路基上crtsⅱ型双块式无砟轨道结构设计及其施工简介

摘要本文主要是采用了大型通用分析软件 ANSYS 分析路基上 CRTS型双块式无砟轨道混凝土道床板在列车荷载和温度荷载作用下的位移响应和应力响应。通过正确的分析 CRTS型双块式无砟轨道的结构形式，合理的选择钢轨、扣件、道床板、HGT 支撑层、路基的有限元单元模型，并正确合理的建立它们的有限元模型进行有限元分析。通过有限元分析得到道床板内力，根据混凝土结构设计原理进行 CRTS型双块式无砟轨道道床板的结构设计和配筋设计及其验算。本文的主要内容有： 国内外无砟轨道发展状况。主要介绍了高速铁路的优势和日本、法国、德国的无砟轨道发展状况。 双块式无砟轨道结构特点与设计原理。主要介绍了双块式无砟轨道的结构组成及其作用以及 CRTS型双块式无砟轨道的计算理论和设计原理。 有限元分析。应用有限元分析软件 ANSYS 建立正确合理的有限元模型。其中，钢轨采用 BEAM188 单元；扣件及钢轨下的垫板采用 COMBINE14 单元；由于轨枕与道床板有相同的变形，故将其简化为一个模型道床板模型，采用 SOLID65 单元；支撑层采用 SOLID65 单元；路基采用 COMBINE14 单元。分别建立了整体结构有限元模型，钢轨及扣件模型，道床板模型，支撑层模型，路基模型并在其上施加列车荷载、温度荷载及自由度约束。通过求解计算得到CRTS 型双块式无砟轨道混凝土道床板在列车荷载和温度荷载作用下的位移响应和应力响应，并导出道床板和支撑层所承受的纵横向正负弯矩，根据混凝土结构设计原理对道床板和支撑层进行配筋及验算。 CRTS型双块式无砟轨道施工过程简介。双块式无砟轨道施工方法主要有螺栓支撑调节法和钢轨支撑架法。关键词：ANSYS ；双块式无砟轨道；道床板；有限元分析第 1 章 绪论1.1 前言中国是一个典型的大陆国家，经济联系和交往跨度大，需要有一种强有力的运输方式将整个国家和国民经济联系起来，同时引导和促进其他运输方式的发展，铁路最显著的特点是载运质量大，运行成本低，能源消耗少，既在大流量的中长以上距离的客货运输方面具有绝对优势，而且在大流量、高密度的城际中短途旅客运输中具有很强的竞争优势，是最适合中国经济地理特征和人们收入水平的运输方式。尽管从 20 世纪 90 年代以来，中国高速公路和航空业获得了巨大发展，对铁路运输形成了越来越明显的竞争，但是，铁路在国民经济中的支柱作用和在中国综合运输网络中的作用是其他运输方式难以替代的。在效率优先的经济社会，速度就是时间，人们希望出行更为安全、方便、快捷，而铁路的一次次大提速正是满足了人们的这种愿望，其运行时间相对准确及时，不受道路条件的限制，随着铁路服务水平的不断提高，也大大提高了铁路参与运输市场的竞争力。但对于公路运输来说，不仅受到道路等级和路况通阻的限制，在一些事故多发路段的限速规定也使车辆运行时间延长，严重影响了直达快班及长途班线的客源。同时，公路的运输成本相对于铁路大，在运价方面也处于劣势，导致一些经济承受能力较低的旅客把铁路运输作为出行的首选。从长远看，发达的铁路对经济发展具有重要意义。更重要的是，在当前形势下加大铁路投资建设力度更具有现实意义，对拉动经济发展以及相关产业链的增长将发挥积极作用，铁路建设将对劳动力就业等行业产生积极影响。在市场经济体制日益完善和逐步成熟的条件下，多种运输方式相互渗透、相互竞争的局面将长期存在并日趋激烈，在活跃了运输市场的同时，更便捷了群众出行，运输企业应主动发挥其自身优势，与铁路运输一起构成现代综合交通运输网络，让广大的乘客享受更多的便利和实惠。然而随着国民经济和社会的发展，普通铁路已经无法满足人们的需要，特别是主要干线，部分地区常常出现供不应求的状况。 “一票难求” 、 “一车难装”这些词时常出现在我们的生活中。传统的运输方式已经不能满足人民的需要，为了缓解这些矛盾，发展高速铁路依然是必然趋势。建设客运专线，实行客货分线运输，是当今世界铁路发展方向，也是符合中国国情的。1.2 高速铁路的优势高速铁路与普通铁路相比虽然存在着造价高、施工难度大等缺陷，但高速铁路仍然无与伦比的优势： 全天候。高速铁路不受恶劣气候条件限制, 列车按规定时刻到发与运行, 这是飞机、汽车及其他交通运输工具所不及的。 运能大。输送能力大是高速铁路的主要技术优势之一。目前各国高速铁路几乎都能满足最小行车间隔 4 分钟及其以下( 日本可达 3 分钟) 的要求。日本东海道新干线高峰期发车间隔为 3 分半, 每天通过的列车达 283 列, 每列车可载客 1200 人 1300 人, 年均输送旅客达 113 亿人次。 速度快。以北京至上海为例, 在正常天气情况, 乘飞机的旅行全程时间(含市区至机场, 候检等全部时间) 为 5 小时左右 , 如果乘高速铁路的直达列车,全程旅行时间则为 5 小时 6 小时, 与飞机相当 ; 如果乘现有铁路列车, 则需要 15 小时 16 小时。 能耗低。研究表明: 若以普通铁路每人/ 千米消耗能源为 1 单位, 则高速铁路为 11 3, 公共汽车为 115, 小汽车为 81 8, 飞机为 918。 污染轻。电气化高速铁路基本上消除了粉尘、煤烟和其他废气污染; 噪音比高速公路低 5 10 分贝。一架喷气式飞机平均每小时消耗 15 吨燃料。排放 4618 千克二氧化碳,635 千克一氧化碳, 15 千克二氧化硫, 这些物质在大气中将会存留 2 年以上。 