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无砟轨道道床板混凝土断裂参数研究

作　者: 张艳锋
导　师: 胡晓波
学　校: 中南大学
专　业: 土木工程
关键词: 道床板混凝土混凝土断裂力学断裂参数断裂能
分类号: U214.18
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

双块式无砟轨道是国内外高速铁路应用范围最广泛的结构形式之一,已经在武广郑西等客运专线中得到了实际的工程应用。道床板是双块式无砟轨道的重要组成部分。实际调研发现道床板混凝土开裂现象在某些路段较为严重,其裂缝宽度和间距超过现行技术条件要求,严重影响了无砟轨道的工程质量,降低了其使用寿命,并造成了一定的安全隐患。影响道床板连续浇筑混凝土开裂的因素众多,各阶段裂缝形成机理也不尽相同。道床板开裂形成裂缝属于断裂力学中Ⅰ型断裂情况,混凝土原生的和受损而形成的微裂纹在多种因素综合形成的应力场作用下不断扩展、交汇并贯通,最终形成了肉眼可见的宏观裂缝,而有的宏观裂缝也会不断扩展,可能会形成道床板的横向贯通裂缝,造成断裂。本文基于修正了的线弹性断裂力学结合相关的断裂试验,对道床板混凝土的断裂参数进行了相关研究,分析探究了断裂参数的计算方法,并对断裂参数的材料特性进行了相关的分析,从而为道床板的抗裂优化设计及其养护维修提供设计依据和理论基础。为此,本文主要研究内容及成果如下：1.在Hillemeier和Hilsdorf等学者的研究基础上,结合本校的实验室条件自行设计了楔入式拉伸的断裂试验方法,可以对断裂试件实现较为平稳的断裂过程,数据采集可实现多通道精准同步且数据量丰富。2.通过断裂试验观察了混凝土断裂过程中预制裂缝逐步扩展直至试件断裂的全过程,实测的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线形式表明混凝土断裂是一个典型的非线性过程；从该曲线上确定了断裂的峰值荷载和裂缝口极限张开位移。同时布置在裂缝口尖端两侧的应变片可心监测到试件的起裂荷载,该方法简单可行。3.通过试验实测的相关数据结合双K断裂理论计算出了起裂韧度和断裂韧度的试验解。本文还探讨了通过混凝土本构关系得出起裂韧度的解析解,结果发现解析解要比试验解偏大。4.实测的P-CMOD尾部不够完整,为了求解曲线包围面积,对P-CMOD曲线的尾部采用幂函数进行了拟合,选取拟合的局部曲线拟合相关达99%。对整体曲线进行了分部积分,从而求得完整的P-CMOD曲线包围面积,由此根据相关理论计算出了混凝土的断裂能大小。5.在基准混凝土配合比的基础上,通过改变胶凝材料和粗细骨料组成设计了四组不同的配合比(Cl-C4)。分析比较了四组不同混凝土的Pini、Pmax、CMODini、CMODC的变化特征。计算出了不同配合比混凝土的双K断裂参数,分析了断裂参数随龄期、强度等参数的变化特征并进行了相关的数值拟合。6.在分析了断裂能的单参数影响的基础上,本文根据量纲分析的方法提出了以立方体抗压强度fcu、骨料最大粒径dmax、水灰比w/c这三个参数为自变量的混凝土断裂能预测模型,通过多参数非线性的回归分析,得出该模型的关系式。7.通过综合的分析与计算,本文认为满足无砟轨道道床板施工和结构要求的混凝土的断裂参数主要分布在以下范围内：起裂韧度为0.01～0.10MPam1/2,失稳韧度为0.49～0.84MPam1/2,断裂能为230N/m～280 N/m,且断裂参数的值越大表明其混凝土抵抗裂缝扩展的能力越强,抗裂性能越好。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-22
  1.1 引言  9
  1.2 研究背景与意义  9-11
    1.2.1 研究背景  9-10
    1.2.2 研究意义  10-11
  1.3 道床板混凝土开裂现状调研及分析  11-14
    1.3.1 道床板开裂现状调研  11-13
    1.3.2 裂缝产生原因分析  13-14
  1.4 本文的理论基础  14-17
    1.4.1 混凝土断裂模型  15-17
    1.4.2 线性渐进叠加理论  17
  1.5 国内外研究概况  17-20
  1.6 研究内容及创新点  20-22
    1.6.1 主要研究内容  20
    1.6.2 创新点  20-22
第二章混凝土断裂参数试验设计  22-31
  2.1 断裂试验方法比较  22-24
  2.2 楔入式紧凑拉伸法原理  24-25
  2.3 断裂试件的制备  25-27
    2.3.1 试件尺寸的确定  25
    2.3.2 试模设计  25-26
    2.3.3 试件的前期处理  26-27
  2.4 断裂试验系统的组成  27-29
    2.4.1 加载装置  28
    2.4.2 传力装置  28-29
    2.4.3 数据采集装置  29
  2.5 试验步骤  29-31
第三章混凝土断裂参数分析与计算  31-43
  3.1 混凝土原材料  31-32
    3.1.1 原材料及相关性能  31-32
    3.1.2 混凝土基准配合比  32
  3.2 断裂过程中关键荷载  32-34
    3.2.1 峰值荷载  33
    3.2.2 起裂荷载  33-34
  3.3 双K断裂参数  34-38
    3.3.1 概述  34-36
    3.3.2 双K断裂参数计算结果  36
    3.3.3 起裂韧度的解析解  36-38
  3.4 断裂能  38-41
    3.4.1 断裂能概述  38
    3.4.2 计算原理与结果  38-41
  3.5 本章小结  41-43
第四章道床板混凝土断裂参数的材料特性分析  43-60
  4.1 道床板混凝土配合比及力学性能  43-47
    4.1.1 立方体抗压强度  43-44
    4.1.2 劈裂抗拉强度  44-45
    4.1.3 弹性模量  45-47
  4.2 断裂参数的材料特性分析  47-58
    4.2.1 断裂荷载与裂缝口张开位移  47-48
    4.2.2 断裂韧度  48-51
    4.2.3 断裂能  51-58
  4.3 本章小结  58-60
第五章结论与展望  60-64
  5.1 全文总结及主要结论  60-62
    5.1.1 断裂试验分析  60
    5.1.2 断裂参数分析与计算  60-61
    5.1.3 断裂参数的材料特性分析  61-62
  5.2 研究展望  62-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
攻读硕士学位期间主要的研究成果  69
攻读硕士学位期间参与的科研项目  69

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