列。
4. 计算结果及分析
通过模拟计算,当列车速度为 350 km/h,裂纹高
度为 5 mm、裂纹长度为 1 m时,得到各计算点及计
算点 1的压强变化图如图 4、图 5所示,压强随裂纹
深度的变化如图 6所示,各计算点、计算点 1水流速
度变化如图 7、图 8所示、裂纹内部水流速度随裂纹
长度变化如图 7所示。
由图 4、图 5、图 6可知,当列车荷载频率不变
Table 1. Computation parameter two-way transient fluid-structure
coupling model
表1. 双向瞬态流固耦合模型计算参数
部件 项目 详细信息
荷载频率 0.04 s
荷载值 10 × 105 pa
(轨道板)弹性模量 36,000 Mpa
(轨道板)泊松比 0.2
(支承层)弹性模量 32,500
固体域
(支承层)泊松比 0.2
瞬态耦合
分析类型
多场耦合
流体类型 常温水
域类型 单区域
时间步 0.01 s
相对压强 1 [atm]
耦合时间 1 s
输出控制 计算点(如图 1所示)
无滑移边界
流体域
边界条件
边界条件 流固交接面:无滑移边界
时,裂纹表面受到的压强,随着列车荷载的变化,分
别对裂纹上、下表面产生压强。随着裂纹长度的增加,
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-150000
-100000
-50000
0
50000
100000
各监测点压强(pa)
时间(s)
Figure 4. Relationship between time and pressure of all calculating
point
图4. 各计算点压强随时间变化
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
压强 (pa)
时间 (s)
Figure 5. Relationship between time and pressure of point1
图5. point1随时间压强变化
0.2 0.40.60.81.01.2
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
压强 (pa)
裂纹深度 (m )
Figure 6. Relationsh i p between pressure and crack depth
图6. 压强随裂纹深度的变化
Copyright © 2013 Hanspub 159
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
各监测点流速(m/s)
时间(s)
Figure 7. Relationship between time and water velocity of all cal-
图7. 各间变化
culating point
计算点流速随时
0.00.2 0.40.6 0.81.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
velocity (m/s)
crack length (s)
Figure 8. Relationship between time and water velocity of point
计算点压强与裂纹的长度基本呈线性变化,越是靠
8、图 9可知,当列车荷载频率不变
时,
5. 结论
本文针对 CRTSII 型板式无砟轨道砂浆调整层底
部水
1
图8. point 1流速随时间变化
各
近裂纹尖端,压强越大,最大压强在 point 11为
116017.57 Pa。
由图 7、图
裂纹内部各计算点流速随着列车荷载增减而变
化,列车荷载减少时,水流方向为正向,列车荷载增
加时,水流方向为负,数值大小相近。裂纹内部水流
速度,随着裂纹深度的增加而减少,在裂纹的尖端最
小为 0,裂纹的开口处达到最大为 1.39 m/s (向裂纹内
流动)。
平层间裂纹,考虑高速列车荷载与水耦合作用条
件,对裂纹内部水流特性进行了研究。
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
水流速度(m/s)
裂纹深度(m)
Figure 9. Relationship between water velocity and crack depth
得到如下结论:
于钢轨上时,轨道板受到强大
冲击
,裂纹内部各计算点流
速随
病害情况、建立
相应
参考文献 (References)
土路面板角脱空判定指标[J].
图9. 流速随裂纹深度变化
1) 当高频荷载作用
,裂纹内部水产生强大压强,可能会导致裂纹沿
裂隙面发生水力断裂。随着裂纹长度的增加,裂纹内
部各计算点压强与裂纹的长度基本呈线性变化,越是
靠近裂纹尖端,压强越大。
2) 当列车荷载频率不变时
着列车荷载增减而变化,列车荷载减少时,水流
方向为正向,列车荷载增加时,水流方向为负,速度
值大小相近。裂纹内部水流速度,随着裂纹深度的增
加而减少,在裂纹的尖端时最小。
本文根据实际高速铁路无砟轨道
损伤模型。根据实际高速列车荷载的大小和作用
频率进行荷载取值。本文采用了商用软件 ANSYS-
WORKBENCH13中的 Transient Structural和cfx 软件
系统进行流固耦合计算,在模型设置过程中,由
ANSYS 软件公司流体力学的专业人员进行计算过程
设置。根据王海龙、李庆斌的不同加载速率下饱和混
凝土的劈拉试验结果[21],当干燥混凝土加载速率为 2
Mpa/s 时,其劈拉强度为 1.89 Mpa;按照荷载比例,
与本文计算裂纹表面受到压强值,结果相近。所以,
本文计算结果具有一定的合理性。
[1] 曾胜 曾小军, 许佳. 水泥混凝
中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(1): 248-256.