安全系数高。高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行, 又有一系列完善的安全保障系统, 所以其安全程度是任何交通工具无法比拟的。 土地利用率高。例如从巴黎到里昂高速铁路的占地( 420 公顷) 小于巴黎戴高乐机场的占地面积 正点率高。西班牙规定高速列车晚点超 5 分钟就要退还旅客的全额车票费; 日本规定到发超过 1 分钟就算晚点。晚点超过 2 小时就要退还旅客的加快费。 舒适 , 方便。高速铁路列车车内布置非常豪华, 工作、生活设施齐全, 座席宽敝舒适, 走行性能好 , 运行非常平稳。减震、隔音的效果好, 车内很安静。乘坐高速列车旅行几乎无不便之感, 无异于愉快的享受。 效益好。高速铁路投入运行以来, 备受旅客青睐, 其经济效益也十分可观。日本东海道新干线开通后仅 7 年就收回了全部建设资金 , 自 1985 年以后, 每年纯利润达 2000 亿日元。德国 ICE 城市间高速列车每年纯利润达 1017 亿马克。法国 TGV 年纯利润达 19144 亿法郎。总之, 高速铁路的社会效益、经济效益有目共睹。1.3 无砟轨道的优缺点。无砟轨道以整体性良好的混凝土或沥青混凝土承载层代替一定级配的石砟道床。与有砟轨道相比，无砟轨道具有以下优点： 轨道的变形主要是由道砟层引起的，而无砟轨道则完美的消除了这一影响，具有轨道变形小且变形累积缓慢，行车平稳性高的特点。 混凝土承载层对荷载的分散作用很大，基底应力均匀，路基的使用寿命长。 无砟轨道结构整体性强，可承受更大的轮轨作用力，因而对线路平纵面的要求可较有砟轨道适度降低，即可采用较大的线路纵坡与较小的曲线半径，以降低工程造价。 无砟轨道的轨道高度低，二期恒载小，在一定条件下可降低隧道与桥梁的工程造价。 无砟轨道最大限度的减少了轨道养护维修工作量，降低作业强度，改善作业条件，其日常养护维修工作量仅为有砟轨道的 10%左右。虽然无砟轨道具有以上优点，但也存在明显的缺点： 无砟轨道的造价明显提高。主要是两方面的原因：一是轨道本身造价的提高；二是由于无砟轨道对下部基础（如路基和桥梁）的修建标准比有砟轨道更高，从而使下部基础修建费用增加了。 无砟轨道的轨道弹性和钢轨的调整量仅靠扣件提供，因而对扣件的要求提高。 有砟轨道的道床具有吸收噪音和减振的作用，而无砟轨道消除了道床从而导致其振动和噪音比有砟轨道大。 无砟轨道具有维修或整治困难的特点。由于无砟轨道具有以上优缺点，因此我们只有通过科学合理的结构设计和严格的施工质量控制，才能尽可能的克服无砟轨道的缺点，让其优点最大限度的发挥出来。1.4 国外无砟轨道发展状况高速铁路具有通过能力大，行车速度快，运输效率高等突出特点，若形成日本新干线板式轨道网络，将更能发挥出快速、安全、舒适的优势。目前，高速铁路轨道结构主要有两种类型：有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道作为传统的轨道结构形式，在国内外高速铁路中得到广泛应用，如日本的东海道新干线和法国高速铁路均全部或部分采用有砟轨道，列车时速可达 300 km/h 以上。无砟轨道作为一种新型的轨道结构形式，因其相比无砟轨道有一些列的优点，国内外对无砟轨道进行了长达半个多世纪的研究，开发出了多种无砟轨道结构形式，并进行了大量的推广应用，积累了较多的经验。1.4.1 日本板式轨道日本板式轨道研发始于 1965 年，集合了当时在轨道，材料，建筑物，土工，物理和有机化学方面的专家共同组成“新型轨道结构的研究”技术课题组。日本各新干线轨道结构构成如图 1-1 所示。其中东北、上越新干线板式轨道分别占全线的 90%和 93%，到目前为止，板式轨道已铺设了约 2700 km，主要用于桥梁和隧道地段日本板式轨道由钢轨、扣件、轨道板、CA 砂浆与混凝土底座板构成。日本板式轨道的扣件类型主要有直结 4 型、直结 5 型、和直结 8 型。无砟轨道的弹性和几何形位的调整主要通过扣件来进行，因此无砟轨道扣件结构因具有合理的弹性及高低左右调整的能力。可以毫不夸张的说，从某种程度上来讲，无砟轨道配套扣件的研发成功与否，直接决定了无砟轨道的经济性及其成败。轨道板由工厂预制，可保证制造质量和精度。温暖地区大都采用的钢筋混凝土轨道板，除部分防振板外，轨道板厚度统一规定为 160 mm,随着在寒冷地区的应用（如东北、上越等地） ，为适应轴重的增加，避免冻害，增加了轨道板上层钢筋的保护层以及加配了预应力筋，轨道板厚度增至 190 mm。CA 砂浆位于轨道板和道床板之间，其主要作用为施工调整，阻断下部基础施工误差使之不能影响上部结构，并可为轨道提供一定弹性。钢筋混凝土现浇底座板作为板式轨道的基础，在路基、桥梁和隧道地段均需修建。应严格控制底座板的施工精度。底座板上每隔一段距离设置凸形挡台，用来固定轨道板的纵横向位置。1.4.2 德国无砟轨道19591988 年是德国无砟轨道研发与试铺期，共试铺无砟轨道 36 处，累计 21.6 km。到 2003 年，德国铁路无砟轨道铺设总长度超过 600 km,其主要的结构形式有雷达、旭普林和博格等，其中包含 57 组无砟道岔。