道床板钢筋锈蚀的细观力学影响

为探究钢筋锈蚀对双块式无砟轨道道床板混凝土的影响,建立了道床板混凝土细观尺度力学模型,研究了钢筋锈蚀时不同钢筋直径、间距、保护层厚度的道床板受力性能及损伤破坏模式,分析了列车荷载和温度荷载对锈胀钢筋混凝土道床板力学性能的影响. 研究结果表明:钢筋锈蚀引起的道床板开裂模式主要与钢筋保护层厚度有关,与钢筋直径和间距关系小;道床板内部裂缝贯通时的锈胀位移随着钢筋间距的增大而增大,当保护层厚度为60 mm,钢筋间距为120 mm时,61.2 μm的钢筋锈胀位移就会引起道床板内部裂缝贯通;列车荷载对锈蚀后的道床板损伤影响小,且会使道床板受力趋于均匀;整体降温30 ℃和负温度梯度荷载均会使锈胀道床板拉伸损伤进一步明显增大,在道床板水平及垂向产生贯通裂缝;整体升温30 ℃和正温度梯度荷载作用对锈胀道床板损伤影响小.      

连续道床板裂纹计算方法及影响因素

为研究双块式无砟轨道连续配筋道床板裂纹扩展的机理,基于钢筋混凝土粘结-滑移理论,建立了适用于连续配筋混凝土道床板裂纹扩展的计算模型.依据该模型计算了道床板裂纹宽度和间距,分析了道床板配筋率、纵向钢筋直径和混凝土强度对裂纹宽度、间距及钢筋应力的影响.分析结果表明:钢筋直径和配筋率直接影响裂纹间距,裂纹间距随钢筋直径增大而增大,随配筋率增大而减小;混凝土抗拉强度、配筋率和钢筋直径是裂纹宽度的主要影响因素,裂纹宽度随混凝土强度和钢筋直径增大而增大,随配筋率增大而减小;裂纹截面处纵筋应力不应超过其抗拉强度,配筋率和混凝土抗拉强度是决定钢筋应力大小的关键因素.     

单元双块式无砟轨道道床板长度的确定

为确定双块式无砟轨道道床板的合理单元长度,采用数值模拟的方法分析了列车荷载、纵、横向荷载、温度力、温度梯度作用下不同单元长度轨道结构的应力、应变响应;在此基础上,计算了不同长度单元板的裂缝宽度及所需的最小配筋率.现场试验结果表明:单元板长度越大,内部应力、板端位移量和板中裂缝宽度越大,满足裂缝宽度限值的配筋率越大;单元双块式无砟轨道板的长度宜小于8.0 m,推荐兰新二线采用长6.5 m的单元双块式无砟轨道道床板.      

列车荷载下考虑道床裂纹的无砟轨道受力特性

为研究道床裂纹对无砟轨道受力的影响,根据道床裂纹的特点,基于线弹性断裂力学理论,构造20节点六面体奇异等参单元反映裂纹尖端奇异,建立含裂纹的无砟轨道空间有限元模型,分析无砟轨道的受力特性.结果表明:道床裂纹对钢轨和道床板垂向位移影响较小,对道床板中上部混凝土及钢筋受力的影响不明显,道床下层钢筋应力在裂纹处发生突变,静态和动态裂纹宽度基本相同;对于道床底面60 mm等深裂纹,在列车荷载作用下,裂纹处钢筋应力增大为未开裂时的2倍左右,裂纹张开0.017 mm.     

桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的理论研究

为获得服役期间桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论,考虑无砟轨道钢筋与混凝土的相互作用、无砟轨道混凝土的开裂与闭合效应、无砟轨道荷载的共同作用和时变特性,分别建立和验证了桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型、多尺度高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型、纵连板式无砟轨道-桥梁-桥梁墩台纵向相互作用模型,并在此基础上,提出了桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论.研究结果表明:利用提出的疲劳应力谱计算理论可得到服役期间桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线及疲劳应力谱;考虑多种荷载工况,能深入探讨桥上纵连板式无砟轨道疲劳破坏机理和影响规律;计算理论可为丰富和完善我国无砟轨道设计理论提供重要依据.      

