（道路与铁道工程专业论文）道岔区无碴轨道连续道床板力学分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文主要利用有限元分析方法对无碴道岔整体道床的受力变形特点及 结构承载能力进行分析。由于道岔结构本身的不规则，故本文采用实体单 元建立无碴道岔整体道床的有限元模型。按照客运专线1 8 号道岔设计参数 并采用r h e d a 型无碴轨道结构建立模型，模型中对上部钢轨结构的尖轨和 可动心轨辙叉部分进行了简化处理；钢轨以e u l e r 梁单元并以一半扣件间 距为单元长度模拟；扣件及地基以线性弹簧单元模拟；以一个转向架的荷 载对道床板进行竖向加载分析其变形和应力。 首先，针对整个道龠结构进行直侧股逐步加载，分析其受力后整体变 形及应力特点用以确定最不利受力状况。对各种最不利情况进行承载能力 分析，进一步考虑温度应力的影响及裂缝的控制。通过分析发现，无碴道 岔道床板的竖向位移和各向应力沿线路纵向出现不均匀分布，但都在承载 能力允许范围内。 其次，针对影响道床板受力的各种因素进行分析，如扣件和地基刚度 的不同搭配，道床板各层尺寸厚度的改变，道床板支承层材质的选取。分 析结果表明，无碴道岔道床板的竖向位移及承载能力受各方面因素影响。 各因素影响程度不同，扣件刚度的选取是控制变形的关键因素。 通过本文的分析证实了土质路基上铺设无碴道岔的可行性，并对无碴 道岔的铺设和运营维修有指导性意义。 关键词：无碴轨道；道岔；整体道床 -lt 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l ya n a l y z e dt h ec o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r e c a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es o l i dc o n c r e t eb e do fb a l l a s t l e s ss w i t c hb yu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d b e c a u s es w i t c h ss t r u c t u r ei t s e l fi si r r e g u l a r , t h i s t h e s i su s e dt h es o l i de l e m e n tt ob u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es o l i d c o n c r e t eb e do f b a l l a s t l e s ss w i t c h t h em o d e lw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g n p a r a m e t e ro ft h e1 8 t hr a i ls w i t c ho ft h ep a s s e n g e r - d e d i c a t e dl i n e s i tu s e dt h e s t r u c t u r eo fr h e d an o n - b a l l a s t e dt r a c ks y s t e m ，t h es w i t c hr a i la n dm o v a b l ef i o g o fr a i ls y s t e mw e r es i m p l i f i e d ，u s e de u l e r - b e a me l e m e n ta n dh a l fo ft h es p a c e b e t w e e nf a s t e n e r sa st h ee l e m e n tl e n g t ht os i m u l a t et h er a i l ，u s e dt h el i n e a r s p r i n ge l e m e n tt os i m u l a t et h ef a s t e n e ra n dt h ef o u n d a t i o n ，u s e dab o g i el o a dt o c a r r yo nt h ev e r t i c a ll o a da n a l y s i so f d e f o r m a t i o na n dt h es t r e s so f t h eb e ds l a b f i r s t ，t h el o a dw a sa p p l i e do nt h es t r a i g h ta n ds i d el i n eo ft h ee n t i r es w i t c h s t e pb ys t e pt oa n a l y z ei t sd e f o r m a t i o na n ds t r e s sc h a r a c t e r i s t i c a n dt h e nt h e r e s u l tw a su s e dt od e t