雷达型无砟轨道因铺设于雷达车站而得名，是由德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心研发的于 1972 年铺设的。运营实践表明，除需少量的调整钢轨扣件作业外，几乎没有其他维修作业。在德国高速铁路上已铺设 470 km,韩国高速铁路上铺设 50 多 km,中国台湾高速铁路的 96 组道岔也为雷达轨枕埋入式无砟道岔。雷达 2000 型无砟轨道主要由钢轨、扣件、双块式轨枕、混凝土道床板和下部支撑体系（底座或水硬性支撑层）等构成。旭普林型无砟轨道于 1974 年研发，与雷达无砟轨道相似，均为水硬性支撑层上连续铺设的双块埋入式无砟轨道。与雷达无砟轨道的主要区别为施工方法雷达 2000 型无砟轨道旭普林无砟轨道博格板式无砟轨道不同。旭普林无砟轨道于 1999 年获得了德国联邦铁路管理局的建造许可，于2005 年又获得了延期许可，目前在德国高速铁路上已铺设 70 km。博格板式无砟轨道的前身是 1977 年铺设在德国卡尔斯费尔德达濠试验段的一种预制板式轨道。其结构组成类似于日本新干线板式轨道，主要由钢轨、vossloh300 扣件、轨道板、 BZM 砂浆及下部支撑体系等组成。于 2000 年获得由德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可应用于设计时速 330 km/h 的高速铁路上，2006 年 5 月投入运营的纽伦堡英格施塔特线铺设了 35 km（双线）的博格板式轨道。1.4.3 其他形式的无砟轨道减振降噪型无砟轨道 无砟轨道由于刚度大、表面平整易反射噪音，因而具有噪声较有砟轨道大的特点，为此开发了一系列减振降噪型无砟轨道，如弹性支承轨道、日本减振型板式轨道等。弹性支承轨道是目前国内外在快速铁路和城市轨道交通中广泛应用的一种减振型无砟轨道。最初由 Rogersonneville 提出并研发，瑞士国铁于 1996 年在隧道内首次试铺，在瑞士、丹麦、葡萄牙、比利时、中国等国铁路均得到应用和发展。日本的减振降噪型板式轨道 是在普通板式轨道上进行改造，主要采用在轨道板与 CA 砂浆层间加设橡胶弹性垫层、将轨道板的表面做成凹凸不平并铺设小碎石等措施来达到降噪效果，但减振降噪效果不如弹性支承轨道。连续支承轨道 是为了克服钢轨支撑点带来的轨道受力和变形不均匀问题而研发。连续支承轨道在荷兰和英国得到较快发展，如英国研发的 PACT 型无砟轨道。PACT 型轨道 PACT 型轨道于 1969 年开始研究和试铺，1973 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大、和荷兰等国的重载和高速线的桥、隧结构上应用，铺设总长度约为 80 km。IPA 板式轨道 意大利的 IPA 板式轨道与日本新干线板式轨道相似，轨道板两端各有一个半圆柱，可插进混凝土底座的预留孔中。自 1984 年以来，意大利铁路铺设超过 98 km，其中，在 Roma-Firenze 高速铁路隧道和桥梁上铺设 5 km。1.5 我国无砟轨道发展概况我国无砟轨道的发展可追溯至上世纪 50 年代，与目前无砟轨道发展较好的日本、德国等几乎同步开始，但因我国列车速度长期较低以及国家财力有限，故无砟轨道在 70 90 年代放缓了速度。我国初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床以及框架式沥青道床等多种形式。19561961 年间，全国修建整体道床约 8 km。从 1965 年开始在长大山岭隧道内大量采用混凝土整体道床，先后在成昆线、京原线、丰沙线、太焦线、京通线、南疆线等长度超过 1 km 的隧道内铺设，总体长度约 300 km。在京九线九江长江大桥引桥上铺设过无砟无枕结构，长度约 7 km。20 世纪 80 年代曾铺设过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床，全部铺设在大型客站和隧道内，总长度约 10 km。 20 世纪 90 年代以来，为适应我国铁路提速以及高速铁路发展的需求，我国无砟轨道的发展进入了一个黄金时期。自 1995 年以来，在铁道部相关科技开发项目的支持下，先后选择了 3 种具有代表性的无砟轨道（板式轨道、长枕埋入式轨道、弹性支承轨道）进行研究、设计与试铺。其中的弹性支承轨道于 1996 年、1997 年先后在陇海线白清和安康线大瓢沟隧道铺设试验段。在秦岭隧道一线、秦岭隧道二线正式推广使用，合计无砟轨道长度约 36.8 km，并先后于 2001 年，2003 年开通运营。之后又陆续在宁西线（南京西安） 、兰武复线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用，已经铺设和正在铺设的这种无砟轨道累积近 200 km。图 1-2 为弹性支承块式无砟轨道。 第 2 章 双块式无砟轨道设计原理与主要特点2.1 概述根据世界各国对无砟轨道的设计经验和理论，无砟轨道的结构设计应尽量考虑通用性，以确保在不同运营环境下列车运行的安全性和舒适性。对不同的温度带，不同的线路条件的无砟轨道需要根据不同的受力特性进行结构设计，并且需要对无砟轨道的层次结构和各部位的连接方式进行细致的研究，以确保设计的安全性、合理性和经济性。