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《北京交通大学》 2008年
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高速铁路RPC板式轨道的设计理论与力学性能研究

赵曼  
【摘要】: 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。活性粉末混凝土(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,掘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布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。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:U238;U213.2

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