【博士】基于斷裂和損傷力學(xué)的無砟軌道靜動力特性研究【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)不能完全反映其實際受力狀態(tài)。本文在國內(nèi)外無砟軌道靜、動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，將斷裂力學(xué)、輪軌系統(tǒng)動力學(xué)、損傷力學(xué)和有限單元法相結(jié)合，對含裂紋的無砟軌道靜、動力特性進行探索性研究。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　　對我國首條無砟軌道試驗段進行了現(xiàn)場跟蹤調(diào)查，分別對單元板式、雙塊式和縱連板式軌道主體結(jié)構(gòu)損傷進行了分類，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，并對裂紋損傷產(chǎn)生的原因進行分析?！　?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)點六面體等參元模擬，道床鋼筋以桿單元模擬，同時考慮了鋼筋對道床裂紋張開的約束，構(gòu)造20節(jié)點六面體奇異等參單元反映裂紋尖端奇異。給出了模型的實現(xiàn)方法，編制了計算程序，并結(jié)合已有的結(jié)果對計算方法進行了驗證。　　(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，然后計算了相同條件下道床底面20mm等深裂紋尖端的應(yīng)力場、應(yīng)力強度因子、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裂紋特征參數(shù)的影響；最后，根據(jù)混凝土斷裂韌度，對常規(guī)列車荷載下道床裂紋穩(wěn)定度進行評價。結(jié)果表明，道床裂紋對無砟軌道整體受力與變形影響不大，鋼筋對裂紋擴展有明顯限制作用，道床裂紋因常規(guī)列車荷載明顯擴展的可能性不大，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　　、對具有道床項面等深裂紋的雙塊式軌道在溫度梯度作用下的受力進行了分析，給出了裂紋尖端的應(yīng)力強度因子、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裂紋特征參數(shù)的影響：最后，對負溫度梯度作用下道床頂面裂紋穩(wěn)定度進行了評價。結(jié)果表明，溫度梯度作用下道床鋼筋對裂紋擴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)在道床中部時對其受力最為不利。　　(5)考慮裂紋的無砟軌道動力分析　　根據(jù)雙塊式軌道道床裂紋特點，引入損傷函數(shù)描述道床裂紋，基于輪軌系統(tǒng)動力學(xué)理論，建立考慮道床裂紋的“車輛．無砟軌道”耦合振動分析方法，給出了考慮道床裂紋的無砟軌道振動響應(yīng)，分析了車輛速度及裂紋位置對無砟軌道振動響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，道床裂紋對車輛和鋼軌的動力響應(yīng)影響很小，而對道床本身及其下部結(jié)構(gòu)有一定影響；道床動彎應(yīng)力和路基面動應(yīng)力隨車輛速度的增大而增大，道床中部裂紋對道床動彎應(yīng)力和路基面動應(yīng)力的影響更為明顯?！　?

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