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轨道交通作为城市的重要基础设施，在城市发展中的作用日益显著。钢轨作为城市轨道交通运营设备的基础，承受着频繁的交变应力作用，各种机械伤损现象经常发生。另一方面，钢轨表面始终与空气直接接触，在空气中各种腐蚀因素和轨道泄漏的杂散电流影响下很容易发生腐蚀。存在腐蚀伤损的钢轨会加剧其应力伤损情况，使钢轨强度和结构稳定性都受到不利影响，甚至危及线路运营安全。因此，为了保证运营线路的安全性，研究钢轨在交变应力下的疲劳寿命有着重要的意义。目前，我国对于钢轨的疲劳寿命预测多集中在轮轨接触疲劳方面，对于腐蚀影响下钢轨的剩余寿命则鲜有研究。所以，研究腐蚀钢轨的疲劳问题，预测其剩余寿命具有一定的现实意义。
本文采用有限元分析软件ABAQUS同疲劳寿命预测软件FE-SAFE联合模拟的方法，对腐蚀钢轨剩余寿命的有关问题进行研究，主要研究内容如下：
(1)对钢轨腐蚀机理进行分析，揭示钢轨自然腐蚀及杂散电流腐蚀的本质；
(2)通过对上海市轨道交通钢轨伤损数据的统计，对腐蚀钢轨在区间位置分布及区间内的位置分布进行分析；
(3)对试验钢轨分别进行应力疲劳试验和破坏疲劳试验，并将试验测得的应力及寿命结果作为后续仿真模型建立与验证的参考；
(4)根据试验钢轨的实际情况，建立试验钢轨有限元分析模型，通过与试验测得的应力结果的对比，对钢轨腐蚀形状的选取进行讨论。根据在役钢轨的情况建立在役钢轨有限元分析模型，为后面的疲劳寿命分析做准备；
(5)建立试验钢轨疲劳寿命分析模型，并根据试验结果对其可靠性进行验证。建立带有腐蚀伤损的在役钢轨疲劳寿命分析模型，利用模型分析不同因素对腐蚀钢轨剩余寿命的影响。根据分析结果，对不同因素下的腐蚀钢轨的养护维修工作提出了相应的建议。
本文取得的主要研究结论如下：
(1)钢轨腐蚀是自然腐蚀和杂散电流腐蚀共同作用的结果，两者均属于电化学腐蚀，但是自然腐蚀发生的是原电池反应而杂散电流腐蚀则属于电解反应，根据周围电解质pH值的不同，电解反应还分为吸氧腐蚀(pH≥7)和析氢腐蚀(pH<7)。
(2)钢轨腐蚀现象广泛分布于地铁隧道线路的各区间，且腐蚀伤损一旦出现，极易形成重伤；腐蚀伤损出现的位置可能与线路所处地质环境有关；腐蚀发生在区间内的相对位置较为均匀，到达车站附近的钢轨更容易发生腐蚀。
(3)从轨底应力及破坏位置两个方面对腐蚀钢轨疲劳试验结果进行分析，发现腐蚀区域更容易产生应力集中现象，从而导致轨底腐蚀处应力显著加大，更容易发生疲劳破坏。
(4)对不同腐蚀形状在有限元分析软件中的选取进行讨论，推荐在底侧部腐蚀量小于或等于3mm的情况下使用矩形模拟，在底侧部腐蚀量大于3mm的情况下使用矩形+三角形进行模拟。
(5)根据疲劳试验结果验证了腐蚀钢轨疲劳寿命预测模型的可靠性，并基于该模型，分析了不同工况对腐蚀钢轨剩余寿命的影响：
①随底部腐蚀量从0增加到5mm，钢轨剩余寿命由449.5万次减少到228.3万次，且前期减少明显，2mm时为258.7万次，减少约一半左右，大于2mm后钢轨剩余寿命减少趋于平缓；
②随底侧部腐蚀量从3mm增加到11mm，钢轨剩余寿命由783.2万次迅速降低到10.4万次，且前期减少十分明显，当底侧部腐蚀量大于7mm时钢轨剩余寿命减少趋于平缓，但此时钢轨的剩余寿命已经仅剩几十万次，处于非常危险的状态；
③随沿钢轨纵向长度腐蚀量从20mm增加到80mm，钢轨剩余寿命显著提高，由61.6万次提高至大于1000万次；
④随着腐蚀位置离扣件距离从100mm增加到300mm，钢轨剩余寿命显著降低，由大于1000万次减少至449.5万次；
⑤在材质和腐蚀程度均相同的情况下，钢轨在不同轴重作用下，剩余寿命有较大差异，16t轴重为449.5万次，14t轴重为858.8万次，11t轴重大于1000万次，随轴重减轻，钢轨剩余寿命显著提高；
⑥随腐蚀面表面粗糙程度的增加，钢轨剩余疲劳寿命显著降低；
⑦不同材质钢轨在相同条件作用下，剩余寿命有较大差异，U75V的寿命是U71Mn的2倍左右，说明U75V的抗疲劳能力要强于U71Mn；
⑧轨底腐蚀最大处剩余寿命分别随钢轨底部腐蚀量、底侧部腐蚀量的增加近似满足二次多项式分布，随沿钢轨纵向长度腐蚀量、腐蚀位置离扣件距离的增加近似呈线性关系。
