铁路高填方箱型路堤结构受力机理与计算方法研究

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箱型路堤结构整体上由下部的中空钢筋混凝土箱型体和上部的道床结构组成,是一种新型路基结构,具有占地面积小、自重低、整体刚度大、强度高等优点,适于用地受限、填方高度较大、地基较为软弱等条件。然而,相关设计计算理论尚不成熟。本文针对铁路高填方箱型路堤结构,依托孟加拉帕德拉玛大桥铁路连接线工程,采用数值模拟、结构力学分析方法、弹性地基梁理论等手段,研究箱型路堤结构竖向荷载传递机制,并建立结构的理论计算方法,以及讨论主要因素对结构内力影响特征及结构优化选型。得到主要研究结果如下:(1)揭示了箱型路堤结构竖向荷载传递机制。在线上荷载及结构自重作用下,箱型结构顶板直接受力,向下传递到腹板及中隔板,再向下传递到基础板,进而在基础板底面产生基底压应力,传递到地基中。在此上部结构-基础板-地基三位一体的荷载竖向传递过程中,箱型结构各构件产生内力和位移,由于箱型结构整体刚度大,各构件传力性能良好,内力传递具有左右对称特征。箱型路堤结构两腹板与基础板结点处竖向应力由外向内呈非均匀分布,普通式内侧、中隔板式外侧分别最大,可近似取为4段均布模式。(2)建立了考虑上部结构-基础-地基共同作用的箱型路堤结构理论分析方法。对于单线、双线铁路箱型路堤结构,将箱型结构拆分为上部框架结构和下部基础板,且考虑结构自重影响;上部结构采用结构力学计算方法,基础板采用Winkler弹性地基梁计算方法,中隔板、腹板与基础板结点处采用分段均布压力模式;其间充分考虑上部结构与基础板的变形协调,将基础板的位移作为支座位移引入上部结构分析中。实例分析表明,对于单、双线铁路普通式与中隔板式箱型路堤结构,基础板跨中最大弯矩的理论计算与FLAC3D数值模拟结果相对偏差约分别为5%、13.5%、1%、29%,理论计算值一般偏小。(3)确定了主要构件厚度对于单线、双线普通箱型路堤结构内力的影响特征。对于普通式结构,随着顶板与基础板厚度的增大,顶板与基础板最大弯矩分别呈非线性及线性增大,而中隔板式顶板弯矩变化很小,基础板最大弯矩呈线性减小。随着腹板厚度的增大,普通式与中隔板式基础板最大弯矩分别呈线性增大与减小。随着中隔板厚度的增大,基础板最大弯矩呈线性增大。实例分析表明,中隔板式箱型结构顶板、基础板跨中最大弯矩约为普通箱型结构的25%,对箱型结构受力有显著改善作用。(4)给出了总高为12m的箱型路堤结构的优化型式。对于单线、双线普通式,顶板、基础板、腹板厚度分别为1.1m、1.2m、0.9m和1.2m、1.2m、0.9m。对于单线、双线中隔板式,顶板、基础板、腹板、中隔板厚度分别为0.9m、1.0m、0.8m、0.8m和1.0m、1.1m、0.8m、0.8m。本文在箱型路堤结构理论分析方法、主要因素对结构内力影响特征及结构优化选型方面的研究成果,可为实际工程提供科学依据与参考,具有重要的理论意义与应用价值。
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