我国早期的无砟轨道主要应用于隧道内，基础条件好，温度变化小，受外界环境的影响小，因此视无砟轨道为抗弯结构，主要考虑列车荷载弯矩，按容许应力法计算。遂渝线板式轨道和双块式无砟轨道的设计中主要也是采用列车荷载弯矩对无砟轨道进行结构设计。铁路轨道的主要功能是承受列车荷载和引导列车运行，对列车荷载弯矩的计算，是世界各国在无砟轨道设计中均要考虑的主要因素。传统的轨道结构荷载应力计算主要采用弹性地基梁理论，把钢轨视为弹性地基上的长梁，轨下基础以温克尔地基模型模拟。为了同时得到 CRTS型双块式无砟轨道在列车荷载下的应力状态，可将钢轨，道床板及支承层视为弹性地基上的三层叠合梁模型。2.2 CRTS型双块式无砟轨道的主要特点无砟轨道取消了道砟层，改用混凝土或沥青作为道床，典型的结构特点为： 具有均匀、连续支承的层状体系结构。层状体系结构能很好的适应带状线路工程的需要，实现了垂向荷载逐层传递和扩散，保证了结构的经济合理，同时具有更好的结构连续性和刚度均匀性。 以扣件作为轨道弹性和几何调整的主要解决方案。由于取消了道砟，以半刚性道床代替，原来由道砟提供的弹性、方便调整轨道几何形位的功能现在均由扣件提供，轨道弹性、几何形位调整由原来的扣件、道床提供到现在的主要由扣件提供。 具有更为明确的承力传力路径和传力部件 无砟轨道及部件应作为结构物看待 需要稳定的下部基础。无论是预制组装还是现浇无砟轨道，为保证其耐久性、整体性等基本性能，均需要稳定的下部基础。 对施工质量提出更高的要求。CRTS型双块式无砟轨道除了拥有以上无砟轨道的结构特点外，还拥有其自身的结构特点。CRTS型双块式结构特点如下： 结构整体性及横向稳定性强，结构整体平顺性较好； 分层设计，受力明确； 施工灵活，适应性强； 双块式轨枕采用桁架钢筋连接，工厂化生产，精度高； 轨道结构刚度从上至下逐层递减； 轨道结构整体性强； 桥上双块式无砟轨道，道床板为单元分块结构，道床板与底座间设置中间隔离层，并采用凹槽限位； 无砟轨道结构只包含道床板与底座/支承层二层，造价相对较低。2.3 CRTS型双块式无砟轨道的计算理论CRTS型双块式无砟轨道的各承载层在厚度方向的尺寸远小于在长度方向和宽度方向的尺寸，且荷载作用下的挠度远小于厚度，符合弹性薄板的结构特点，可以采用板壳理论模拟：钢轨属于细长结构，应采用梁理论模拟。扣件（包括轨下垫板）及下部基础采用弹簧模拟，道床板和支承层采用板壳模拟。同时，还可以采用弹性地基叠合梁理论和弹性地基有限元理论模拟，本节就这三种理论做简要介绍。2.3.1 弹性地基梁板理论一、弹性地基梁板理论计算模型图 2-1 为无砟轨道弹性地基梁板理论计算模型。双块式轨道的钢轨、道床板、支承层形成弹性地基梁板模型。模型中钢轨采用弹性点支承梁模拟，扣件采用线性点支承弹簧模拟，支承层和下部基础间简化为均布线性弹簧，弹簧的面刚度依据下部基础特性计算确定取值。对单元式双块式轨道，由于相邻单元间连接不足以持久的保持道床板与支承层的紧密连接，故道床板和支承层按照分离的双层板计算。道床板与支承层间简化为均布线性弹簧。对于连续式双块式轨道，道床板与支承层紧密联系，应将道床板和支承层按板厚及弹性模量折算为等效单层板计算。双块式轨道计算中，只对道床板进行配筋计算和验算，对支承层仅纳入计算而不对支承层受力进行检算。钢轨采用梁单元模拟，截面为 60 kg/m 新轨断面，材料特性为钢，用有限元法分析时，以梁的竖向位移和转角位移为已知量： e=vi， i， vj， j式中， = 。钢轨梁单元的位移模式为：N= 1322+233， +22 32， 322233， 232单元刚度矩阵为：ke=12 3 6 26 2 4 12 3 6 26 2 2 12 3 6 26 2 2 12 3 6 26 2 4 道床板采用小挠度的弹性薄板模拟，材料特性为混凝土，实常数为道床板的厚度。扣件采用离散支承的线性弹簧模拟，实常数为弹簧刚度，其单元刚度矩阵为：ke= 00 其中，K扣件刚度。地基通常可以分为弹性地基和塑性地基，但高速铁路无砟轨道的基础不允许出现塑性变形，因此无砟轨道的地基通常为弹性地基。弹性地基的计算方法有 Winkler 地基系数法和半空间法两种，由于 Winkler 地基系数法使计算结果更偏于安全且计算简便，因此我国多采用 Winkler 地基系数法。二、弹性地基叠合梁理论弹性地基叠合梁理论就是将钢轨、道床板、支承层等构成的无砟轨道，在纵向和横向上视为弹性地基叠合梁。无砟轨道沿轨道纵向的挠曲变形及弯矩计算，均要考虑到实际轨道的状态和平面布置情况，采用如图 2-4 所示的计算模型。即用弹簧将一股钢轨连同半宽的道床板和混凝土支承层联结成一个整体，作为三重叠合梁置于弹性地基上。道床板和支承层在钢轨支点作用下的横向挠度和弯矩计算，可从相邻钢轨扣件截取道床板和支承层截梁（宽度为一个轨枕间距即一个扣件支点间距） ，构成弹性地基二重叠合梁模型。三、弹性地基梁体有限元理论弹性地基梁体有限元理论是本文进行有限元分析采用的模型。在梁体有限元理论中，钢轨，扣件，道床板，支承层，路基等部分，分别采用以下单元模型模拟： 钢轨采用弹性点支承梁单元。 扣件及轨下垫板采用弹簧单元模拟。 道床板和支承层采用根据其实际尺寸采用实体单元。 路基采用线性弹簧单元，其实常数为刚度，由地基系数等效得到。本文中，为了消除边界效应，模型选取两块单元道床板进行计算，道床板的纵横向正负弯矩通过积分计算得到。