مدل سازي مكانيك شكست گسترش ترك تراورس بتني پيش تنيده در خطوط سنگين پرسرعت

Fracture Mechanics Modeling of Pre-stressed Concrete Sleepers Crack Propagation in High-Speed Heavy-Haul Railways

تراورس‌هاي بتني پيش‌تنيدۀ منو بلوك از جمله پركاربردترين نوع تراورس‌هاي بتني در خطوط سنگين پرسرعت هستند. اين تراورس‌ها هم‌زمان ظرفيت تحمل بارهاي محوري سنگين چرخ و سرعت‌هاي بالا را دارند. تراورس‌هاي خطوط سنگين پرسرعت ظرفيت تحمل بار محوري چرخ تا 30 تن دارند و براي سرعت قطار تا 200 km/hr قابل استفاده هستند. تراورس‌ خطوط سنگين پرسرعت از جنس بتن پيش‌تنيده است. در اين مقاله گسترش ترك مد I در تراورس بتني پيش‌تنيدۀ خطوط سنگين پرسرعت به‌وسيلۀ مكانيك شكست شبيه‌سازي شده‌است. در اين پژوهش، از مدل خرابي پلاستيك به‌منظور تحليل پارامترهاي مكانيك شكست در نرم‌افزار اجزاي محدود ABAQUS استفاده شده است. اين مدل به بررسي رشد خرابي به‌صورت غيرخطي در بتن (NLFM) مي‌پردازد. مدل عددي تراورس بتني پيش‌تنيدۀ شكاف‌دار با 6 طول شكاف اوليه صفر و 5 ميلي‌متر تا 45 ميلي‌متر با گام افزايشي 10 ميلي‌متر و عرض شكاف 8 ميلي‌متر تحت لنگر خمشي سه نقطه‌اي مثبت نشيمن‌گاه ريل قرار گرفته است. رشد خرابي، طول ترك و بازشدگي دهانۀ ترك (CMOD) در اين پژوهش محاسبه شده‌است. نتايج شكل خرابي نشان مي‌دهند، خرابي از محل شكاف شروع و به‌صورت خرابي خمشي در راستاي شكاف اوليه ادامه و سپس دوشاخگي ترك و در نهايت خرابي نهايي رخ مي‌دهد. اين تحليل نشان مي‌دهد كه رفتار سازه‌اي تراورس بتني پيش‌تنيده به‌وسيلۀ مدل مكانيك شكست، به‌سادگي با استفاده از رشد خرابي، طول ترك و CMOD قابل پيش‌بيني است.

Pre-stressed mono-block concrete sleepers are one of the most widely used types of concrete sleepers in high-speed heavy-haul railways. These sleepers have the capacity of bearing heavy axial wheels load at high speeds simultaneously. Sleepers used in high-speed heavy-haul railways can carry up to 30 tons of axial wheel loading at the speed of 200 km/hr. The sleepers used in high-speed heavy-haul are made of pre-stressed concrete. In this paper, crack propagation of mode I in pre-stressed concrete sleepers for heavy-haul high-speed lines, is simulated by fracture mechanics. The plastic damage model is used to analyze parameters of fracture mechanics in finite element software ABAQUS. This model investigates non-linear damage growth in concrete (NLFM). A positive three-point bending load is applied to the rail seat of the sleeper numerical model with 6 different crack lengths (starting zero and 5 mm from to 45 mm in increments of 10mm and a width of 8 mm). Damage growth, crack length and crack mouth opening displacement (CMOD) are calculated in this study. The results for damage shapes show that the fracture starts from the notch place and continues as bending damage in the line with the primary notch, and then crack bifurcation and the ultimate failure occurs eventually. This analysis shows that the structural behavior of pre-stressed concrete sleepers using fracture mechanics model, simply can be predicted using damage growth, crack length and CMOD.