【博士】高速铁路RPC板式轨道的设计理论与力学性能研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士 　　学位授予单位：北京交通大学　　学位年度： 2008年　　板式无碴轨道以其稳定性好、耐久性强和少维修等特点在国内外得到了广泛应用。轨道板是板式无碴轨道的重要组成部分，一般采用钢筋混凝土结构，由于普通混凝土的力学性能较差，钢筋容易锈蚀等缺陷，影响了无碴轨道的发展。活性粉术混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种新型混凝土材料，与普通混凝土相比，具有超高强度、高韧性、高耐久性等特点，尤其是其良好的抗拉性能，可以使结构在不配置钢筋条件下满足相同的使用要求。将RPC材料应用于板式轨道，必然可以弥补普通混凝土板式轨道的不足，改善板式无碴轨道结构的性能。基于以上原因，本文对RPC板式轨道的设计理论与力学性能进行了细致深入的研究，主要的研究工作如下：　　(1)基于RPC的优越性，并考虑普通混凝土实体型轨道板的受力特点，结合国内外轨道板的设计型式，提出了RPC实体型、格构型和框架型等轨道板的初步设计方案。采用ANSYS全结构仿真分析技术，建立了不同类型板式轨道结构的三维有限元模型。通过对其力学性能、经济性能、工艺性能等方面的对比分析，提出RPC板式轨道结构的最优型式为变厚度的框架型板式轨道结构。　　(2)由于RPC具有较高的抗拉强度和弹性模量，基于强度和刚度准则的设计原则不再适合于RPC板式轨道结构。针对RPC板式轨道结构，提出了其设计应在满足强度和刚度的前提下，充分考虑结构的弹性性能。并进一步对RPC板式轨道的设计参数进行了详细的分析，确定了RPC变厚度框架型轨道板的设计尺寸，给出了其它设计参数的建议值。　　(3)框架型轨道板的应力在宽度方向分布不均匀，据此在轨道板中引入了有效工作宽度的概念，并提出在采用弹性地基梁理论时，梁的宽度应取轨道板的有效工作宽度而不是实际宽度。根据轨道板的结构特点和受力特点，提出了RPC变厚度框架型轨道板的计算模型为弹性地基框架梁模型，同时基于静力平衡和变形协调条件，给出了RPC框架型轨道板的计算方法。　　(4)根据RPC的材料特性以及RPC构件的破坏特征，详细分析了RPC轨道板的破坏过程及其各阶段的应力特征，确定了RPC轨道板的破坏模式只能为受拉破坏，给出了破坏时的应力分饰图和简化应力计算图，提出RPC轨道板按极限状态法进行设计和计算的方法。　　(5)提出RPC板式轨道结构的计算模型为多层弹性地基梁模型。根据RPC框架型轨道板的弹性地基框架梁理论，可以将结构分解为纵向和横向两部分单独进　　行计算。建立了适用于RPC板式轨道的设计理论和计算方法，并利用Fourier变换得到了RPC框架型板式轨道结构动力学方程的解析解，对传统的计算方法和求解方法进行了改进与修正。　　(6)采用有限元法研究了桥上RPC板式轨道的动力性能。视板式轨道、桥梁、移动荷载为一系统，运用弹性系统动力学总势能不变值原理和“对号入座”法则，建立了系统的振动方程组，通过自编程序研究了系统的动力性能，结果表明：与普通板式轨道结构相比，RPC框架型板式轨道在动力性能方面具有明显的优越性。　　

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