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高速铁路无砟轨道结构的设计理论研究

石现峰  
【摘要】: 本文的研究工作是基于目前我国大规模建设高速铁路客运专线的需要和我国无砟轨道铺设的数量少、时间短,在设计理论方面还缺乏成熟完善的系统规范的情况下而展开的。在对国内外无砟轨道结构进行系统研究分析的基础上,结合我国的国情和路情,对我国无砟轨道结构设计中的关键理论和核心技术进行了分析研究,旨在建立一个具有我国自主知识产权的相对完善的无砟轨道设计理论体系,为今后我国无砟轨道的结构设计提供依据。主要研究内容如下: 1、针对铁路无砟轨道结构分析中的“弹性地基叠合梁理论”、“弹性地基梁-板-板理论”以及“弹性地基梁—实体有限单元理论”,分别建立了各种分析理论的计算模型。以板式无砟轨道结构为例,对其在列车荷载作用下的力学行为进行了计算,对比分析了各自的特点及其局限性,提出了各种无砟轨道结构分析理论的适用情况,推荐了在我国无砟轨道结构设计中适宜采用的计算理论。 2、在对国外铁路规范规定的轨道结构荷载图式、我国的机车车辆情况以及铁路运输组织方式进行总结分析的基础上,结合我国无砟轨道结构的具体特点,综合考虑目前的客运机车运营列车活载、高速包络活载、运营的货物列车活载、养路机械活载以及中-活载(2005)设计活载图式,首次提出了适用于我国无砟轨道结构的计算荷载图式,确定了无砟轨道结构的竖向设计荷载、横向设计荷载和纵向设计荷载的计算方法。 3、分别针对无砟轨道结构中桥梁、隧道和路基这三种基础形式,提出了对基础工程的要求并给出了对各种基础工程变形的限值要求,建立了与基础变形相关的计算分析方法;首次将不同基础结构形式的支承情况统一起来考虑,系统地研究了基础变形对无砟轨道结构的受力、变形和使用性能的影响特点和规律,并将有限元分析模型计算的结果与室内试验的实测结果进行了对比分析,表明本文有限元分析理论和计算结果的可靠性。 4、首次在无砟轨道结构的设计理论体系中,建立了统一完善的桥梁结构变形的系统分析理论和分析方法,并编制了相应的分析软件。通过该软件,可以全面考虑包括结构自重、施工临时荷载、列车等各种荷载作用的影响、混凝土的收缩徐变、预应力及其损失等各种时效因素的影响以及墩台基础不均匀沉降等其它各种因素的综合影响,对无砟轨道桥梁结构从开始施工直到运营后任意时刻的内力和变形进行分析,从而可以直接方便地获得桥梁结构在任意时刻任意位置的位移和梁端转角等结构变形的数值,为在无砟轨道结构设计中更加合理地考虑桥梁变形对无砟轨道结构的影响奠定基础,同时还可为确定桥上无砟轨道的合理铺设时间提供依据。 5、应用传热学的基本理论,建立了温度变化对无砟轨道结构影响的分析理论体系和有限元分析模型,系统地研究了温度变化对无砟轨道的受力、变形和使用性能的影响特点和规律。对比分析了普通板式和框架式两种板式无砟轨道结构在温度影响下的行为差异,并分析了轨道板的宽度和厚度对无砟轨道结构温度效应的影响。 6、针对板式和双块式两种无砟轨道结构形式,对其在列车荷载作用下的力学行为进行了分析,研究了各结构层型式尺寸、扣件刚度、路基弹性及支承层弹性模量等不同的结构参数变化对无砟轨道结构的影响规律,以掌握不同参数条件下的列车荷载效应,为确定合理的无砟轨道结构设计参数提供依据。 7、首次系统地将混凝土结构的收缩徐变理论引入到无砟轨道的结构分析中,对收缩徐变的计算模式、收缩徐变系数的计算方法以及混凝土收缩徐变的计算理论进行了研究,建立了无砟轨道结构中混凝土收缩徐变的计算方法。 8、对无砟轨道结构的设计方法进行了研究,并且给出了无砟轨道结构设计的整个过程。根据此过程便可完成对无砟轨道结构的设计,并能够对结构的截面应力和裂缝宽度进行检验,从而获得满足规范要求的合理的结构设计方案。


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