【博士】高速鐵路RPC板式軌道的設(shè)計(jì)理論與力學(xué)性能研究【2008】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士 　　學(xué)位授予單位：北京交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2008年　　板式無(wú)碴軌道以其穩(wěn)定性好、耐久性強(qiáng)和少維修等特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。軌道板是板式無(wú)碴軌道的重要組成部分，一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于普通混凝土的力學(xué)性能較差，鋼筋容易銹蝕等缺陷，影響了無(wú)碴軌道的發(fā)展。活性粉術(shù)混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)RPC)是一種新型混凝土材料，與普通混凝土相比，具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等特點(diǎn)，尤其是其良好的抗拉性能，可以使結(jié)構(gòu)在不配置鋼筋條件下滿足相同的使用要求。將RPC材料應(yīng)用于板式軌道，必然可以彌補(bǔ)普通混凝土板式軌道的不足，改善板式無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)的性能?；谝陨显颍疚膶?duì)RPC板式軌道的設(shè)計(jì)理論與力學(xué)性能進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，主要的研究工作如下：　　(1)基于RPC的優(yōu)越性，并考慮普通混凝土實(shí)體型軌道板的受力特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外軌道板的設(shè)計(jì)型式，提出了RPC實(shí)體型、格構(gòu)型和框架型等軌道板的初步設(shè)計(jì)方案。采用ANSYS全結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)，建立了不同類(lèi)型板式軌道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。通過(guò)對(duì)其力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、工藝性能等方面的對(duì)比分析，提出RPC板式軌道結(jié)構(gòu)的最優(yōu)型式為變厚度的框架型板式軌道結(jié)構(gòu)?！　?2)由于RPC具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，基于強(qiáng)度和剛度準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)原則不再適合于RPC板式軌道結(jié)構(gòu)。針對(duì)RPC板式軌道結(jié)構(gòu)，提出了其設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，充分考慮結(jié)構(gòu)的彈性性能。并進(jìn)一步對(duì)RPC板式軌道的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，確定了RPC變厚度框架型軌道板的設(shè)計(jì)尺寸，給出了其它設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值?！　?3)框架型軌道板的應(yīng)力在寬度方向分布不均勻，據(jù)此在軌道板中引入了有效工作寬度的概念，并提出在采用彈性地基梁理論時(shí)，梁的寬度應(yīng)取軌道板的有效工作寬度而不是實(shí)際寬度。根據(jù)軌道板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，提出了RPC變厚度框架型軌道板的計(jì)算模型為彈性地基框架梁模型，同時(shí)基于靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件，給出了RPC框架型軌道板的計(jì)算方法?！　?4)根據(jù)RPC的材料特性以及RPC構(gòu)件的破壞特征，詳細(xì)分析了RPC軌道板的破壞過(guò)程及其各階段的應(yīng)力特征，確定了RPC軌道板的破壞模式只能為受拉破壞，給出了破壞時(shí)的應(yīng)力分飾圖和簡(jiǎn)化應(yīng)力計(jì)算圖，提出RPC軌道板按極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的方法?！　?5)提出RPC板式軌道結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型為多層彈性地基梁模型。根據(jù)RPC框架型軌道板的彈性地基框架梁理論，可以將結(jié)構(gòu)分解為縱向和橫向兩部分單獨(dú)進(jìn)　　行計(jì)算。建立了適用于RPC板式軌道的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，并利用Fourier變換得到了RPC框架型板式軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的解析解，對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法和求解方法進(jìn)行了改進(jìn)與修正?！　?6)采用有限元法研究了橋上RPC板式軌道的動(dòng)力性能。視板式軌道、橋梁、移動(dòng)荷載為一系統(tǒng)，運(yùn)用彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理和“對(duì)號(hào)入座”法則，建立了系統(tǒng)的振動(dòng)方程組，通過(guò)自編程序研究了系統(tǒng)的動(dòng)力性能，結(jié)果表明：與普通板式軌道結(jié)構(gòu)相比，RPC框架型板式軌道在動(dòng)力性能方面具有明顯的優(yōu)越性。　　

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