e r m i n et h em o s td i s a d v a n t a g e o u ss t r e s sc o n d i t i o n s t h e c a r r y i n gc a p a c i t yo fb e ds l a bw a sa n a l y z e di ne a c hc o n d i t i o n , f u r t h e rc o n s i d e r s t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r es t r e s sa n dt h ec r a c kc o n t r 0 1 i tc a nb ef o u n dt h e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n dr e s p e c t i v e l ys t r e s so fb e ds l a b o fb a l l a s t l e s ss w i t c h a p p e a r st h en o n u n i f o r md i s t r i b u t i o na l o n gt h el i n et h r o u g ht h ea n a l y s i s ，b u ta l l o f t h e mw e r ei nt h ea l l o w a b l er a n g eo f c a r r y i n gc a p a c i t y n e x t i nv i e wo fe a c hk i n do ff a c t o rw h i c hi n f l u e n c eb e ds l a bs t r e s st o a n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，s u c ha sc h o o s ed i f f e r e n ts t i f f n e s so ff a s t e n e r a n df o u n d a t i o n ，d i f f e r e n ts i z ea n dt h i c k n e s so f e a c hl a y e ro fb e ds l a b ，d i f f e r e n t m a t e r i a lo fb e ds l a b t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t a n dc a r r y i n gc a p a c i t yo f b e ds l a bo f b a l l a s t l e s ss w i t c hw e r ei n f l u e n c e db yt h ea l l 亘童窒鋈杰堂堡圭墅塞笾兰篁堡塞篁! ! ! 壅 o ff a c t o r s t h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo f e a c hf a c t o ra f ed i f f e r e n t , t h es t i f f n e s so f f a s t e n e ri st h ek e yf a c t o rw h i c hc o n t r o l st h ed e f o r m a t i o n 。 i tw a sf e a s i b i l i t yt h a tt h eb a l l a s t l e s st r a c ko fs w i t c hw a sb u i l to nt h es o i l r o a d b e dt h r o u g ht h ea n a l y s i s 。t h i st h e s i sh a st h eg u i d a n c es i g n i f i c a n c et ot h e c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o ns e r v i c eo f s w i t c h ， k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ：s w i t c h ；s o l i d c o n c r e t e b e d ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 无碴轨道概况 第1 章绪论 轨道结构是铁路线路的基础和重要组成部分，它是介于列车与地基之 间必要的纽带，一方面列车通过时产生的垂直压力，横向水平力，纵向水 平力，以及因温度变化所产生的温度附加力等各种荷载直接作用于轨道上 并通过它传递到地基，另一方面它在火车行驶时起到引导列车运行方向的 作用。因此，要求轨道结构要有足够的强度和稳定性，各组成部分的结构 要合理，尺寸及材质要相互配合，等强配套，弹性连续，以保证列车按规 定的速度，安全，平稳和不断的运行。 