高速铁路结构耐久性能分析与设计方法

朱 星 盛

(京沪高速铁路股份有限公司，北京 100000)



高速铁路结构耐久性能分析与设计方法

朱 星 盛

(京沪高速铁路股份有限公司，北京 100000)

针对高速铁路结构的特点，介绍了目前对其耐久性分析和设计的主要方法，总结了其中存在的问题和不足之处，探讨了未来高速铁路结构耐久性能分析方法的发展方向，有利于高效、科学地发展高速铁路交通事业。

高速铁路，耐久性，多因素耦合

1 高速铁路耐久性分析的意义

随着现代社会的发展，交通运输对经济发展的推动作用越来越明显，人类也更加热衷于追求高速、舒适的交通方式。自21世纪以来，我国不断加大对高速铁路建设的投资力度，致力于形成四纵四横的高铁干线网，此外，根据国务院批准的《综合交通网中长期发展规划》，2020年我国铁路网营业里程将达到12万km以上，建设客运专线1.6万km以上。高速铁路的发展在面向21世纪的中国可持续发展战略中，将产生深远的意义和影响。然而，受服役期限和服役期间结构性能的影响，加之现有耐久性能分析方法的不足，我国每年花费在高速铁路结构养护上的人力财力十分惊人。因此，有必要对高速铁路结构的耐久性评估和设计方法进行科学、系统的研究，以便高效、正确地发展高速铁路交通。

2 高速铁路耐久性能分析设计现状及问题

高速铁路结构在长期服役过程中受到自然环境、使用环境、动静力荷载以及材料内部因素的作用，不可避免地发生材料性能劣化、结构损伤累积，最终造成结构承载力下降、可靠性降低、使用寿命缩短。针对这些影响因素，国内外许多学者开展了混凝土结构中有害介质的传输机理的理论和试验研究，并采用人工气候模拟试验、自然暴露试验及在役混凝土结构检测等手段开展了如机械应力、氯离子的扩散、碳化、冻融等典型服役环境下关键结构的性能退化过程的研究，取得了丰富的研究成果，形成了Eurocode 2[1]，ACI 318[2],《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[3]《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[4]《混凝土结构耐久性设计规范》[5]和《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》[6]等设计规范和技术标准，为改善混凝土结构长期服役性能指明了方向。对某一两种简单的环境作用，国内外的研究已相当完备，但是结构服役性能的劣化很少是单一因素作用的结果。研究表明：多因素共同作用下结构的服役性能响应与单一因素作用效果大不相同，不能将多因素的耦合作用视为单一因素作用的简单叠加[7-10]。而且，现有的环境作用考虑的一般都是自然环境的物理化学侵蚀作用，少有研究涉及变形、使用荷载以及各种损伤的影响。对于高速铁路结构来说，结构所处的工作环境，除掉各种复杂外界环境的耦合作用外，还要受到各种动静荷载的影响，而且影响结构性能的荷载和环境等参数大部分是随机的，随着时间、空间发生变化，机理十分复杂，就目前所取得的研究成果而言，要用来准确预测高速铁路结构寿命全过程的动态可靠度尚有很大的距离。

此外，现阶段研究者主要依靠加速老化实验模拟高速铁路结构在长期服役时的性能改变情况，但是现有的实验方法和研究理论仍然存在无法将人工气候模拟实验结果与现场实验结果有效联系起来的问题。环境模拟实验与实际环境行为之间的相关性，是进行环境模拟实验非常关键的基础问题[11]，但是对于混凝土结构，该相似性研究仍处于起步阶段，现有的环境模拟实验多根据经验方法设计，缺乏相应的理论指导。为此，浙江大学基于三大经典相似理论，通过引入与研究对象暴露环境相同或相似的第三方参照物，在国际上首次提出了一种基于多重环境时间的相似性实验方法METS[12，13]，通过对第三方参照物的现场检测结果与对应混凝土试件的室内加速试验检测结果进行对比，建立混凝土结构是性能恶化参数随时间的变化，从而达到在较短时间内对混凝土结构的耐久性进行有效地评估和寿命预测。