(6)根据不同工况对腐蚀钢轨剩余寿命影响的分析结果，对不同因素下的腐蚀钢轨的养护维修工作提出了相应的建议：对于钢轨底部腐蚀和轴重较轻的线路可以考虑不立刻更换钢轨，而是加强监测，延长钢轨服役时间；对于钢轨底侧部腐蚀，应加强初期检测，及时进行更换钢轨等维修作业；对于沿钢轨纵向长度较小的以及距离扣件位置较远的腐蚀伤损应优先处理；对于腐蚀面做除锈抛光或表面填涂涂层等临时处理方法，以延长腐蚀钢轨的服役时间；对于线路条件要求较高的地段，可以考虑更换钢轨材质来延长线路使用寿命，减少因频繁换轨而导致的养护维修成本的增加。
本文采用有限元分析软件ABAQUS同疲劳寿命预测软件FE-SAFE联合模拟的方法，对腐蚀钢轨剩余寿命的有关问题进行研究，主要研究内容如下：
(1)对钢轨腐蚀机理进行分析，揭示钢轨自然腐蚀及杂散电流腐蚀的本质；
(2)通过对上海市轨道交通钢轨伤损数据的统计，对腐蚀钢轨在区间位置分布及区间内的位置分布进行分析；
(3)对试验钢轨分别进行应力疲劳试验和破坏疲劳试验，并将试验测得的应力及寿命结果作为后续仿真模型建立与验证的参考；
(4)根据试验钢轨的实际情况，建立试验钢轨有限元分析模型，通过与试验测得的应力结果的对比，对钢轨腐蚀形状的选取进行讨论。根据在役钢轨的情况建立在役钢轨有限元分析模型，为后面的疲劳寿命分析做准备；
(5)建立试验钢轨疲劳寿命分析模型，并根据试验结果对其可靠性进行验证。建立带有腐蚀伤损的在役钢轨疲劳寿命分析模型，利用模型分析不同因素对腐蚀钢轨剩余寿命的影响。根据分析结果，对不同因素下的腐蚀钢轨的养护维修工作提出了相应的建议。
本文取得的主要研究结论如下：
(1)钢轨腐蚀是自然腐蚀和杂散电流腐蚀共同作用的结果，两者均属于电化学腐蚀，但是自然腐蚀发生的是原电池反应而杂散电流腐蚀则属于电解反应，根据周围电解质pH值的不同，电解反应还分为吸氧腐蚀(pH≥7)和析氢腐蚀(pH<7)。
(2)钢轨腐蚀现象广泛分布于地铁隧道线路的各区间，且腐蚀伤损一旦出现，极易形成重伤；腐蚀伤损出现的位置可能与线路所处地质环境有关；腐蚀发生在区间内的相对位置较为均匀，到达车站附近的钢轨更容易发生腐蚀。
(3)从轨底应力及破坏位置两个方面对腐蚀钢轨疲劳试验结果进行分析，发现腐蚀区域更容易产生应力集中现象，从而导致轨底腐蚀处应力显著加大，更容易发生疲劳破坏。
(4)对不同腐蚀形状在有限元分析软件中的选取进行讨论，推荐在底侧部腐蚀量小于或等于3mm的情况下使用矩形模拟，在底侧部腐蚀量大于3mm的情况下使用矩形+三角形进行模拟。
(5)根据疲劳试验结果验证了腐蚀钢轨疲劳寿命预测模型的可靠性，并基于该模型，分析了不同工况对腐蚀钢轨剩余寿命的影响：
①随底部腐蚀量从0增加到5mm，钢轨剩余寿命由449.5万次减少到228.3万次，且前期减少明显，2mm时为258.7万次，减少约一半左右，大于2mm后钢轨剩余寿命减少趋于平缓；
②随底侧部腐蚀量从3mm增加到11mm，钢轨剩余寿命由783.2万次迅速降低到10.4万次，且前期减少十分明显，当底侧部腐蚀量大于7mm时钢轨剩余寿命减少趋于平缓，但此时钢轨的剩余寿命已经仅剩几十万次，处于非常危险的状态；
③随沿钢轨纵向长度腐蚀量从20mm增加到80mm，钢轨剩余寿命显著提高，由61.6万次提高至大于1000万次；
④随着腐蚀位置离扣件距离从100mm增加到300mm，钢轨剩余寿命显著降低，由大于1000万次减少至449.5万次；
⑤在材质和腐蚀程度均相同的情况下，钢轨在不同轴重作用下，剩余寿命有较大差异，16t轴重为449.5万次，14t轴重为858.8万次，11t轴重大于1000万次，随轴重减轻，钢轨剩余寿命显著提高；
⑥随腐蚀面表面粗糙程度的增加，钢轨剩余疲劳寿命显著降低；
⑦不同材质钢轨在相同条件作用下，剩余寿命有较大差异，U75V的寿命是U71Mn的2倍左右，说明U75V的抗疲劳能力要强于U71Mn；
⑧轨底腐蚀最大处剩余寿命分别随钢轨底部腐蚀量、底侧部腐蚀量的增加近似满足二次多项式分布，随沿钢轨纵向长度腐蚀量、腐蚀位置离扣件距离的增加近似呈线性关系。
(6)根据不同工况对腐蚀钢轨剩余寿命影响的分析结果，对不同因素下的腐蚀钢轨的养护维修工作提出了相应的建议：对于钢轨底部腐蚀和轴重较轻的线路可以考虑不立刻更换钢轨，而是加强监测，延长钢轨服役时间；对于钢轨底侧部腐蚀，应加强初期检测，及时进行更换钢轨等维修作业；对于沿钢轨纵向长度较小的以及距离扣件位置较远的腐蚀伤损应优先处理；对于腐蚀面做除锈抛光或表面填涂涂层等临时处理方法，以延长腐蚀钢轨的服役时间；对于线路条件要求较高的地段，可以考虑更换钢轨材质来延长线路使用寿命，减少因频繁换轨而导致的养护维修成本的增加。