【摘 要】
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框架结构是由梁板柱组成,多应用于工业与民用的建筑结构。由于框架结构能有效节约下部空间,有利于车场整体布局的优化,北京丰台站首次提出将框架结构应用于铁路双层车场,包含高架高速车场和地面普速车场。框架结构车场具有体积大、梁柱连接节点受力复杂等特点,结构的应力和变形对温度、不均匀沉降、列车荷载等复杂荷载较为敏感,进一步引起上方轨道结构的几何形位和应力发生复杂变化。然而,框架结构作为新型的铁路高架车场缺乏
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框架结构是由梁板柱组成,多应用于工业与民用的建筑结构。由于框架结构能有效节约下部空间,有利于车场整体布局的优化,北京丰台站首次提出将框架结构应用于铁路双层车场,包含高架高速车场和地面普速车场。框架结构车场具有体积大、梁柱连接节点受力复杂等特点,结构的应力和变形对温度、不均匀沉降、列车荷载等复杂荷载较为敏感,进一步引起上方轨道结构的几何形位和应力发生复杂变化。然而,框架结构作为新型的铁路高架车场缺乏相关的规范和理论指导,这严重制约了其在高速铁路高架车场工程中的进一步推广应用。基于此,本文以轨道-框架结构为研究对象,结合现场测试、理论分析和数值模拟手段,获取了结构承受的复杂荷载作用,揭示了轨道-框架结构的静动态力学特性,并在此基础上从安全性和经济性的角度提出了框架结构的优化尺寸,旨在为框架结构在高速铁路高架车场中的推广应用提供理论支撑。论文主要开展的研究工作和成果如下:（1）实现了铁路框架结构混凝土收缩徐变和温度场的模拟,确立了框架结构承受的复杂荷载加载形式。结合增量形式递推法和Dirichlet级数,利用Fortran自编程序实现了框架结构混凝土收缩徐变的模拟;采用计算流体力学和光线追踪法构建了上方无轨道的框架结构和轨道-框架结构瞬时温度场模型,通过现场测试验证了模型的正确性;最后基于高速铁路框架结构车场的特点,结合数值模拟、理论仿真和相关规范确立了框架结构承受的荷载加载形式,包括收缩徐变、均匀温度、温度梯度、列车荷载和不均匀沉降作用。（2）构建了轨道-框架结构静力学耦合模型,分析了复杂环境下的有砟轨道-框架结构和CRTSIII型板式无砟轨道-框架结构的静力学特性,为框架结构上方轨道结构的选型奠定了理论基础。基于构建的轨道-框架结构静力学耦合模型,获取了不同荷载作用下框架结构的应力变化特征和最不利位置,揭示了有砟轨道和CRTSIII型板式无砟轨道附加应力和几何形位的空间分布特点,最后基于各项复杂荷载作用下不同轨道结构对框架结构的适应性,对框架结构上方的轨道结构选型提出了建议。（3）依据轨道-框架结构的振动特点,修正了现有的土体粘弹性边界,提出了移动多源粘弹性边界,建立了双层轨道-框架结构-土体动力学耦合模型。基于双层多线列车荷载作用下轨道-框架结构振动的特点,修正了现有的土体粘弹性边界,推导了能考虑多个振动源同时移动的移动多源粘弹性边界的刚度和阻尼以及边界单元的一致性切线模量,在此基础上构建了双层轨道-框架结构-土体动力学耦合模型。（4）揭示了双层多线列车荷载作用下轨道-框架结构垂向振动的空间分布规律以及土体的垂向振动传递规律。基于双层多线列车荷载下的轨道-框架结构-土体的垂向振动响应,揭示了轨道结构的垂向加速度空间分布规律;分析了框架结构的振动特性对上方轨道结构稳定性和行车运行安全性的影响;获取了框架结构的挠度动力系数和内力动力系数;明确了土体的垂向振动传递规律。（5）基于“试算-验证-修改”的优化方法明确了框架结构的合理跨度和板厚范围,结合Python参数化建模、随机序列法和遗传算法获取了结构截面尺寸的最优解,从安全性和经济性角度提出了框架结构的优化尺寸。采用“试算-验证-修改”的优化方法,从安全性角度确立了框架结构的合理跨度范围和板厚范围;从安全性和经济性角度建立了框架结构截面尺寸的优化目标函数,利用Python参数化建模手段实现了框架结构有限元模型的快速重复建立,结合随机序列法和遗传算法获取了不同荷载作用下截面尺寸的Pareto最优解,最后综合各项荷载的Pareto最优解得到框架结构的优化尺寸。
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