3 高速铁路耐久性能设计方法研究展望

我国高速铁路结构具有服役环境复杂(严寒地区、酸雨地区、沿海地区等)、地质条件与运营条件不确定和轨道结构多样(CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ板式无砟轨道、双块式无砟轨道、岔区板式及长枕埋入式无砟轨道)等特点，这些特点决定了我国高速铁路结构性能演化的复杂性和特殊性，单一因素引起的结构性能演化是较难真实反映结构的实际情况，并且结构的损伤劣化也决不是各因素单独作用引起损伤的简单叠加。因此，结构性能演化研究必须从单一因素的作用向力学因素、温度效应和环境因素的耦合作用转变，研究多重损伤因素耦合作用下结构的劣化机理和环境行为，从本质上揭示结构性能演化规律[14]。目前，关于多因素耦合作用下混凝土结构的研究主要包括两类：一是以传输性表征混凝土耐久性显著降低，主要集中于对力学、化学、物理因素耦合作用下的传输方程的建立；二是力、化学、物理因素耦合作用下导致材料与结构失效。但限于多场耦合作用效应模拟技术研究的欠缺，关于多场耦合作用下混凝土结构性能演化过程的研究相对较少，并且多集中在静荷载与环境因素的耦合作用，至于动力荷载与环境因素的耦合作用的研究报道更少[15-17]。有关多场耦合作用下结构性能演化的研究较少的原因在于问题本身的难度，环境作用、温度作用和动静力荷载作用具有迥异的内在特质和时间效应尺度，前两者劣化混凝土结构性能，需经历相对长程慢化的过程，后者则可在短时间或瞬间内产生损坏结构的作用效应。因此，模拟荷载瞬时作用和环境缓慢作用的耦合效应是结构性能演化研究的关键问题，研究结构多场耦合作用效应与性能多尺度演化机理是研究发展的趋势。

除此之外，我国高速铁路路网规模大且覆盖地域辽阔，因此高速铁路结构所处的环境地域差异性也较大。不同地区的气候、地理等环境条件随着侵蚀介质的不同，直接导致高速铁路结构耐久性劣化的地区差异。因此高速铁路结构的性能演变规律研究和高速铁路结构设计宜分区域进行。虽然国内外一些设计规范和规程中给出了混凝土结构的工作环境分类，但一般都是以环境侵蚀机理特征并结合各自在不同情况下的侵蚀程度进行定性的分类分级描述，对于工程实际运用不具备量化的指标，使得工程技术人员在环境选取时即使对于同一环境对象也有可能产生较大的差异；而且对于环境温度、湿度、风速及侵蚀介质浓度等对结构性能劣化有直接影响，仅以定性的指标加以描述或对其不加以明确的考虑，相应的耐久性设计会出现使用上或安全上的问题，或不能满足设计使用寿命期的功能要求。浙江大学自2004年在国际上创先开展了混凝土结构耐久性设计区划的系统研究，以建立混凝土结构耐久性环境区划标准，并于2005年明确提出了混凝土结构耐久性区划(Durability Zonation)的基本概念和建立耐久性环境区划标准的基本原则，编制了浙江省混凝土桥梁结构耐久性环境区划标准[18]。在此基础上又以全国各地实际环境下的耐久性年限预测值为区划主导标志，根据损伤等分原则完成了碳化环境、冻融环境和氯盐环境的耐久性分区[19]。对于高速铁路结构来说，可望将此区划研究理论与高速铁路结构特性和服役环境特征相结合，建立不同侵蚀机理所对应的全国区域环境荷载作用谱，发展适用于高速铁路的混凝土结构耐久性环境分区分级方法体系和耐久性设计方法体系，以指导高速铁路结构耐久性研究和设计，保障其“寿命”和“健康”。

尽管目前国内外对单一因素作用下高速铁路耐久性能的劣化有着相当成熟的研究，但是对多因素耦合作用下的影响研究仍然值得关注。另外，我国铁路网的实际特点决定了耐久性分区域研究也是未来研究发展的重点方向。

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[3] CCES 01—2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南(2005年修订版)[S].

[4] TB 10005—2010，铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].

[5] GB/T 50476—2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].

[6] GB/T 50082—2009，普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准[S].

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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，高级工程师

U212.334

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