世界铁路已有2 0 0 多年的历史，从1 8 0 4 年第一台行驶于轨道上的蒸汽 机车到现在的各种高速列车，与此同时也出现了各种的轨道的结构形式， 归纳起来基本可以分为有碴轨道和无碴轨道两大类。传统的有碴轨道经过 一一 多年的研究与运营已经建立了完整的理论体系，以碎石为道床的有碴轨道 因为有较好的弹性，可减缓和吸收轮轨的冲击和振动，利于承受来自轨枕 的压力并均匀地传递到路基面上，且能提供良好的排水性能，以提高路基 的承载能力及减少基床病害。无碴轨道以各种道床形式取代传统的碎石道 床，具有高平顺性和少维修的优点。 有碴轨道因列车的反复通过而使道床逐渐松弛，致使走行轨道失去平 顺性，当达到某一限度时，必须恢复其完好技术状态。这种线路维修作业， 自然是随着列车的通过次数和行驶速度的不断增大而增大。然而由于近年 来运输量的增加，养护维修时间间隔的缩短，维修标准的更加严格，以及 由于维修线路作业用的大型机械设备产生的噪声等原因，逐渐给线路维修 作业增加了很大的困难。这一系列的问题正是无碴轨道所具有的优点：轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 道稳定性好，轨道几何形位能持久保持，线路养护维修工作量显著减少； 耐久性好，轨道的使用寿命长；长波不平顺小，乘坐舒适度高；横向阻力 的提高，增强了安全性；结构高度低，自重轻，可减小桥梁二期恒载，降 低隧道净空，从而降低工程总造价；维修量小，提高了线路使用率，减少 事故隐患；道床整洁美观，无道碴飞溅带来的一系列问题。 无碴轨道由于需要嗫固的基础，所以主要应用于桥梁，隧道以及石质 路基等具有曙实基础的地段，在土质地基路段需要修筑坚固的支承层。无 碴轨道作为新型轨下基础有很多需要解决的问题：首先，无碴轨道的修建 费用昂贵，一般为有碴轨道的1 5 2 倍，初期投资较大，但随着科学技术 的日益进步必然有所降低，并且无碴轨道的少维修性所节约的大量维修费 用可弥补这一缺点：其次，无碴轨道的结构形式决定其刚度较大弹性不足， 只用通过轨下胶垫或道床板下垫层等其他形式提供弹性，这就对橡胶胶垫 或沥青砂浆提出了较高的要求，随着新材料的不断开发这个问题是可以解 决的；最后，无碴轨道道床修建完成后，轨道几何尺寸的变动完全取决于 钢轨联结扣件的调整能力，而扣件的可调节量总是有限的，且为了确保轨 道各组成部件处于正常的受力状态采用弹性扣件，扣件的型式较复杂，无 碴轨道的这个缺点使得它一旦发生如不均匀沉降等病害时，修复较为困难， 因此要求设计的安全，施工的高质量。 鉴于有碴轨道和无碴轨道各自本身的优缺点，在铁路建设中应结合实 际情况，慎重选择轨道形式。由于现代高速铁路对高速度的要求，使得有 碴轨道的缺点不可克服，而无碴轨道的优点进一步的突出，所以各国都很 重视研究铁路新型轨下基础，试铺的型式多种多样。 1 1 1 国外无碴轨道概况 国外无碴轨道的发展较早，试验开发了多种无碴轨道结构形式。无碴 轨道结构因其高平顺性和少维修的特点，在国外高速铁路上获得广泛应用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 同本，德国二十世纪9 0 年代餍期修建的离速铁路以及裔湾高速铁路凭碴轨 邋魄镶谈近1 0 0 j 法雷氆筏缝中海线2 k m 隧道内透露了无疆轨道试验。无 饿轨道主要有两大类，一类是轨枕埋入斌，如德国的r h e d a 型系列，弹性 支承块式；类是墨本的扳式轨道：另外，近年来欧：l 蚪| 国家正在开发一种 钢孰堙入式斡茏疆轨道。 1 ) 在德国，较多的采用凿通r h e d a 溅无碴轨道，最新的主要结构形式 为r h e d a 2 0 0 0 型，取德较好豹运行效栗。 1 9 7 1 年，德国慕尼黑工鲍大学开始骚究遥瘟高速轨道交通的炙疆轨 道，1 9 7 2 年5 月，在德国比勒费尔德一哈姆间的r h e d a 车站安装了枕式无 袋轨道( 运纷速度可达2 5 0k i n h ) ，以螽森德国铁路就默r h e d a 作为秃碴软 邋韵鍪式名称。其结构形式为在东泥处理罄座上修建涟续的钢箭混凝扳， 戴上支撑配备商弹性扣件的预应力混凝斑枕，预应力混凝士枕被埋入二期 浇筑戆混凝土痰。经过多馨戆长麓运营，这秘孰道绩构形式不论在不良路 慕还是在隧道或者旧钢桥等鏊础上，酃羧现出了良好钓性能。除了钢轨打 麟外，几乎不需要其他维修正作。自此，无碴轨道在德国得到快速的发展， 必礤发了7 大系弼4 0 多释戈谈鞔道。1 9 8 6 至今，德黧在1 3 顼铁路工程上 采用了无碴轨道技术，共计3 7 6 延长k m ，铺设t 5 7 觚遵岔。自1 9 9 6 年起， 德铁在卡尔斯鲁厄共进行了种无碴轨道类型的测试和跟踪观测。网前， 德铁技术管理郄超已经秀戆麓手进行统一标准豹工撵，劳筑范为5 静无碴 轨道，包括r h e d a 、z u b l i n 、g e t r a c 、b o g l 、a 1 1 ) 型茏硪轨道系统。最著名 的德国无碴轨道有r h e d a 、zu b l i n 和b o g l 三种类型。其中b o g l 型属于预 涮叛式无建软道，叛静足寸为6 ，4 5m x2 5 5 毽0 ，2 臻。魏遒懿缓攮囊 阻力主要由板下的沥青水混砂浆提供，檄与板之间用预应力筋连搂。 r h e d a 型系列无碴轨道目前有r h e d a 经典型、r h e d a - b e r l i nh s tv i 型、 r h e d a - b e r l i nh s tv 2 型、r h e d a - b e r l i nh s tv 3 垄黧r h e d a 2 0 0 0 蘩。