预制混凝土轨道梁(Precast Concrete Track Beam,简称PC轨道梁)是跨座式单轨交通系统中梁桥体系的重要组成部分。与其他预制构件不同,PC轨道梁特殊功能不仅要求其制造成品外观尺度的精度非常高,而且要求其使用期的形态变化非常小。制造期间,为确保PC轨道梁成品精度,要精确推导初始形态参数,并建立一套完善的监控机制,动态引导梁体形态演变。使用期间,PC轨道梁应具备抵御多种不利因素扰动的自平衡能力,将其结构性能动态维持在初始平衡状态。过去仅能近似推导出制造期间的形态参数,其理论精度难以保障;使用期PC轨道梁结构性能自平衡能力方面的研究尚为空白,这阻碍了跨座式单轨交通的发展。本文以重庆跨座式单轨为对象,采用工程试验、室内实验、数值模拟、理论分析、数字图像处理技术和编程技术等手段,对PC轨道梁多形态演变机理和结构性能自平衡能力、线形推导模型和跨座式单轨交通三维仿真设计系统及体系误差评估机制展开较为系统的研究。本文的主要工作及成果如下:(1)采用逆向方式建立了PC轨道梁线形推导模型。结合设计条件和施工工艺,假定梁底曲线的空间值域,在几何空间中向上逆向映射出假定梁顶曲线的值域,在假定梁顶曲线值域内找出一条与已知梁顶重合的曲线,并将这条曲线反射到梁底值域即可求得梁底曲线的真实解;求解假定梁顶曲线时,用假定梁顶曲线值域和已知梁顶曲线矢量化所形成的空间点集(坐标值)构建与图像函数相似的两个三维矩阵;然后用图像处理技术和小波分解理论对图像进行处理变换,并用二分法和最小二乘法求得假定梁顶曲线的最优解;利用分形维数理论建立假定梁顶曲线与已知梁顶曲线吻合精度的评判准则,最终求出梁底曲线的真实解。(2)研究了PC轨道梁多时态控制参数和定位参数。为确保PC轨道梁的安装精度和使用功能,以PC轨道梁底线形为基准,以瞬时结构变形协调不同时态的形体差异量,推导出PC轨道梁的多形态控制参数和定位参数。多形态控制参数是引导PC轨道梁沿着正确的路径朝规定的目标形态发展的指导纲要,这些参数不仅要计入早龄期瞬时结构变形量,还应把抵御结构性能劣化的能力储备起来,确保运营期结构性能的平衡状态。(3)以早龄期混凝土材料特性增长规律为基础,研究了PC轨道梁多形态演变机理和不同时态的瞬时结构变形。首先,根据工程试验数据建立PC轨道梁混凝土材料特性随龄期增长的模型。其次,通过多形态演变机理的研究找出调和不同形态间差异的途径。然后在有限元软件中模拟了PC轨道梁在早龄期的形态演变过程,计算出不同时态的瞬时结构变形,为多形态差异修正及形体控制参数推导创造必要条件。最后采用工程试验数据校验数值分析的计算值,确保多形态结构变形估算结果的正确性。(4)通过试验模拟和数值模拟,研究了PC轨道梁在运营期内抵御不利因素扰动的能力和自平衡结构性能的能力。通过采用碳酸溶液模拟大气中CO2对混凝土的碳化腐蚀,并用硫酸溶液模拟酸性降雨场对混凝土的腐蚀作用;采用数值模拟研究了重庆现役单轨列车击振PC轨道梁的时程特性,并以时程特征参数评价PC轨道梁疲劳损伤。研究了混凝土材料特性增长和预应力效应引起梁体的徐变增长对结构性能提高程度,评价了PC轨道梁结构自平衡能力,初步探索出维持运营期结构性能平衡的途径。(5)根据工程实践需求,整合研究成果,利用VB、Java和Matlab编程技术开发了跨座式单轨交通三维仿真设计软件。该设计软件具备PC轨道梁线形设计和参数推导、PC轨道梁制作参数设计、PC轨道梁支座锚箱参数设计、PC轨道梁桥体系精度评估、自动出图等功能,其界面友好、操作便捷、使用说明完备。