严寒地区连续式道床板裂缝性能的理论推算

为了研究严寒地区连续式道床板的裂缝性能及其影响因素,基于严寒地区连续式道床板的实际工作状态,修正了前人关于连续式道床板裂缝计算的假设条件和力学模型,并通过理论推算和试验验证提出了不同工况的连续式道床板裂缝性能计算方法,总结了连续式道床板的开裂规律及其裂缝性能随温度变化的发展趋势. 研究结果表明:连续式道床板的裂缝性能与温降幅值和相邻裂缝间距密切相关,连续式道床板在温降5 ℃左右将产生集中批量式的首次开裂现象,道床板的固定区长度随着温降幅值的增大将随即降低至0,道床板的二次开裂则以单一零星的方式呈现,且相邻裂缝间距越小,其间道床板二次开裂对应的温降幅值越大,试验表明相邻裂缝间距小于3.25 m时,其间道床板在温降幅值小于37 ℃的地区将不会产生二次开裂现象;单一裂缝的产生仅对其左右滑动区范围内轨道结构力学性能有影响,若新老裂缝的滑动区部分相重叠,则新裂缝的产生将引起相邻既有裂缝钢筋应力和裂缝宽度幅值的突降.      

CRTSⅠ型双块式无砟轨道冬季温度场试验

为探讨无砟轨道结构温度场分布,通过对成都地区CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构冬季温度场监测,分析了不同天气轨道结构温度场的变化规律.基于数理统计方法,提出了成都地区双块式轨道道床板冬季垂向温度荷载模式.研究结果表明:道床板昼夜温度变化较大,支承层温度变化较小,道床板表面最大温差17.50 ℃,支承层底面最大温差0.35 ℃;随深度增大,温度变化幅值减小,道床板温度峰值滞后于气温峰值;轨道结构最大正温差出现在14:30左右,最大负温差出现在约08:00;道床板温度沿深度呈指数函数关系.      

连续配筋混凝土路面纵向钢筋荷载疲劳断裂分析

采用ANSYS非线性有限元程序,分析标准轴载作用下连续配筋混凝土路面横向开裂稳定后裂缝处纵向钢筋的塑性应变,并利用损伤理论及屈服准则推导重复荷载作用下裂缝处纵向钢筋断裂的疲劳公式,具有一定的理论和现实意义。     

无砟轨道温度简便计算及极端天气影响分析

为了研究无砟轨道的温度特性,分析道床板与环境的换热机理,开展了无砟轨道温度监测试验.运用频谱方法,研究了气象因素与道床板温度间的关系;基于热力学原理和试验研究,反演道床板材料热工参数,建立了道床板温度的简便计算方法,并对其计算精度进行评价;探讨了太阳辐射、风、大气温度等对道床板温度的影响,分析了极端天气下道床板的温度特性.研究结果表明:本文方法能够有效计算无砟轨道道床板温度,误差在0.4~3.0℃之间,具有较高精度和实用性;道床板导温系数宜取为0.004 3 m2/h;平均气温和太阳辐射主要决定整体温度,气温振幅对温度梯度有较大影响;风力等级达到4级以上时,板面温度近似为等效气温;极端天气下,道床板下表面温度可能达到50℃,温度梯度达到110℃/m.     

基于综合指数法的无砟轨道配筋方案检算与分析

为优化无砟轨道配筋后结构受力的均衡性,基于综合指数法提出了轨道配筋检算评估方法,选取形状改变能密度与高斯曲率作为评价分量构造了量化的配筋检算指标;建立了无砟轨道配筋检算有限元模型,以CRTSⅢ型普通板式无砟轨道板配筋为例,研究了不同钢筋排布方式对无砟轨道板整体受力性能的影响. 研究结果表明:相较传统应力变形指标,构建的综合指数指标能够凸显轨道板的不均匀受力区域;配筋时在轨下位置额外密布钢筋能够提升轨道板抵抗垂向车辆荷载的能力;局部配筋过于集中的方案会降低轨道板适应温度荷载的能力;在升温荷载作用下其轨道板端部的综合指数较最优工况时至少增大了1倍;综合来看,钢筋直径较大、排列稀疏的方案受力均衡性较差,无砟轨道板应选择钢筋直径较小、排列密布且轨下位置适当加密的配筋方案.      