对予 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路基上铺设无碴轨道，各型r h e d a 无碴轨道施工时都先在路基基床表层铺 设水稳基础( h s b ) 。该层既可为混凝土，也可为水泥稳定级配矿石。在桥 上及基础孥实的路堑地段和隧道内，不需铺设水稳基础。从r h e d a 经典型 到r h e d a - b e r l i nl i s tv 3 型为r h e d a 有槽型无碴轨道，即需要在水稳基础 上现场浇筑混凝土槽，然后在槽内放入钢筋、轨枕，进行轨道定位，再浇 注混凝土。u 形混凝土槽伸缩缝间距一般为5 5m ，其铺设精度为水平0 5 c m ，方向1c m ，采用特殊的滑模形式，平均每天的进度可达7 0 0m 。而 r h e d a 2 0 0 0 型为无槽型无碴轨道，施工时直接在水稳基础上立模板，放入 钢筋和轨枕块进行轨道定位，然后浇注混凝土。总体而言，随着技术的不 断改进，r h e d a 型轨道结构高度不断减小。路堑和隧道地段采用r h e d a 2 0 0 0 型无碴轨道可减少工程量，节省投资。 图1 1r h e d a 2 0 0 0 型无碴轨道 2 ) 在日本，早在1 9 2 3 年日本国营铁路在宝兰正线的伏古别隧道就铺 设过整体道床，1 9 3 3 1 9 4 4 年，。在长大隧道中采用了整体道床，其主要型 式为埋入短木枕式。1 9 4 5 1 9 6 2 年期间，日本在隧道内修建的整体道床的特 点是加大道床厚度和配置一定数量的钢筋。1 9 6 2 1 9 7 0 年，对隧道整体道 床的直线地段采用埋入混凝土支承块式，曲线地段采用埋入短木枕式。 为了适应高速行车的需要以及解决线路维修的困难，日本国营铁路于 1 9 6 5 年成立了“新型轨道构造研究会”，1 9 7 1 年又成立了“板式轨道研究 西南交滋大学硕士研究生学位论文第5 贾 会”。经过研究，确定7 在钢筋混凝土软道板和混凝土蘩础层之间设鼹一层 墨l 化沥青承混移浆填充层鲍轨道教孰道绣构壅式，1 9 6 6 年起，分翔在高速 铁路线路和在轨铁路线路上试铺了几种测式的轨道板轨道：m 型轨道板轨 邀，l 型轨道扳轨道，a 型孰道板轨道，黻型孰道板轨道( 艇，l ，a 裂三种 辘道扳孰道建为在隧道帮离絮桥往蘑两设计静，融型是为了在主璇路基主 使用而设计的) 。至今，日本的板式轨道融经发展成熟，在建设中广泛铺设 缀式孰递。 图1 - - 2 普通a 型板式轨道 3 ) 弹性整体邀廉 弹往整体道床主要组成缩构为道漾钢筋混凝主，弹程支承块，支承块 凑靴、块下橡胶垫板组成。和其他刚性熬体道床相比，设计是增加了支承 块套靴和块下橡胶垫板，鼹者提供的静刚度系数比剐性整体道床静雕度系 数降低了1 i 5 倍，接近于遴碴道床撬供的静雕度系数。困j 瑶：，该绪梅减 振、降噪性能好，结构简单，施工方便，初期投资较大，可修复。在我国 靛隧道中使用较多，使其长期处于免维修状态，经济效益可理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 3 弹性支承块整体道床 4 ) 其他新型轨道 如法国国铁具有代表性的板式轨道有修建在坚实岩层上的m o n a c o 隧道 直结轨道，g l i l l e r e 地区路堑上现场灌注的混凝土板式轨道，n e u i l l y - - s u r m a r n 铺设在泥灰质地基上现场灌注的p s 混凝土板式轨道等；英国的p a c k 型无碴轨道等。 1 1 2 国内无碴轨道概况 我国无碴轨道的发展较早，早在1 9 3 5 年和1 9 3 9 年，东北地区北老松 岭隧道就曾铺设了整体道床。随着我国铁路运量的迅速增长，为了减轻线 路维修工作量，延长轨道各部件的使用寿命，1 9 5 7 年和1 9 5 8 年唐山铁道学 院和铁道部科学研究院先后开始研究、设计新型轨下基础。随后各铁路局 及各院校也开展研究和试铺工作，肯定了铁路新型轨下基础的发展前景。 1 9 5 6 年，吉林铁路局在沈吉线水帘洞隧道铺设了预埋长木枕的混凝土整体 道床2 4 5 m 。1 9 6 5 年以后。整体道床在我国发展较快，其中以隧道内铺设的 较多。截至1 9 8 1 年底止，已有1 4 1 座隧道内修建了整体道床，总长度将近 3 0 0 k m 。混凝土整体道床在铁路站场也得到了应用。早在1 9 5 8 年，北京铁 路局在唐山车站的土质路基上曾试铺了少量的埋入纵向轨枕式整体道床。 西南交邋大学硕士研究生学位论文第7 页 其后又有呼和滤特、太原、武汉、齐齐嗡尔等铁路局先后在一些擎站站线 豹土质帮右袋路基上试铺了整体道床。幽予当时试镱辩对震鼹蒸基底没 有很好的处理，使用效果不好，大部分融被拆除。上海铁路局从1 9 7 3 年开 始，先后在站场内铺设了改进斡质路纂整体道床，铺设时由于注意了基 底的处理，取褥了较好静效架。我国芤索她下铁道全部采用了整体道床， 使用效果良好。这个阶段我国主要采用钢筋混凝土支承块式，短术枕式和 熬体灌注式三种，且主要傻瘸在隧道中。