梁体有限元模型如图所示。2.4 CRTS型双块式无砟轨道结构设计2.4.1 概述CRTS型双块式无砟轨道技术是在引进、消化、吸收德国旭普林无砟轨道技术的基础上, 通过再创新形成的成套技术。CRTS 型双块式无砟轨道由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、支承层或底座（在桥梁上设置，路基与隧道地段可不设）等部分组成。双块式无砟轨道为现场混凝土浇筑，且施工方便，道床板与底座的宽度设计一致，适合在各种条件下铺设。2.4.2 双块式轨道的设计思路与设计方法一、主要设计思路双块式轨道是将双块式轨枕埋入现浇混凝土中形成连续道床板，在道床板和路基之间设置支承层刚度过渡，其主要的设计思路为： 双块式无砟轨道借鉴了公路成熟的应用经验，将无砟轨道做成弹性模量逐层递减的分层结构，如图 2-5 所示。 双块式无砟轨道采用了连续结构增加了轨道的整体性，减小了不平顺性，增加了层间联结的紧密性和可靠性。 双块式无砟轨充分利用了有砟轨道中预制轨枕的功能即方便轨枕定位与扣件设置，施工简便快捷。二、设计方法路基上 CRTS型双块式无砟轨道为连续双层系统，根据 Eisenmann 多层理论，在道床板与支承层完全黏结的条件下，可以将该双层系统转化为弹性地基上的单层混凝土等效梁。由无限长弹性地基梁求得的钢轨支点作用力产生的弯曲应力以 T 梁的方式分配到两层中。 CRTS型双块式无砟轨道的道床板允许带裂纹工作，道床板中配置的钢筋起到保证结构整体性和限制裂纹宽度的作用，最小配筋率为 0.8%0.9%。为保证钢筋的耐久性，钢筋须设在道床板截面的中间位置。路基上 CRTS型双块式无砟轨道采用容许应力法，按以列车荷载和温度荷载为主的两种情况分别进行设计与计算。桥梁地段采用单元式轨道，按承载能力极限状态法进行设计与计算。2.4.3 路基上 CRTS型双块式无砟轨道各组成部件的设计一、钢轨钢轨的作用主要是为车轮的滚动提供连续且阻力最小的接触面，用于引导列车运行，直接承受列车的荷载，并将所承受的荷载分布传递于轨枕，在自动闭塞区段，还兼做轨道电路之用。双块式无砟轨道采用的钢轨为 60 kg/m。二、扣件由于无砟轨道取消了有砟轨道中增弹减振和调整轨道变形的道砟层，轨道所需的弹性和调整量几乎全部由扣件提供。因此无砟轨道的扣件比有砟轨道的扣件要求高得多。无砟轨道的扣件多数采用分开式二阶或三阶调整、减振的构造形式。我国自 20 世纪 50 年代开始研发无砟轨道以来，先后研发了一系列无砟轨道扣件，主要有：弹片和弹条型调高扣件、TF-Y 扣件、型和型弹条分开式扣件等。经研究分析发现：道床板和支承层的纵横向弯矩均随扣件刚度的增加而增加，但对纵向弯矩的影响强于横向弯矩。扣件刚度越大，荷载分散的范围越小，轨道板、支承层的位移和荷载弯矩也越大。随着扣件的老化，扣件刚度随之变大，扣件的动静刚度比也会大于 1，扣件的组装刚度一般情况下都大于胶垫刚度和弹条刚度之和。基于以上原因，在设计过程中应采用扣件的动刚度进行设计。扣件的设计也应参照遵循客 运 专 线 扣 件 系 统 主 要 技 术 说 明 。客运专线各扣件系统适用条件扣件系统 客运专线类型 轨道结构 类型 承轨槽挡肩结构弹条 IV 型扣件系统 有碴轨道 无挡肩弹条 V 型扣件系统最高速度 250 km/h 和 350 km/h 客运专线 有碴轨道 有挡肩WJ-7A 型扣件系统 最高速度 250 km/h 客运专线 无碴轨道 无挡肩WJ-7B 型扣件系统 最高速度 350 km/h 客运专线 无碴轨道 无挡肩WJ-8A 型扣件系统 最高速度 250 km/h 客运专线 无碴轨道 有挡肩WJ-8B 型扣件系统 最高速度 350 km/h 客运专线 无碴轨道 有挡肩最高速度 350 km/h 客运专线：轴重 170 kN（考虑轴重可能增加 10%） 。最高速度 250 km/h 客运专线（兼顾货运）：客车最大轴重 230 kN（客运机车） ，货车最高速度 120 km/h，最大轴重 250 kN。根据上表以及本文设计任务书要求，在本文中扣件采用弹条型扣件。三、道床板当道床板与支承层为分离式双层结构时，道床板的纵横向弯曲应力随道床板厚度的增加而降低，但横向弯曲应力减小的速度较纵向块。随着道床板厚度的增加支承层的纵横向应力减小，但变化幅度不大。道床板的宽度对道床板的纵向弯曲和支承层的纵横向弯曲影响很小，但对道床板的横向弯曲较大。随着道床板宽度的增加，道床板的横向弯曲应力增大，就需要增加配筋，经济上和结构受力上均不合理。因此，在满足双块式轨道最窄宽度的情况下应采用较窄的道床板宽度。当道床板与支承层为结合式双层结构时，与分离式相同，道床板和支承层应力随道床板厚度的增加而降低，但道床板应力降低的速度快于支承层。因此在满足受力的情况下，应从经济性和配筋的方便性对道床板的厚度进行考虑。同时，道床板的纵向弯曲应力随着道床板的宽度增加而降低，而对道床板的横向应力影响不大。综合以上分析，考虑到经济性、结构受力的合理性、配筋的方便性，本文采用的道床板尺寸为：2.8 m0.3 m。四、支承层道床板和支承层应力随支承层厚度的增加而逐渐减小，但由于支承层的弹模和抗弯刚度均比道床板小，故支承层厚度对荷载应力的影响远不如道床板厚度。随着支承层宽度增加，道床板和支承层的纵向弯矩逐渐减小。