新型装配式倒T形空心板桥受力性能

为解决现有装配式空心板桥的铰缝病害, 提出了一种新型装配式倒T形空心板桥; 进行了跨径8 m的倒T形空心板桥足尺模型试验和非线性有限元分析, 研究了车辆荷载作用下倒T形空心板桥各组成构件的应力、挠度和裂缝分布等, 得到了倒T形空心板桥的受力机理与破坏模式; 对比了倒T形空心板桥与带门式钢筋空心板桥的受力性能, 验证了倒T形空心板解决铰缝开裂问题的有效性。研究结果表明: 倒T形空心板桥的破坏过程分为弹性阶段、空心板开裂阶段、现浇结构层混凝土开裂阶段和受拉钢筋与钢板屈服阶段, 其整体受力性能良好, 极限荷载是带门式钢筋空心板桥的1.4倍; Ω形钢板上方受拉区混凝土首先达到拉应力限值3.17 MPa, 是受力薄弱部位; 由于Ω形和L形钢板的设置, 现浇结构层混凝土开裂时, 与结构层等高度的各结合面处的法向和切向黏结应力均不会超过限值2.30和0.29 MPa, 避免了结合面的黏结失效; 与带门式钢筋的空心板桥相比, 倒T形空心板构造不会减小空心板的开裂荷载, 且新旧混凝土结合面开裂在空心板开裂之后, 可从根本上解决传统空心板桥在车辆荷载作用下铰缝先于空心板开裂的问题。      

冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响

以哈大高速铁路路基冻胀区板式无砟轨道为研究对象,开展了快速冻融循环作用下C60、C40混凝土和砂浆材料标准立方体试件轴心受压和劈裂抗拉破坏试验,研究了冻融循环作用下材料性能劣化规律;在此基础上,建立了考虑限位凸台、环形树脂和层间黏结接触性能的CRTS Ⅰ板式无砟轨道-路基冻胀冻融空间有限元模型,研究了冻融损伤后轨道的静力特性,揭示了底座板的受力状态与损伤特征。研究结果表明:提高混凝土强度等级可显著减缓冻融循环对材料的劣化剥蚀作用,冻融循环加剧会导致结构界面接触状态显著恶化;随着冻融循环作用次数的增加,砂浆层和底座板材料性能劣化显著,弹性模量、层间黏结强度和轴心抗拉强度均大幅减小;与未冻融工况相比,300次冻融循环后,C60、C40混凝土和砂浆的峰值抗压强度降幅分别为14.7%、34.6%和29.9%,C60混凝土与砂浆胶结界面轴心抗拉强度降幅达到90.6%,C60、C40混凝土和砂浆轴心抗拉强度降幅均超过56%;在典型冻胀条件(冻胀波长为10 m,冻胀峰值为8 mm)下,冻胀中心处轨道各结构层上表面均受最大拉应力,在冻胀波脚处出现最大压应力;随着冻融循环次数的增加,轨道板和底座板所受最大拉应力亦不断增加。可见,在设计寒区板式无砟轨道时,底座板为主要控制性构件,底座板中部冻胀为最不利工况。      

组合梁斜拉桥索梁锚固区桥面板斜向开裂机理与配筋设计方法

为揭示组合梁斜拉桥在悬拼施工时,索梁锚固区斜向裂缝的开裂机理,从实际受力状态出发,分析了该区域桥面板剪应力和正应力的分布特点,并结合应力莫尔圆理论给出了裂缝成因及其形态特征;基于相关规范及桁架模型,提出了斜向配筋和L形配筋设计的抗裂措施;通过台州湾跨海大桥实例分析,验证了锚固区桥面板的应力分布特点与配筋方法的有效性。研究结果表明:悬拼施工时,锚固区桥面板的面内剪应力主要由拉索索力的竖向分力和水平分力提供,纵、横桥向正应力主要由吊重荷载引起的斜拉桥整体弯矩、拉索索力增加引起的局部负弯矩和局部承压提供;纵桥向正应力的增加是引起索梁锚固区主拉应力变大的主要原因,当主拉应力大于混凝土抗拉强度时,桥面板存在较大的斜向开裂风险;考虑到局部承压的作用,裂缝一般首先出现在索梁锚固点附近的桥面板顶部;当逐渐远离锚固区时,局部负弯矩及局部承压影响减小,桥面板顶板正应力减小,主拉应力减小,裂缝的发展方向与纵桥向夹角逐渐减小,同时,桥面板底板正应力由压应力变成拉应力,主拉应力增大,裂缝产生贯通的可能性增大;基于混凝土板斜向开裂的桁架模型,对索梁锚固区配置L形抗裂钢筋,顶板最大主拉应力降低了1.26 MPa,其中,纵桥向正应力最大可减小0.91 MPa,面内剪应力可减小0.50 MPa,即配置抗裂钢筋能够达到一定的抗弯和抗剪的效果。      

CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验

为了研究列车疲劳荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横向受力性能,采用实际工程施工现场的材料及施工工艺,利用足尺模型,切割制作6个单承轨台或双承轨台的板式无砟轨道试件,进行橡胶板模拟路基上板式无砟轨道结构的横向弯曲疲劳试验,得出列车疲劳荷载引起的横向弯矩作用下板式轨道试件的应力、变形分布规律及疲劳损伤的发展形态.试验结果表明,在15.0~255.0 kN和42.5~425.0 kN疲劳荷载作用下,模拟路基上单承轨台和双承轨台的试件板中位置轨道板上表面先出现纵向裂缝,随后轨道板横向预应力筋锚固端出现由锚头向轨道板上表面的劈裂裂缝,累计疲劳500万次后,三点弯曲模式下轨道板-充填层复合板试件的自密实混凝土开裂荷载和层间滑移荷载分别减小20%~30%和25%以上,疲劳损伤、层间离缝对轨道板与充填层的协同工作性能有不利影响.      

混凝土箱梁桥底板线型对纵向裂缝的影响分析

对混凝土箱梁桥在合龙束作用下可能产生的底板纵向开裂现象进行了分析,从理论层面阐述了这种现象的力学机理。同时以1座预应力混凝土连续梁桥和1座预应力混凝土连续刚构桥为例,通过改变其底板线形,分析不同底板线形的底板受力情况,提出了避免跨中箱梁底板纵向开裂的建议,为类似桥梁设计提供参考。     

轴压力对钢筋混凝土悬臂柱水平侧移的影响

根据现行规范给出的预应力混凝土受弯构件短期刚度公式和普通受弯构件短期刚度公式,推导出了有轴力作用下和无轴力作用下的悬臂柱开裂弯矩、开裂前截面刚度和开裂后截面刚度的计算公式;在对钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比、截面配筋率、截面有效高度和整截面高度比以及轴力大小等可影响轴力作用的一些参数因素进行分析的同时,得到这些因素对轴力作用的影响程度以及各因素间互相作用或制约的影响关系等定性规律。最后,通过悬臂柱的算例可发现,有些情况下,轴力对构件或结构的侧移可产生明显的有利影响。     

PP-ECC梁抗弯性能试验研究

为研究聚丙烯纤维水泥基复合材料（PP-ECC）梁与普通钢筋混凝土梁在弯曲荷载作用下力学性能的差异,通过四点弯曲加载,对PP-ECC梁的抗弯性能进行了试验探究. 对PP-ECC梁的弯曲破坏过程进行了阶段划分;基于计算假定和简化后的PP-ECC本构模型推导出PP-ECC梁各阶段的理论临界荷载;通过试验结果对计算模型进行验证,并对比相同配筋率下PP-ECC梁与普通钢筋混凝土梁在抗弯承载力、裂缝发展形态、跨中最大变形以及延性等方面的差异. 研究结果表明:受拉区PP-ECC材料开裂之后并不退出工作而是协同受拉钢筋参与全截面受力;使用简化本构模型计算的PP-ECC梁理论抗弯承载力计算模型精度达到0.83～1.17,具备较良好的精度;PP-ECC梁在达到极限状态时,受拉区呈多裂缝稳态发展,在达到80%极限承载力时,最大裂缝宽度小于0.2 mm;相同配筋率下,PP-ECC梁在每一加载级别的变形、跨中最大变形以及位移延性系数均高于普通钢筋混凝土梁（跨中最大变形和位移延性系数平均提高71.39%和42.84%）,并且随着配筋率的提高,跨中最大变形和位移延性系数下降;配筋率相同时,PP-ECC梁的极限抗弯承载力较普通钢筋混凝土梁平均提高6.09%.