避尼年，我隧铁路发展逮发较侠， 为了适应裔遽铁路的需要，参照德国r h e d a 轨道帮西本的板式鞔道，研究 开发了长轨枕埋入式，弹性支承块式及扳式轨道，其中，板式轨邋和长轨 技埋入式已铺设在2 0 0 k m h 豹秦沈客运专线的辑梁上，弹性支承块式无碴 轨道已铺设在秦蛉隧道中。 圈卜4 秦沈线板式轨道 西南交遴大学硕士研究生学位论文第8 页 l硅l 蓥倒j 困，鼬咖# 鼽0；麟堋眦 。一 线 ，一，厂f 眦菇危舭 图1 - 5 豢沈线桥上长枕埋入式无碴轨道 1 2 无碴遵岔概涎 道岔是机率车辆从一般轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路 设备，是铁路辘遂懿一今鬟蘩组藏裁势。囊予遂筮其露数量多、拣逡瑟条、 使用寿命短、限制列车速度、行车安全饿低、养护维修投入大等特点，也 怒轨道主要薄弱环节之一，它的质量高低虚接影响到行车安全和行率速度。 笈蓬懿莰爨遮输瑷在歪楚予大提邃豹毫速发震嚣絮，瓣遵筮设备戆要求鸯 日益提高，它鼹求道岔能允许列车以规定的速度，安全，平稳和不间断的 运行，并满足旅客乘车的舒适要求。为了适应日益繁忙的运输任务，必须 便道岔浚备镙持结稳是葑，鞔瑟平蹶，强度殇鬻，移擎稳定，努躐蘩涪翁 良好状态，以延长道岔的使用寿命。由于无碴轨道的一系列优点，备国都 在积极的研究殍发各种型式的道岔区无髓轨道型式。其中具有代袭饿的是 德国静r h e d a 毽纛瑶本熬凝式鞔遂。 在德国，道岔区轨下黧础在碎石道床一一整体混凝土岔枕和茏碴轨道 基础共同发展，在列车运萤速度大予2 2 0 k r a h 的线路熏点发展无饿轨道基 懿，镶设了多维遘岔区无麓轨道结构，较多静采蠲营撩r h e d a 型纛旗轨道， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 最新的主要结构形式为r h e d a 2 0 0 0 型，取得较好的运行效果。在本论文的 分析中拟采用r h e d a 型无碴道岔。 在日本，为了减少养护维修工作量，早在1 9 6 5 年就开始了道岔区无碴 轨道的试验研究，主要采用板式无碴轨道，在新干线上推广应用，时速在 2 0 0 k m 以上。早在昭和4 4 年就已经在日野土木实验所进行了板式轨道1 2 号 道岔的铺设试验，之后在窄轨线路和新干线上进行了包括1 2 号和1 8 号在 内的多组无碴道岔的铺设试验，经多年的运营确认了道岔区采用无碴轨道 型式的可行性。 在国内，道岔区无碴轨道的研究与使用起步时间虽然较早，但研究差 距较大，1 9 6 9 年在京广线石湾车站铺设整体灌注钢筋混凝土式、5 0 k g m 钢 轨1 2 号单丌道岔；1 9 7 3 年在福建马尾湾码头铺设了4 3 k g m 钢轨9 号单开 整体道岔；1 9 7 8 年在梨菜线大坪隧道内铺设了支承块式钢筋混凝土5 0 k g m 钢轨1 2 号单开整体道岔。过去只在一些站场附近的路段上铺设过一些混凝 土短枕式的道岔区无碴轨道，速度和运量都很低。在我国许多城市的地铁和 轻轨交通中，铺设了大量的道岔区无碴轨道结构，主要是在基础较好得隧道 内和桥梁上应用，而且速度不高，轴重较轻，运量不大。 目前为止，由中国铁路工程总公司所属的中铁山桥集团有限公司研制 国内首组无碴轨道高速道岔已成功通过了铁道部专家组鉴定验收并在遂渝 线试验段铺设，标志着我国高速道岔研制进入实质性阶段。遂渝铁路是中 国西部首条高速铁路，西起既有的达成铁路遂宁站，途经四川省遂宁市和 重庆市潼南县、合川市、北碚区等地，东至襄渝铁路的北碚站，接入重庆 铁路枢纽。中铁山桥集团研制的时速2 0 0 公里6 0 k g m 1 2 号可动心轨无碴轨 道高速道岔，采用了世界先进的滚轮和弹性夹。设计改进后的可动心轨辙 叉道岔可满足客货混运的直向客运快速和货运重载的运行要求。经检测各 类检测项点合格率为1 0 0 ，完全符合设计要求。遂渝线无碴道岔采用长枕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 贾 壤入式无碴轨遂结构，以分块式道床板结梅( 如图1 - - 6 ) 控制温度斑力所 产生豹裂缝。遴床分爻承载滋和支承罄上下两层( 黧潮卜7 ) ，两艨道床板 间以门形钢筋连接。 l8e 圈1 - - 6 分块式无碴遂岔逶瘩叛毒置瑟意蚕 图1 7 承载层支承层布置示意图 1 3 本文主要研究内容 1 。3 1 无麓道岔整体遴床道庆板黪宠分析模楚姆建立 无碴道岔怒一个钢轨构造布置复杂、扣件系统参数众多、道床板几何尺 寸不规则的复杂轨道系统，这就使得在对无碴道岔进行受力分析时很难采 耀分橇一黢嚣瓣线黪黠黪燮会粱模鍪。缮动畜隈元分撰方法劳零j 嗣诤算爨 编程处理分析数据，这样w 以较好的反映道岔系统各个部件之间的弹性连 接。本论文针对无碴道岔邋床板的竖向受力进行分析；所以模型建悫时采 鼹约寨条锌麓纯遘嫠辕囊耱缓囊翁受力。鞋r h e d a 鍪软遘绩稳为磅宠对象， j 麓床板承载层寓接连续浇筑在道床板支承层之上，并肖连接钢筋相强连接， 在两者的接触面上有相同的变形，可以认为它们是一个整体共同承受由上 帮结搀簧递熬秀。菇梁摹元模羧钢羲，辩尖软尖端耧鼗叉筵逶霉7 耀应豹 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 简化。以线性弹簧单元模拟扣件系统和媳基基础。 