综合以上分析，考虑到经济性、结构受力的合理性，本文采用的支承层尺寸为：3.4 m0.3 m。第 3 章 有限元分析及配筋3.1 有限元分析方法简介有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替较复杂的问题后再求解。有限元法将求解域看成是由许多被称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个较合适的近似解，然后推导出在这个域总的满足条件，从而得到问题的解。而这个解是近似解，不是准确解，因而实际问题被简单的问题所代替。有限元法应用于结构分析时，是将连续的结构离散成有限个单元，每个单元中设定有有限个节点。因此，就可以将连续体看成只是在节点处连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元假设一近似插值函数以表示单元场函数的分布规律；进而利用某些力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的自由度问题。更具体来说，有限元法分析过程可以分为如下 5 个步骤： 结构离散化。离散化就是指将所分析问题的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，形成有限元网格。结构离散化时，划分单元的大小和数目应根据计算精度和计算机的容量等因素来确定。 选择位移插值函数。为了利用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设，即假设位移是坐标的某种简单函数。通常选择多项式作为位移函数。同时选择位移函数应注意以下几个方面： 多项式应等于单元的自由度数。 多项式阶次应包含线性项和常数项。 单元自由度等于单元节点独立位移的个数。位移矩阵为：f=N e其中 f为单元内任意点的位移。N为行函数。 为单元节点的位移。 分析单元的力学特性。先用几何方程推导出用节点位移表示的单元应变： =B e式中， 为单元应变； B为单元应变矩阵。再由本构方程推出用节点位移表示的单元应力： =DB e式中，D有关材料的弹性矩阵。最后由变分原理得到单元上节点力和节点位移间的关系即平衡方程：Fe=ke e式中，k e 为单元刚度矩阵：k e= 集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。即先将各个单元的刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各个单元的等效节点力列阵集合成总的荷载阵列称为总刚度矩阵K：K= k e由总刚度矩阵形成整体结构的平衡方程：K =F 由平衡方程求解未知节点位移和计算单元应力。有限元求解程序的内部过程如图 3-1 所示。结构离散化，生成有限元模型计算单元刚度矩阵形成总刚度矩阵形成节点荷载向量引入约束条件解方程组输出节点位移计算并输出单元应力3.2 ANSYS 分析简介进行有限元分析的软件有很多，目前应用较多的通用有限元软件有：MSC/Nastran ; MSC/Dytran ; MSC/Marc ; ANSYS ; ADINA ; ABAQUS 等。本文采用的有限元分析软件是 ANSYS。ANSYS 软件是一个集结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，该软件很好的实现了前、后处理，分析求解及多场耦合分析统一数据库功能。ANSYS 软件可以广泛的应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、材料成型、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究等领域。一个典型的 ANSYS 分析过程主要包括前处理, 加载与求解和后处理 3 个阶段： 前处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分。 加载与求解。加载是对有限元模型施加荷载和自由度约束，求解是通过数值计算的方法求解数学方程。 后处理。后处理是指采集处理分析结果，使用户能简便的提取信息，了解计算结果。ANSYS 可以进行的分析类型有：静态（或稳态） 、瞬态、调谐、模态、频谱、挠度和子结构分析，但无论哪一种分析都有一套固定的流程即 ANSYS 分析问题的典型步骤： 建立有限元模型。ANSYS 将模型分为实体模型和有限元模型两大类。实体模型由关键点、线、面和体组成，用来直接所求描述问题的几何特性。有限元模型是实际结构和物质的数学表达方法。其中建立有限元模型的步骤又可以细分为： 指定工作文件名和标题名。 定义单元类型和实常数。 定义材料属性。 创建有限元模型。 加载与求解。这个步骤需要进入 SOLUTION 处理器来完成求解类型定义、分析选项设置、施加荷载、荷载步选项设置并最终求解的流程。这个步骤又可细分为： 定义分析类型和设置分析选项。 施加荷载。 设置荷载步选项。 求解。 结果后处理和结果查看。在完成步骤二之后，需要查看计算结果，这需要在后处理中完成。ANSYS 后处理器包括两个模块即通用后处理器 POST1 和时间历程后处理器 POST26双块式无砟轨道结构的构成复杂，受力复杂，因而采用理论解析方法很难准确分析出整体轨道的受力状态。