【博士】基于斷裂和損傷力學(xué)的無砟軌道靜動(dòng)力特性研究【2009】

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　　學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定和少維修等一系列優(yōu)點(diǎn)成為高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)型式。由鋼筋混凝土組成的無砟軌道主體結(jié)構(gòu)受列車荷載及溫度等因素的影響，開裂難以避免，而采用理想彈性梁或板來模擬軌道主體結(jié)構(gòu)不能完全反映其實(shí)際受力狀態(tài)。本文在國(guó)內(nèi)外無砟軌道靜、動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，將斷裂力學(xué)、輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、損傷力學(xué)和有限單元法相結(jié)合，對(duì)含裂紋的無砟軌道靜、動(dòng)力特性進(jìn)行探索性研究。主要研究工作如下：　　(1)無砟軌道主體結(jié)構(gòu)損傷類型分析　　對(duì)我國(guó)首條無砟軌道試驗(yàn)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查，分別對(duì)單元板式、雙塊式和縱連板式軌道主體結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了分類，總結(jié)了無砟軌道主體結(jié)構(gòu)損傷的主要特征和規(guī)律，并對(duì)裂紋損傷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。　　(2)初步建立基于斷裂力學(xué)的無砟軌道空間有限元分析方法　　根據(jù)無砟軌道的結(jié)構(gòu)特征，基于線彈性斷裂力學(xué)理論，采用有限單元法建立了含裂紋的無砟軌道空間有限元模型。其中鋼軌以Euler梁模擬，道床混凝土以20節(jié)點(diǎn)六面體等參元模擬，道床鋼筋以桿單元模擬，同時(shí)考慮了鋼筋對(duì)道床裂紋張開的約束，構(gòu)造20節(jié)點(diǎn)六面體奇異等參單元反映裂紋尖端奇異。給出了模型的實(shí)現(xiàn)方法，編制了計(jì)算程序，并結(jié)合已有的結(jié)果對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。　　(3)列車荷載下含裂紋無砟軌道受力　　首先給出了列車荷載下無裂紋無砟軌道的受力，然后計(jì)算了相同條件下道床底面20mm等深裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開量、裂紋處鋼筋應(yīng)力；分析了裂紋深度、裂紋位置和列車荷載位置對(duì)裂紋特征參數(shù)的影響；最后，根據(jù)混凝土斷裂韌度，對(duì)常規(guī)列車荷載下道床裂紋穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，道床裂紋對(duì)無砟軌道整體受力與變形影響不大，鋼筋對(duì)裂紋擴(kuò)展有明顯限制作用，道床裂紋因常規(guī)列車荷載明顯擴(kuò)展的可能性不大，裂紋處道床下層縱向鋼筋應(yīng)力發(fā)生突變且隨裂紋深度的增大快速增加，道床中部裂紋對(duì)其受力最為不利，列車荷載作用下的道床底面等深裂紋基本屬于張開型裂紋?！　。?)溫度梯度下含裂紋無砟軌道受力　　、對(duì)具有道床項(xiàng)面等深裂紋的雙塊式軌道在溫度梯度作用下的受力進(jìn)行了分析，給出了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開量、裂紋處鋼筋應(yīng)力；分析了裂紋深度、裂紋位置及溫度梯度大小等因素對(duì)裂紋特征參數(shù)的影響：最后，對(duì)負(fù)溫度梯度作用下道床頂面裂紋穩(wěn)定度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，溫度梯度作用下道床鋼筋對(duì)裂紋擴(kuò)展的限制作用不明顯，道床裂紋因溫度梯度影響存在明顯擴(kuò)展的可能性，裂紋處道床上層鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)突變，且隨溫度梯度和裂紋深度的增大而快速增加，裂紋出現(xiàn)在道床中部時(shí)對(duì)其受力最為不利?！　?5)考慮裂紋的無砟軌道動(dòng)力分析　　根據(jù)雙塊式軌道道床裂紋特點(diǎn)，引入損傷函數(shù)描述道床裂紋，基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立考慮道床裂紋的“車輛．無砟軌道”耦合振動(dòng)分析方法，給出了考慮道床裂紋的無砟軌道振動(dòng)響應(yīng)，分析了車輛速度及裂紋位置對(duì)無砟軌道振動(dòng)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，道床裂紋對(duì)車輛和鋼軌的動(dòng)力響應(yīng)影響很小，而對(duì)道床本身及其下部結(jié)構(gòu)有一定影響；道床動(dòng)彎應(yīng)力和路基面動(dòng)應(yīng)力隨車輛速度的增大而增大，道床中部裂紋對(duì)道床動(dòng)彎應(yīng)力和路基面動(dòng)應(yīng)力的影響更為明顯。’　　

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