鉴于遂浚线无碴道岔结构静研究戒采可知，分浚式道床叛虽然w 叛较好 的控制温度威力产生的裂缝，但由于其道床板的不连续，当荷载作用于道 床扳边缘时弓l 怒的道床板下沉降量变大，从面使路基灏压应力局郏变大， 易产生不均匀沉簿，避一箩影蛹其承载熊力。由于道岔结构本身必寸不规 则，荷载作用下的变形和威力分布必然也是不规则的，为了保证邋岔区无 戆孰道的变形均匀、减小模叛使用量、方便施工，篷摊常常采用将道床板 缴囱连接戒熬体结构。连续式道床板取消了分块式邋床板静接缝，扶面消 除了分块式道床板不连续变形的奇异点，使路基面雎虑力和道床板弯矩更 必均匀，款零文戳连续道床板结构建立横墅进行分耩。 1 3 2 无碴道岔整体道床道床板爱力分析 首先，针对整个道岔结构进行直侧股逐步加载，分析其整体受力后变 形及瘟秀褥患耀班璇定荬跤不弱受力获凝。对各耱簸琴琴l 壤嚣透移承蓑戆 力分析，进一步考虑温度成力的影响及裂缝的控制。 其次，针对影响道床板受力的各种闳素进行承载能力分析，如扣件和 缝摹疆度獒不瓣臻瑟，各滋遴瘴鬏足专澎度夔改交，逛痣扳支承绥李季震戆 选取。 西南交通犬学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章无碴道岔整体道床力学分析有限元模型 无碴轨道的分析有多种方法，其中飙有代表性的童要是弹性藏合梁模 溅帮空f b l 整体有限元法横溅。弹性叠合粱模型的文嵬勒解一直是光髓轨道 分析研究的圭蘩方法，该方法在缀囱上将无碴轨道结构模拟成具有连续弹 性支撑的无限长梁，在横向上同理以有限短梁模拟，最后根据边界条件求 躲挠区微分方程维。有限元方法是扶5 0 冬代发展起来的运用弹性力学分据 工程结构连续体的近钕数德计算方法，免论对什么样驹结构：它的基本分 析过程都是程序化的：( 1 ) 将结构划分成单元，( 2 ) 慕元特性分析，( 3 ) 鬃会成整体，( 4 ) 数值求黪。 2 1 无碴轨道整体道床分析方法 2 1 撵往叠含粱横翟 在建立光碴轨道系统横型时，对予般的跨区间线路，因为在线路的 李亍驶方向的纵囱移横肉上软遂缭梅足寸豹一致性，无碴辘道的众多模型形 式都是把轨道结构和混凝土板等构件捆象为弹幢壤蒸梁模型，并裰据文克 勒原理，就各种不同荷载条件分别计算出它们的解。熊中具有代袭性的连 续弹性基础爨会梁法，适髑予板式轨道，缎彝孰槐较遵移整体道廉辕遂。 该模型如图2 一l 以弹往梁单元模拟钢轨 为： 纵向： e 等圯_ o羁，2 务_ p 2 ( 2 _ 1 ) 珏l皿b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ：一 图2 一i 连续弹性地基叠合梁模型 此微分方程组的解可根据文克勒假设求得。 根据假设可知：p i = k l ( ) ，l - y 2 ) p 2 = k 2 y 2 得：e l ，l 冬孕+ 七( y 一y ：) = 0 a x 易，21 ；孕+ 毛( y ：一j ，。) + 后：j ，：o a x g 解的形式为： m = a e 知y 2 = b e “ 啬舻去舻警 地：= 扣训4 ( - n ) 2 + 4 l m 舻停肛浮 可得弹性地基叠合梁的挠曲线微分方程组的通解( 2 - - 2 ) ： j ，2 i 2 4 8 一“。8 ( 缎) + 彳2 8 - 4 s i n ( a x ) + a 3 e - 。肛。o s ( p x ) + a 4 e 。- 廖s i n ( f i x ) ( 2 - - 2 a ) + 爿5 e “c o s ( o 奠) + a 6 e 4s i n ( o r ) + a 7 e 肛c o s ( p x ) + 4 p 犀s i n ( 胁) y 2 2 2 e p ”c 0 8 ( 蕊) + 口2 8 ”8 n ( a x ) + 马8 ：肛。o s ( f l x ) + b 4 e 一曲 s i n ( f i x ) ( 2 2 b ) + b 5 e 8c o s ( o z ) + b 6 e “s i n ( 甜) + b 7 e 皿c o s ( p x ) + b s e a s i n ( 厨) 西南交滋大学硕士研究生学位论文第1 4 页 根据不嬲豹边界条传坶默确定系数点一蠢，最”毽 横向；对于区间i 、m 、v 和区间i i 、来说，根据文克勒原理，由 静力平衡条件可求得如下的微分方程组( 2 - - 3 ) 。 区润l 、l l l 、v ： 日等坻乃= 。( i _ l 3 ，5 ) ( 2 - - 3 a ) 区翔l l 、： 日等4 + 乃= 譬( 4 ) ( 2 - - 3 b ) 为求鬓微分方程式，令 = 跞 剿豢癸方程懿一簸磐淹( 2 - - 4 ) 2 ) ，2 户寺“3 扩s i i l ( 川+ c 6 , j 4 e a xc o s ( ( 2 4 b ) + c 7 e 。厨s i n ( 缸) + e l 妯8 一肛c o s ( j 觳) 其中一c 。为待定系数，可以通道边界条锌解褥。 2 1 2 空间整体有限元方法 有袋元法跫维稳努搿豹一释有效静数毯努褥方浚，西本在投式鞔道静 设计中曾经采用有限元法模型，将轨道板划分为三角形单元，获得了满意 的结果。