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原文传递新型装配式混凝土轨道支柱力学及疲劳性能研究

论文题名：	新型装配式混凝土轨道支柱力学及疲劳性能研究
关键词：	架空轨道;支柱结构;装配式混凝土;损伤力学;裂缝扩展;疲劳性能
摘要：	地铁车辆基地检修库中，采用混凝土轨道支柱架空轨道的形式代替检查坑开展车底检修作业，有效解决了原检查坑存在的劳动强度大、作业效率低、工作环境差、穿行不便等问题，在地铁车辆基地中得到了普遍应用。混凝土轨道支柱有现浇和预制装配式两种形式，现浇混凝土轨道支柱存在施工质量差、精度低等问题，导致使用过程中在车辆进出库时产生的反复疲劳荷载作用下，部分支柱出现了开裂、剥落、露筋、预埋尼龙套管外露等病害，影响了地铁车辆在库内的运行安全和检修效率。装配式混凝土轨道支柱能够解决现浇过程中施工质量难以控制的问题，但目前国内外对混凝土轨道支柱的受力特性和破坏模式等基础理论方面的研究较少，特别是混凝土轨道支柱在车辆反复荷载作用下的裂缝产生和演化规律、轨道支柱疲劳应变发展规律等方面的研究相对匮乏。本文开展了装配式混凝土轨道支柱的纤维选型试验，比较三种纤维混凝土与普通混凝土的材料性能；自制三向疲劳试验机并开展疲劳试验，分析了轨道支柱在疲劳荷载下裂缝和应变发展规律；以损伤力学为基本框架，基于试验结果建立了纤维混凝土疲劳损伤本构关系；通过数值模拟分析了轨道支柱的疲劳受力特性。本文主要研究内容如下：　　（1）开展了聚丙烯纤维混凝土(PPFC)、钢纤维混凝土(SFC)、硫酸钙晶须混凝土(CSWC)基础力学性能和抗水渗透性试验研究，试验结果表明：PPFC、SFC、CSWC的抗压强度和弹性模量均高于普通混凝土，抗水渗透性明显优于普通混凝土，其中掺入CSW的性能改善作用最为显著，28天轴心抗压强度较普通混凝土增加24.44%，弹性模量提升5.68%，渗水高度下降56.52%。　　（2）设计并自制了三向疲劳荷载试验机，依托该试验机开展了装配式纤维混凝土轨道支柱的三向疲劳荷载试验，观察了轨道支柱在10万次三向荷载作用下的裂缝发展情况，三个轨道支柱在加载10万次后均未发生疲劳破坏；试件部分位置出现裂缝，裂缝位置基本相同，主要发生在柱身底部变截面处并逐渐沿着变截面的凹槽形状向外延伸；其中CSWC轨道支柱裂缝出现时间最晚，发展速度最为缓慢，裂缝宽度最小。依托《混凝土结构设计规范》给出的裂缝宽度验算公式，引入纤维阻裂系数，建立了考虑纤维阻裂作用的纤维混凝土轨道支柱裂缝宽度计算模型。　　（3）实测了10万次疲劳荷载下纤维混凝土轨道支柱的混凝土表面和内部钢筋应变变化，对比了不同纤维混凝土轨道支柱的应变发展规律：在10万次疲劳荷载作用下轨道支柱混凝土内部损伤逐渐发展，塑性应变不断累积，随加载次数增加应变信号均呈现出逐渐增大的趋势；三种纤维混凝土轨道支柱的混凝土应变增长趋势不同：PPFC轨道支柱的应变增长速率呈现出“增大-减小-增大”的变化趋势，SFC轨道支柱和CSWC轨道支柱呈现出“增大-减小”的变化趋势，表明SF和CSW的掺入有效延缓了轨道支柱混凝土的损伤发展。　　（4）建立了适用于装配式混凝土轨道支柱的纤维混凝土疲劳损伤本构关系：以损伤力学为基础，分析损伤因子演化和疲劳塑性累积，在现有的疲劳损伤因子中考虑纤维在混凝土材料中对损伤扩展效应和损伤愈合效应作用的影响，引入纤维混凝土损伤因子修正疲劳损伤硬化函数，基于试验结果拟合本构关系的参数，建立了适用于纤维混凝土的疲劳损伤本构关系，为其在数值模拟中的应用奠定基础。　　（5）采用ABAQUS有限元软件对装配式混凝土轨道支柱疲劳性能开展数值模拟分析，数值模拟计算得到的轨道支柱受力特征和应变发展规律与试验结果符合较好；对混凝土材料中的混凝土基体弹性模量和纤维弹性模量两个参数进行讨论，结果表明：当纤维弹性模量在0GPa~350GPa范围内，混凝土基体弹性模量在50GPa~75GPa范围内时，通过提高混凝土基体弹性模量、采用高强纤维能够有效改善轨道支柱的疲劳性能。
作者：	王雪艳
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘明辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023