本文从连续弹性基础梁体理论和有限元数值分析方法出发，建立双块式无砟轨道的有限元模型，并分析其在列车荷载和温度荷载作用下的承载力状态。计算结果表明，有限元数值分析结果与解析解差异较小。分析结果表明，可采用这种方法进一步参数化分析轨道承载力的影响因素，分析结果对道床板的配筋设计具有指导作用。3.3 CRTS型双块式无砟轨道各组成部分单元类型的选择根据CRTS型双块式无砟轨道的受力特点，本文在模拟分析中采用大型商业通用有限元分析软ANSYS 的SOLID65 单元模拟道床板和混凝土，COMBINE14 单元模拟扣件和路基和BEAM188 单元模拟钢轨。3.4 模型处理模型由尺寸为6.5x2.8x0.26m 3 的混凝土道床单元板构成。为消除边界效应，模型选取三块单元道床板进行计算。以中间单元板为研究对象，计算的应力数据经积分运算得到道床板纵横向弯矩。钢轨所受列车荷载只考虑列车转向架的作用并取轴重为300KN 。整个模型结构(见图 3.1)。模型包括钢轨，道床板，支撑层，路基。钢轨用BEAM188 单元模拟，道床板、支承层用 SOLID65 单元模拟，扣件和路基用COMBINE14 单元模拟，整个有限元模型共有 SOLID65 单元 11880 个，其中模拟道床板的 SOLID65 单元有 5400 个，模拟支承层 SOLID65 单元有 6480 个。BEAM188 单元 120 个。COMBINE14 单元 2317 个，其中模拟扣件的 COMBINE14单元有 60 个，模拟路基的 COMBINE14 单元有 2257 个。钢轨采用标准 60 轨，钢轨与钢板之间采用弹性连接，根据无砟轨道扣件系统的规范，横向和水平的弹簧特性应被定义为尽可能真实的重塑模型，这些弹簧被应用于每一个钢轨和道床板的对应节点处。钢轨采用 BEAM188 单元。网格划分时为保证钢轨节点与轨道板节点一一竖直对应，须用 LINESET 对钢轨进行设置，其中单元长度为半个轨枕间距即半个扣件间距，本文采用的轨枕间距为0.65m。模型采用 60 轨实际断面，在 ANSYS 中采用命令流的方式绘制，绘制 60轨的命令流如下：finsh$/clear$/prep7!定义参数h1=0.0305$h2=0.0485$h3=0.0485b1=0.04575$b2=0.02925$b3=0.0165$b4=0.0365$b5=0.010xd1=1/3$xd2=1/9$xd3=1/3$xd4=1/20r0=0.400$r1=0.002$r2=0.004$r3=0.040$r4=0.020$r5=0.025r6=0.008$r7=0.013$r8=0.080$r9=0.300$r10=0.002fai=43h=h1+2*h2+h3！创建轨底主要部分的线k,1$k,2,b1+b2$k,3,b1+b2,h1-b1*xd1-b2*xd2$k,4,b1,h1-b1*xd1$k,5,0,h1*do,i,1,4$l,i,i+1$*enddo！计算轨头下三个圆弧的位置cta=atan(xd3)$bta=(90-fai)*acos(-1)/180-cta$a=1/tan(cta)c1=b3/2+r0-r6*sin(cta)-(r5-r6)*cos(bta)c2=r5*sin(bta)+r6*cos(cta)-r6*sin(bta)-h2c=(c1-c2/tan(cta)/(r0-r5)$c3=a*c-sqrt(a*a-c*c+1)$c3=c3/(a*a+1)refa=asin(c3)c1=r6*sin(cta)+(r5-r6)*cos(bta)+(r0-r5)*cos(refa)！创建轨腰和轨头结构线roux=b3/2+r0-c1$rouy=roux*tan(cta)$angi=asin(h1+h2)/r0)k,6,b3/2+r0-r0*cos(angi)k,7,b3/2+r0-r0*cos(refa),h1+h2+r0*sin(refa)larc,6,7,2,r0dx1=r6*(cos(bta)-sin(cta)$dy1=r6*(cos(cta)-sin(bta)k,8,roux-dx1,h1+2*h2+rouy-dy1k,9,roux,h1+2*h2+rouylarc,7,8,2,r5$larc,8,9,2,r6k,10,b4,h1+2*h2+b4*xd3k,11,b4-(h3-b4*xd3)*xd4,hl,9,10$l,10,11angi=asin(b5/r9)k,12,0,h$k,13,b5,h-(r9-r9*cos(angi)larc,12,13,1,r9dx1=b4-b5+r8*sin(angi)$angi1=asin(dx1/r8)y1=r8*cos(angi)-r8*cos(angi1)k,14,b4,ky(13)-y1$larc,13,14,1,r8！倒角和弧线连接lfillt,1,2,r1$lfillt,2,3,r2$lfillt,3,4,r3lptn,4,5lfillt,17,18,r4lfillt,8,9,r10lptn,9,11lfillt,20,22,r7ldele,15,16,1,1$ldele,19,21,2,1lsymm,x,all$nummrg,all$numcmp,all道床板由钢筋混凝土单元板组成，道床板单元板长度为6.5m，浇筑在支撑层上，埋入CRTS型双块式轨枕。