模型中钢轨为细长部 牛视为梁，其支承弹性由扣件的轨下垫板提 供，籀舞鞔下夔投撬为线缓弹簧，较邋叛为弹缝支承警板，箕支承弹经为 恤q 嚣 肛 妒 硼 踟肠阱船 m 鼓 一 伽白 ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 单位面积的线弹簧，如图2 2 所示： 图2 2 弹性薄板有限元模型 模型中有如下假设，钢轨视为欧拉梁单元；每一扣件视为一线性弹簧； 道床板作为弹性基础上的平面薄板，道床板划分为四边形单元；道床板的 支承弹性为单位面积的线弹簧，包括了底板和地基的弹性。 在上述假设的基础上易得各个单元的刚度矩阵，然后利用计算机编程 分析。 2 2 无碴道岔整体道床有限元模型 对于无碴道岔模型的建立，由于该结构尺寸的不规则( 如图2 - - 3 ) ，无 法直接建立如上所示的叠合梁模型，只能以完整的三维实体模型来模拟无 碴道岔。 转辄器连接部分轨叉及护轨 基本轨 丁至暮蓑姜萋三一二 莲喜蕙薅蕙 吣烹畏一心 每毡 图2 - - 3 单开道岔布置图 借鉴于叠合梁模型的建模思路：利用梁单元简化模拟钢轨，以弹簧单 元模拟扣件和地基，又因本论文主要的研究对象是无碴道岔的道床板，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 以在模型的建立中可以对整个道岔系统做大量的简化，钢轨采用e u l e r 粱 单元并对道岔的尖轨和辙叉区钢轨做一定的简化处理，扣件系统采用线性 弹簧单元，道床板采用三维实体单元，地基采用大量的弹簧单元模拟，如 图2 - - 4 所示： 图2 - - 4 无碴道岔有限元模型图 2 2 1 钢轨 道岔区钢轨的布置有直线段和曲线段，在转辙器部分和辙叉部分存在 变截面，而且它们之间有复杂的约束与限制关系，按照实际情况建立相符 合的实体模型是非常困难的，也必然会增加大量的计算。由于本论文以道 床板为研究对象，所以对钢轨模型可以做如下所述的简化。 1 ) 钢轨单元采用3 - d 线性弹性梁单元，以半扣件间距划分单元，直线段和 曲线段均以直线型模拟，如图2 - 5 所示： 图2 53 - d 线性弹性梁单元 单元节点位移可表示为式( 2 5 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 俗。 = k 。v 。w 。0 。0 日。】ro = i ，j ) ( 2 5 ) 每个单元节点有6 个位移分量，故单元有1 2 个自由度。 2 ) 由于本论文主要研究道床板的垂向静力分析，所以钢轨的翻转和横 向位移均可完全约束。既 吼= o ，巳= o ，= o ，w j = o 则p ) f = b ，v ，00 钆0 。，v j 0 0 0 硝口。】r 单元刚度矩阵为： 时= 了e a oooo o 一竽o oooo o 孚oo _ 叫- 7 - o 号o o o 孚 o o 孚。一孚o o o 一半。一孚o 000 旦00 o0 o 旦o 0 fl o o 一孚。孚。o。孚。孚。 o 等 oo o 孚。一等o o o 孚 一宇 ooo o o 宇 oo o oo o 军o o o 一等。孚o o o 一譬 ll， o o 孚。孚o o o 孚。孚o oo o 一孚o oooo 孚o o o o 一孚。孚o o o 孚。孚。 o 孚 oo o 孚。一孚o o o 孚 根据虚功原理，可导得单元节点力列阵如式( 2 6 ) ， 得： 巳= 孚，) 驴y = k r p ) 。( 2 - - 6 ) m 。= 0 巳= 堡笋o ，一v ，) + 等仅f + 巳) 竹，= 写( 2 + 钆) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 巴= 一丁6 e j y 怫, + 巳)m z t = 半帆+ 巳) + 丁6 e j , “一_ ) = 一了e a 0 ，一“，) 心= o = 一半“一v ，) 一丁6 e j 。怫+ + 巳) 坞= t 2 e j y 怫+ + 2 ) = 丁6 e , y 怫, + 锡)屿= 孚瓴+ 2 巳) + 丁6 e j , h ) 3 ) 对尖轨和心轨的变截面部分，当钢轨的截面较薄时对道床板受力影 响很小，可忽略不计。 2 2 2 扣件及地基 钢轨因系细长的构件，自然是可把它作为一长梁看待，并弹性支承在 钢轨扣件处的轨下衬挚上，因而在模型中可假定每一钢轨扣件处是以一个 线性弹簧来支承的，这样就既清除了因假定钢轨为均匀连续弹性支承时， 使支承弹性值被分散而带来的计算偏差，也方便在模型建立过程中上部钢 轨与下部道床板的连接。扣件的弹性刚度由扣件结构及橡胶垫层弹性决定， 本文扣件刚度优化取值为静刚度k = 5 0 k n m m 。 德国r h e d a 型无碴轨道道床板采用直接浇注的方式进行施工，所以道 床板与路基之间是面接触，为了较简便的建立有限元模型并方便分析，本 文采用大量线性弹簧单元点支承方式模拟地基基础。地基弹簧单元刚度t 由地基弹性模量和模型单元划分密度决定。 钢轨 道床板 路基基础 图2 6 扣件和地基弹簧单元平面示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 3 道床板承载层和支承层 对于道岔区无碴轨道道床板，首先，几何尺寸不规则，为转辙器而设 的基坑使道床板在厚度上也有变化，其次，列车荷载通过钢轨对道床板的 作用影响较复杂，不同于一般跨区间线路的对称型，这些原因都使得无碴 道岔道床板不能以梁单元建立模型，所以在本论文中道床板采用三维实体 单元模拟。 