轨枕在轨道结构中起着重要作用,为了保证其发挥正常功能,要求其在各种复杂环境,不同轴重、速度作用下保持结构完整,进而保证线路的安全和旅客的舒适。然而,实际线路中的轨枕在上部荷载和下部道砟的作用下处于受弯状态,由于钢轨缺陷,传递给轨枕的荷载增大,在这些荷载长期作用下,轨枕产生裂纹,甚至破坏进而影响线路安全,增加养护维修费用,造成钢轨损伤、脱轨等危害。近年来,随着人们环保意识的增强以及新材料的发展出现了复合轨枕以及纤维混凝土,新材料为轨枕设计承载力的增强、线路养护维修费用的降低提供了新的方法,但新材料轨枕的力学及抗裂性能研究较少。此外,关于轨枕裂纹模型比较的研究也较为匮乏。本文基于数字图像相关技术（DIC）,通过三点弯曲试验对预应力混凝土轨枕、纤维增强发泡聚氨酯（FFU）复合轨枕、竹纤维混凝土轨枕受力及裂纹发展特征进行深入分析。其次,结合三点弯曲以及数字图像相关技术所得试验结果对损伤塑性模型、脆性开裂模型、扩展有限元模型进行比较分析,确定适用于轨枕静力学分析的力学模型。最后,采用合理的模型分析道床在捣固、道砟迁移、劣化等引起的下部支撑变化情况下,轨枕力学性能并与我国规范中规定的设计承载下弯矩对比;分析循环荷载作用下轨枕损伤情况。主要成果和结论如下:1、基于数字图像相关技术采用三点弯曲试验测试预应力混凝土轨枕、FFU复合轨枕、竹纤维混凝土轨枕力学及裂纹特征随着新材料、新技术的发展,人们环保意识的逐渐增强以及铁路运输对轨枕受力提出更高的要求,使得复合材料在铁路方面得到应用,称为复合轨枕。同时,随着混凝土技术的研究,出现了纤维混凝土,纤维的加入能在部分层面改变混凝土的受力特性,竹纤维可加入混凝土中并生产轨枕。目前国内外对于混凝土轨枕宏观裂纹的研究比较丰富,对复合轨枕以及其他材料轨枕力学特性及开裂性能的影响研究较少。本文采用数字图像相关技术结合三点弯曲试验测试预应力钢筋混凝土轨枕、FFU复合轨枕、竹纤维混凝土轨枕的挠度、刚度、裂纹扩展形式、裂纹开口位移。研究结果表明:FFU复合轨枕始终处于弹性状态,主要为横向裂纹,裂纹开口位移小;竹纤维混凝土轨枕和预应力混凝土轨枕一开始为弹性,随着荷载的增加,刚度减小,裂纹开口位移增加速率增大;竹纤维混凝土轨枕在早期强度高于预应力混凝土轨枕,竹纤维的加入可提高轨枕的延性,但由于竹纤维和混凝土结合性能差,后续强度低于预应力混凝土轨枕。2、结合数字图像相关技术对损伤塑性模型、脆性开裂模型、扩展有限元模型进行比较分析大多数研究虽已提出混凝土轨枕的模拟方法,但对微裂纹、裂纹路径的分析较少或建模方法较为复杂,且仅采用荷载—挠度曲线进行模型的校核,并不能说明模型在模拟轨枕开裂方面的准确性。数字图像相关技术为有限元中多种损伤和开裂模型提供了校核的依据。本文采用损伤塑性模型、脆性开裂模型、扩展有限元模型分别建立轨枕三点弯曲模型,并与三点弯曲试验所得结果进行分析比较,所得结论如下:损伤塑性模型可以准确的模拟位移结果,通过损伤云图提前判定损伤位置,为连续介质,但在损伤描述方面不够清晰明了;脆性开裂模型和扩展有限元模型在开裂前将结构视为线弹性,使得位移模拟不够准确,只能描述开裂后的裂纹情况,裂纹路径比较清晰;脆性开裂模型结构也为连续介质,扩展有限元模型结构为不连续介质。3、采用损伤塑性模型,研究不同支承下轨枕的力学特性在实际情况中,轨枕与道床的接触和相互作用十分复杂,道床在上部循环荷载作用以及其他因素下,往往会出现道床沉降、道砟粉化、劣化、迁移等现象,从而使得下部支承状态不均匀且不断改变,不利的支承状态会使轨枕开裂甚至破坏,同时,使道砟劣化、粉化加剧,形成恶性循环,影响线路的安全性和旅客的舒适性。本文分析9种支承条件下轨枕的受力、损伤情况以及循环荷载作用下轨下无支承时的损伤情况。主要结论如下:枕中支承的减少,轨下正弯矩基本不变,枕中弯矩减小并由负变正;轨下支承的减少,枕中负弯矩、轨下截面正弯矩不断增加;枕端支承的减少,枕中负弯矩增大,轨下截面弯矩由正变负,该种支承的减少对轨枕的受力最为不利。轨下无支承时轨枕在线路中的破坏形式为先在轨枕底部出现的受拉裂纹,随后在轨枕内部出现损伤,内部损伤沿轨枕宽度方向扩展。