由于CRTS 型双块式无砟轨道的轨枕是和道床板连接在一起的，它们具有相同的弹性模量及刚度。因此，在使用ANSYS模拟道床板的轨枕模型时将道床板与轨枕简化模拟为一个6.5x2.8x0.26 m3长方体（图3.5 ） 。道床板采用SOLID65单元，材料采用C40 混凝土。网格划分时，为控制道床板网格节点和和轨道网格节点上下垂直对应以保证列车轴载能够竖直的传递至轨道板，须采用LINE SET 对道床板网格划分进行设置，其中纵向单元长度与钢轨设置一样，即都为半个扣件间距0.325 m。横向和竖向为保证计算准确，单元长度均设置为0.1 m。支承层模型采用和道床板相同长度的长方体（图3.6）来模拟，具体尺寸为6.5 x 3.4 x 0.3 m3 ，材料为c15混凝土，单元类型为 SOLID65，和道床板一样采用映射划分单元的方法划分支承层模型，同样采用LINE SET 对支承层网格划分进行设置，具体设置同道床板一样。支承层以下为处理后的路基，在ANSYS中有两种方法模拟路基，一是用实体模拟，二是像模拟扣件一样用弹簧单元模拟，本文用弹簧单元模拟，弹性模量为76 MPa。地基模型采用弹簧单元 (图3.7)模拟，如图3.7 所示，对支承层网格划分完毕之后，在支承层的下底面的每个节点处添加 弹簧单元来模拟支承层与地基的基础模型，对模拟弹簧的下端用全约束处理，即弹簧下端各个方向的变形均为零。3.5 荷载情况钢轨承受的荷载有静载、恒载和温度梯度等。为简化处理、计算方便及安全考虑静载和恒载统一为300 KN, 考虑到钢轨长度只有 19.5 m，列车只能有一个转向架既两个轮对作用于钢轨上，将其简化为四个集中荷载作用在钢轨上，每个集中荷载300 KN（图3.9） 。由于混凝土的热传导性能差，最上层混凝土道床板直接受日照和大气温度的影响，温度变化的影响随距表面的深度而逐渐减弱，从而形成温度梯度，使道床板出现纵向伸缩的同时产生翘曲变形，当翘曲变形受到约束时，道床板内将产生翘曲应力，因此为更好地模拟道床板的受力情况，必须要考虑温度梯度的影响。同时温度梯度也是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象，在本文中温度从钢轨、轨枕、道床板到支承层逐层递减并取温度梯度为45。3.6 ANSYS结果分析由于列车作用在钢轨上的轴载位置是不断变化的，因此，对钢轨加载时的用轴重的位置是随机不定的，又因为CRTS型双块式无砟轨道在在纵向是一个连续的整体，所以在任意一位置加载都是可以满足变形要求的。3.5.2 位移响应无砟轨道在列车荷载及其温度荷载下，其结构的变形应满足设计规范所规定的要求。从整体结构的位移响应看来，整体结构的变形（图 3.10）基本上呈现对称分布，其中 X 和 Z 方向的位移都很小，X 和 Z 方向的位移分别为 0.0585 mm 和 0.0290 mm，这主要与 X，Z 方向没有荷载有关，而在 Y 轴方向钢轨、扣件、道床板和支承层在荷载作用下变形也很小，只有 0.209 mm，这是很合理的。因为无砟轨道从上至下共 4 层来承担轴载，并且刚度由上到下递减。除此之外钢轨与轨枕之间是弹性连接的，其本身也可看作一个连续梁结构，在列车荷载作用下钢轨最大下降了 2.98 mm，这是合理的。整体结构的位移变形合理，满足规范所规定的要求。3.5.3 应力响应无砟轨道在列车荷载及其温度梯度作用下，首先钢轨的应力不能超过规范所规定的设计值，但是最重要的是，道床板是一个混凝土结构，在使用过程中不能承受过大的拉应力，因此主要检验道床板的拉应力是否满足规范的要求，同时还要检查支承层，因为为素混凝土结构，也不能承受较大的拉应力，因此也要检验支承层的拉应力是否满足规范的要求。钢轨作为一个连续梁结构，在支座及集中荷载处，钢轨的弯矩有极值，因此在这些位置钢轨的应力比较大，从图中也可看出这一点，这样的内力分布（图 3.11）是很合理的，而应力最大值为 3.43 MPa，满足规范规定的设计值。3.6 弯矩3.6.1 温度梯度计算温度梯度应力只考虑受阳光照射的最上一层板或其他部件，下层板或部件不考虑翘曲应力。如道床板考虑温度梯度应力，支承层、 路基等不考虑翘曲应力。温度梯度应力要分别计算“上热下冷” 和“上冷下热 ”两种情况， “上冷下热”情况的计算结果主要用于相关疲劳检算。为简化计算， “上热下冷”和“上冷下热” 温度梯度取为相同，且温度梯度在断面上按线性分布。由于最大温度梯度是历年来测得的温度梯度最大值，发生的几率很小。因此，只有当单独检算翘曲应力或位移时才使用最大值，当温度梯度与其他荷载（如列车荷载）组合进行计算和检算时，采用经常出现的温度梯度，即常用梯度。常用梯度的取得，应在大量测试的基础上，统计得到温度梯度的平均值和均方差，以平均值加 3 倍均方差为常用梯度值。温度梯度值参考我国铁路规范中的相关取值，但因道床板宽度方向的尺寸比公路路面小得多，再参考德国无砟轨道对温度梯度的取值，建议取为规范(JTG D40-2002)公路水泥混凝土路面设计规范中设计规定值的一半。温度梯度引起的翘曲应力按公路混凝土路面有关规范(JTG D40-2002)公路水泥混凝土路面设计规范进行。计算分析表明，对于厚度为 0.22 m