道床板三维实体单元以四面体为基本单元，定义四面体的四个顶点为 节点，如图2 7 ，各个节点都有沿x ，y ，z 的3 项位移，单元有4 个节点， 所以这种单元具有1 2 个自由度如式( 2 7 ) 。 u ” 图2 7 道床板实体单元 e r = k tv iw k ，1 ，w t 扯。v 。以“v 。w 。】r ( 2 7 ) 单元变形时，单元内部各点也有沿x ，y ，z 方向的位移，一般为x ，y ，z 的函数，对于这种简单的四面体单元，其内部位移可假设为坐标的线性函 数。为满足完备性条件，如方程组( 2 8 ) ； “= 4 l + a 2 工+ a 3 y + a 4 z1 v = 4 5 + a s 工+ a 7 y + a s 二 ( 2 - - 8 ) m - ；口9 + 口l 。善+ 口1 1 ) ，+ 口1 2 z j 上式含1 2 个参数，可以由单元的1 2 项节点位移确定。将4 个节点的坐标 西南交满犬学硕士研究生学位论文第2 0 页 傻代入可求褥8 熬t 2 个参数，再代鼷嚣整理可得单元褥形状函数【】， u 、= u 。ln | fn 。 n ，n f 0 o m o0 n 。o0 o o 1 ( 2 9 ) = 0 n t 0 0 n|0 0 n 。0 0 n 。0 0 0 辩t 00 n 1 00 n 。0 0 辩。x 其中m 2 壶( q + 岛x + c f y + z = ) o = 屯7 ，成功 ( 2 一1 1 ) 如记矩阵 【 】= 1 & 1 x l 1 k l 苁 y t ：t y lz t y _ z _ y rz ( 2 一1 2 ) 则式( 2 一1 1 ) 中矿2 吉| i ，为四面体单元得体积，其他系数皆可由【 】确定 鼹魄；匿蒌y 耋趣= 七兰兰【 。“jp “z 。j 嚷一 i 兰兰= e 耋妻 为矩阵第一彳亍备元素得代数余子式，同理可确定其他京数。 纂元蠹佼移臻短簿表誉为 v = 融裕y ( 2 1 3 ) i w j 变形惹撰缣持为一平瑟，蠢由该瑟主3 令节熹豹位移决定。交焉程变形_ ；童 西南交滋大学硕士研究生学位论文第2 1 页 予精确解。 单元内成变为： = p 弦r = p 。羁玩嚣。秘r ( 2 1 4 ) 其中应变矩阵陋】是形状函数矩阵经微分算子矩阵檐用所得的结果，陋】 孛经一子短簿陵瑚显式痰为 随】= 古 以0 0 0 t 0 00 e l , qb j 0 0 d ic l d f0 熟 囊= 露，# ，掰， ( 2 1 5 ) 由此可得 k r = l p r 【d p p 矿( 2 - - 1 6 ) 其中【d 】为弹憔系数矩阵，它的表达形式如下： 嘲= o 0 o 1 2 z 2 ( 1 一) o o 按节点分块，此单元的刚度矩阵可表示为 k r k 磕k 日缸融 b k hk u k l i i lk l n k hk 抽蠡。后。 素赫露辆 嘉，。素肼 声一；一烈 o o o o o o 一卜 彩 o o o o以一卜o f一即一娜； 。 。 。 一叫， 舻一叩o o e l l ；声一娜声一唧。 。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 其中任一子矩阵为： k 。k = c f 陋，f 【d i b ，p ( ，s = | ，m ，胛) ( 2 - - 1 7 ) 本论文研究的道岔结构形式采用德国r h e d a 型整体道床道岔，其道床板 与素混凝土支承层之间以连接钢筋相互连接，道床板和支承层为固结，他 们之间的接触面部分拥有相同的形变，所以在建立模型时，可以根据下述 的方法将两者作为一个整体模拟。 如图2 - - 8 所示，假设道床板厚啊，弹性模量为e l ；混凝土支承层厚h ：， 弹性模量为e 2 ；地基层的影响深度为h ，弹性模量为最。 地基层 e ，h 1 。 eo ，ho 3 h 图2 8 无碴道岔道床板布置图 根据弹性理论，不同弹性系数的多重梁叠合在一起并支承在弹性地基上 时，可把多重梁看成具有不同地基弹性系数的弹性层，从而把地基上的多 重梁变成不同厚度地基层的单一弹性体，然后可利用半无限弹性体原理进 行有关计算，核心问题是把不同弹性系数地叠合梁换算成具有单一地基弹 性系数地基层。如把道床板层( e l ，| j 1 ) 换算成地基层( e 3 ) ，则根据刚 度相等的原理，如式( 2 - - 1 8 ) ，可计算出其换算地基层的高度h ： 譬= 譬“= 丽( 2 - - 1 8 ) 由于梁板层结构与材质的影响，j l 还要乘修正系数c ， ( c = 0 9 ，沥青或松散层；c = o 8 3 混凝土层) 。 十十。工 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 利用多重梁原理对无碴轨道进行计算时，需要根据无碴轨道特点作一些 羧定帮霰浚： 1 ) ，无碴轨道备层的弹性模屡应远大子地基( 路基) 的弹性模量， 即墨e 2 e # 2 ) ，无碴轨邋备板层翦横斑系数擎为索数，( 混凝结构：v = 0 1 5 ) ； 3 ) ，无碴轨道为支承在弹性地基上的无限长梁。 在假设下，按如下计算步骤计算： 1 ) ，诗葵霰怒懿梁下蟪鏊攥毪系数k ； 把无碴轨道板层都换算成相应厚度的地基层： h 一q 噍v i e ，+ c 2 h 2 ( 2 - 1 9 ) 鬏蠢遥滚系数戆基本穰