[2] 张宁, 钱振东, 黄卫. 水泥混凝土路面板下地基脱空状况的
. 技, 2004, 1: 4-8. 评定与分析[J] 公路交通科
[3] 关增智. 半刚性基层材料抗冲刷性能的研究[J]. 混凝土,
Copyright © 2013 Hanspub
160
高速列车荷载下无砟轨道裂纹内水流特性研究
Copyright © 2013 Hanspub 161
铁道科学与工程学报, 2005, 2(6): 31-36.
515
大学学报
(128): 64-68
版), 2009, 40(2): 526-532
学, 2011, 32(6): 28-33.
8.
320.
, 2007, 24(2): 105-109.
2008, 3: 48-50.
[4] 沙爱民. 半刚性基层的材料特性 [J]. 中国公路学报, 2008,
21(1): 1-5.
[5] 曾胜, 张显安. 水泥混凝土板下脱空状况时接缝处弯沉的影
响分析[J].
[6] 程涛, 王国体. 不同脱空形式下水泥混凝土路面破坏应力分
析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2009, 32(4): -518. 学版), 2010, 41(4): 1360-1368
[16] 蔡小培, 高亮, 孙汉武, 曲村. 桥上纵连板式无砟轨道无缝线
路力学性能分析[J]. 中国铁道科
[7] 周玉民, 谈至明, 刘伯莹. 水泥混凝土路面脱空状态下的荷
载应力[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(7): 341-345.
[8] A. J. Van Wijk, J. Larralde, W. Lvellc, et al. Pumping prediction
model for highway concrete pavement. Journal of Transportation
Engineering, 1989, 115(2): 161-175.
[9] E. Hansen, R. Jhannesenr and J. Armaghani. Field effects of
water pumping beneath concrete pavement slabs. Journal of
Transportation Engineering, ASCE, 1991, 117(6): 679-696.
[10] 谈至明, 谭福平. 水泥混凝土路面板底脱空区水运动规律的
分析模型[J]. 水动力学研究与进展, 2008, 23(3): 281-286.
[11] 李少波, 张宏超, 孙立军. 动水压力的形成与模拟测量[J].
同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(7): 915-918.
[12] 廉向东, 付其林, 陈拴发, 聂午龙, 王秉纲. 基于板底脱空的
水泥混凝土路面动水压力试验研究[J]. 武汉理工 ,
2011, 33(5): 100-103.
[13] 程学武, 董敬. 隧道内整体道床的破裂原因分析 及整治[J].
铁道工程学报, 2009, 5
[14] 徐庆元, 张旭久. 高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道纵向力
学特性[J]. 中南大学学报(自然科学
[15] 卿启湘, 胡萍, 王永和, 尹汉锋, 张春顺. 高速铁路双块式无
砟轨道计算模型约束方程的建立[J]. 中南大学学报(自然科
[17] 铁道部工程管理中心, 京津城际轨道交通工程. CRTSII型板
式无砟轨道技术总结报告[M]. 2008.
[18] 客运专线铁路无砟轨道充填层施工质量验收补充标准[S]. 铁
建设[2009]90号.
[19] 娄涛. 基于 ANSYS 的流固耦合问题数值模拟[D]. 兰州大学
硕士学位论文, 200
[20] 焦宗夏, 华清, 于凯. 传输管道流固耦合振动的模态分析[J].
航空学报, 1999, 20(4): 316-
[21] 王海龙, 李庆斌. 不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研
究及强度变化机理[J]. 工程力学

版权所有:汉斯出版社 (Hans Publishers) Copyright © 2012 Hans Publishers Inc. All rights reserved.