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原文传递高速铁路无砟轨道空间精细化分析方法及其应用研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道空间精细化分析方法及其应用研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道;空间设计;预应力检算;精细化分析
摘要：	无砟轨道由于其诸多优点，成为近年来我国高速铁路最主要的轨道型式。我国高速铁路建造规模大，建设周期短，无砟轨道在设计施工等方面积累经验较少，对复杂条件下的无砟轨道服役性能研究也较为匮乏。目前，国内多条高铁线路运营后出现了一定程度的病害。　　本文从无砟轨道设计理念出发，通过设计及检算方法的创新、细部参数现场试验等手段，提出了无砟轨道精细化分析模型并将其应用于无砟轨道设计、检算及病害分析过程中。精细化分析模型主要由无砟轨道空间设计模型、预应力配筋检算模型及精细化层间病害分析模型构成。总而言之，本文的研究工作汇总如下: 　　(1)精细化建模过程中所需的主体参数整理及细部参数的现场试验研究工作。　　对目前有着广泛应用的板式无砟轨道既有结构尺寸、材料等参数进行了梳理，确立了多种类型无砟轨道的细部参数。　　针对精细化建模所需要的滑动层摩擦系数、底座与基床表层粘结性能、销钉限位能力等多项细部参数进行了现场测试方法设计，开展了多项细部参数的现场测试，获取了大量细部参数，为无砟轨道精细化分析模型的建立奠定了参数基础。　　(2)无砟轨道空间设计模型研究及无砟轨道空间设计方法的应用研究工作。　　利用精细化分析理念，建立了无砟轨道空间实体设计模型，考虑了无砟轨道各层的实体单元效应及层间接触方式、限位方式等大量细部参数。通过软件二次开发实现了空间模型内力及弯矩的快速、准确提取，对内力提取方法进行了理论验证，该方法为无砟轨道空间实体设计方法的实现提供了工具。　　以典型的多层无砟轨道体系-CRTSⅡ型板式无砟轨道为例，对梁-板-板分析模型与本文所建立的空间分析模型进行了对比，并对梁-板-板分析模型无法分析的单元板式无砟轨道在温梯荷载下的翘曲变形特性及温梯下的内力进行了研究，从而说明空间设计模型的可靠性及优势。利用所建立的空间设计模型，对纵连式无砟轨道在过渡段处的纵向传力体系进行了细致的分析，对过渡段无砟轨道设置方式给出了相关建议。　　(3)无砟轨道预应力检算模型研究及无砟轨道预应力检算及预应力筋破坏影响评估等研究工作。　　在精细化无砟轨道分析模型中引入预应力配筋，对预应力配筋检算模型建模方法进行了介绍，并对施加预应力后无砟轨道预压力状况与设计值进行了对比，验证了本文所建立的预应力配筋模型的可靠性。对目前大范围推广的CRTSⅢ型板式无砟轨道在预应力荷载下的受力与变形特性进行了细致的分析，并对预应力配筋荷载与车辆、温度等荷载耦合状况下的无砟轨道的受力与变形特性进行了研究。　　针对目前CRTSⅠ型板式无砟轨道运营过程中所发现的预应力筋破坏现象，对CRTSⅠ型板式无砟轨道不同预应力筋破坏下的轨道板附加荷载效应及对层间应力的影响进行了评估。　　(4)无砟轨道精细化层间病害分析模型研究及砂浆层-轨道板间离缝、底座板-基床表层间离缝产生及演变机理研究工作。　　针对目前无砟轨道病害多发生于层间的特点，建立了能够模拟层间离缝产生及演变过程的精细化层间病害分析模型，能够实现对无砟轨道层间离缝进行精确的模拟，利用单轨枕顶推破坏试验对所建立的病害分析模型进行了验证，说明模型的可靠性。　　利用本文所建立的CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层-轨道板间离缝病害分析模型，对不同层间粘结强度下离缝随温度梯度的发展规律进行了研究，得出了不同层间粘结强度下层间离缝开始产生及离缝贯通的临界温度梯度，并对层间离缝深度演变过程进行了分析，从而对层间离缝产生及演变规律进行了细致的研究，根据目前温度梯度相关规定，对层间粘结强度的设计范围给出了合理的建议。　　利用本文所建立的CRTSⅡ型板式无砟轨道支承层-基床表层离缝病害分析模型，对不同粘结强度下支承层下离缝随基础变形的发展关系进行了研究，分别对单波余弦式沉降和半波余弦式阶梯沉降变形下层间初始离缝和贯通离缝时沉降幅值进行了研究，从而给出了支承层与基床表层间粘结强度的设计建议。　　本文所提出的精细化分析理念，对推动我国无砟轨道设计、检算方法发展及提升无砟轨道设计精度有着较大的帮助，文中通过现场试验所获取的细部参数也可为今后无砟轨道设计提供参数依据。精细化层间病害分析模型也将成为无砟轨道病害机理及演变规律研究的可靠的工具，从而为无砟轨道病害的整治提供理论依据。总体而言，本文的所提出的精细化空间分析方法将为今后无砟轨道体系的不断发展与优化提供一种崭新的思路与方法。
作者：	赵磊
专业：	道路与铁道工程
导师：	高亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文