高速铁路RPC板式轨道的设计理论与力学性能研究

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高性能混凝土材料介绍
• 1.2.2 RPC材料的工程优越性
• 1.2.3 RPC材料的应用研究现状
• 1.2.4 RPC材料研究中存在的问题
• 1.2.5 无碴轨道的结构特点及其结构型式
• 1.2.6 国内外无碴轨的应用现状
• 1.2.7 板式无碴轨道的计算模型
• 1.2.8 板式无碴轨道结构研究中存在的问题
• 1.3 研究内容和方法
• 第二章 高速铁路RPC板式轨道结构的选型
• 2.1 引言
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 全结构仿真分析技术
• 2.2.2 仿真分析算例与分析
• 2.2.3 RPC板式轨道结构选型的研究方法
• 2.3 板式轨道的结构型式
• 2.4 受力性能分析
• 2.4.1 仿真分析模型的建立
• 2.4.2 不同荷载工况的比较
• 2.4.3 静力性能分析
• 2.4.4 动力特性分析
• 2.5 其它方面
• 2.5.1 经济性能
• 2.5.2 工艺性能
• 2.5.3 造型
• 2.6 小结
• 第三章 RPC板式轨道的设计原则与参数分析
• 3.1 引言
• 3.2 RPC框架型板式轨道结构结构的设计原则和设计参数
• 3.2.1 普通无碴轨道结构设计的基本原则
• 3.2.2 RPC板式轨道结构设计的基本原则
• 3.2.3 RPC板式轨道的设计参数
• 3.3 轨道板的设计尺寸
• 3.3.1 设计原则
• 3.3.2 轨道板长度
• 3.3.3 轨道板宽度
• 3.3.4 轨道板厚度
• 3.3.5 轨道板框架
• 3.3.6 变厚度框架型轨道板的设计图
• 3.4 CA砂浆垫层
• 3.4.1 CA砂性能指标
• 3.4.2 CA砂浆垫层厚度
• 3.4.3 CA砂浆垫层刚度
• 3.5 扣件
• 3.5.1 无碴轨道扣件设计原则
• 3.5.2 扣件刚度
• 3.5.3 扣件间距
• 3.5.4 扣件阻尼
• 3.6 混凝土底座
• 3.7 凸形挡台
• 3.8 小结
• 第四章 RPC框架型板式轨道的设计与计算
• 4.1 引言
• 4.2 RPC框架型轨道板的计算模型
• 4.2.1 RPC轨道板的荷载影响范围
• 4.2.2 框架型轨道板的力学分析模型
• 4.3 RPC轨道板的破坏模式
• 4.3.1 RPC材料特性
• 4.3.2 无配筋RPC构件的试验及结论
• 4.3.3 RPC轨道板破坏过程的仿真模拟
• 4.3.4 预应力RPC梁的破坏模式
• 4.3.5 RPC轨道板的破坏模式
• 4.4 RPC框架型轨道板的承载力计算
• 4.5 RPC框架型板式轨道结构的设计与计算
• 4.5.1 普通板式轨道结构的设计方法
• 4.5.2 RPC框架型板式轨道结构的计算模型
• 4.5.3 RPC框架型板式轨道结构的静力计算
• 4.5.4 RPC框架型板式轨道结构的动力性能计算
• 4.6 小结
• 第五章 桥上RPC框架型板式轨道的动力性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 动力系统运动方程的建立
• 5.2.1 利用d'Alembert原理的直接平衡法
• 5.2.2 虚位移原理
• 5.2.3 Hamilton原理
• 5.2.4 Lagrange方程
• 5.2.5 弹性系统动力学总势能不变值原理
• 5.2.6 不同方法的比较
• 5.3 桥上RPC框架型板式轨道的动力学计算模型
• 5.3.1 桥上板式轨道的动力性能研究现状
• 5.3.2 桥上RPC框架型板式轨道的计算模型
• 5.4 桥上RPC框架型板式轨道动力学方程的建立与求解
• 5.4.1 单元划分和梁单元形函数
• 5.4.2 系统参数计算
• 5.4.3 求解方程组
• 5.4.4 验证
• 5.5 桥上RPC框架型板式轨道的动力性能
• 5.5.1 车辆荷载的简化
• 5.5.2 动力性能指标
• 5.5.3 实例分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文主要结论
• 6.2 对后续工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集