（道路与铁道工程专业论文）客运专线桥上无缝道岔空间力学特性的研究.pdf

摘要 随着客运专线和城市轨道交通的建设与发展，由于环保、地形和地质条件的 限制，不可避免的会有一些道岔全部或部分设置在大桥、特大桥或高架桥上。如 郑西客运专线新渭南车站由于地形和地质条件的限制必须采用高架车站方案。 本文针对客运专线桥上多采用无砟轨道的特点，重点研究桥上无砟轨道无缝 道岔空间力学特性的计算方法。采用桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算方法， 对客运专线桥上无砟轨道1 8 号可动心轨单渡线的空间力学特性进行了详细研究。 本文主要研究内容和成果如下： 1 ) 基于有限元分析软件a n s y s 建立了桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算 方法，并编写了桥上无缝道岔空间力学特性有限元程序。 2 ) 依据某实际工程，计算了桥上无砟轨道1 8 号可动心轨单渡线在温度荷载 和列车荷载作用下的空间力学特性，尤其是温度荷载作用下的无缝道岔钢轨横向 变形。 3 ) 分析了桥梁因素对桥上无砟轨道无缝道岔空间力学特性的影响，如桥梁类 型、桥墩沉降、桥梁截面抗弯刚度、桥梁跨度和桥梁与道岔相对位置等因素。 4 ) 分析得出了桥上无砟轨道无缝道贫空间力学特性的一些规律和结论，为客 运专线桥上无砟轨道无缝道岔的设计、铺设及养护维修提出一些建议。 关键词：客运专线无缝道岔桥梁空间力学特性有限元 分类号：u 2 1 3 6 堂i 立论奎堑据塞 a b s t r a c t a st h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e sa n du r b a nt r a c k t r a f f i c ，a n dw i t ht h el i m i t a t i o no fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , o r o g r a p h i ca n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，s o m es w i t c h e ss h o u l db et o t a l l yo rp a r t l yl a i do nb r i d g e , m a j o rb r i d g eo r v i a d u c t f o re x a m p l e ，z h e n g z h o u - x i a np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n em u s ta d o p tt h e s c h e m et h a ts t a t i o ni so nv i a d u c t i nt h i sp a p e r , w ea i ma tt h ew i d e l yu s e db a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g ei np a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e s ，a n dw ed om a i nr e s e a r c ho nm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h es p a t i a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw e l d e ds w i t c h e sf o rb a l l a s f l e s st r a c ko rt h eb r i d g e 1 1 1 e m e t h o du s e di n t h i ss t u d yi sk n o w na sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , a n dr e s e a r c hh a sb e e n c a r r i e do u ti nd e t a i lo rs p a t i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn o 1 8m o v a b l e - p o i n ts i n g l e s w i t c ha n ds i n g l ee r o s s o v e rf o rb a l l a s t l e s st r a c k0 1 1b r i d g ei np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 1b a s e do nt h ef i n i t ee l e m a n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，am e t h o di se s t a b l i s h e df o r c a l c u l a t i n gt h es p a t i a lm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fw e l d e ds w i t c h e so nb r i d g e ，i t p r o g r a mi s a l s oc o m p i l e df o rc a l c u l a t i n gt h es p a t i a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w e l d e ds w i t c h e so nb r i d g e 2 1 a c c o r d i n gt o a na c t u a lp r o j e c t ，t h es p a t i a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fn o 1 8 m o v a b l e - p o i n ts i n g l ec r o s s o v e r f o rb a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g ei np a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n e sa r ec a l c u l a t e d u n d e rb o 也t h et e m p e r a t u r el o a da n dt h el i v el o a do ft h et r a i n r e s p e c t i v e l y ，e s p e c i a l l yt h el a t e r a ld e f o r m a t i o no ft h ew e l d e ds w i t c h e sr a i lu n d e rt h e t e m p e r a t u r el o a d 3 ) i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ec r o s s o v e rf o r b a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g ei np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e si sa n a l y z e d ，s u c ha sb r i d g e 啉 s e d i m e n t a t i o no fb r i d g ep i e r , f l e x u r a lr i g i d i t yo fb r i d g ec r o s s - s e c t i o n , s p a no fb r i d g e , r e l a t i v ep o s i t i o no f s w i t e h e sa n db r i d g e ，a n ds oo n 舢t h e r e g u l a r i t i e sa n dc o n c l u s i o no nt h es p a t i a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e t , - t o s s o v e rf o rb a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g ei so b t a i n e di n t h i sp a p e r , p r o p o s a l sf o rt h e d e s i g n ，l a y i n ga n dm a i n t e n a n c eo f s i n g l ec r o s s o v e rf o rb a l l a s t l e s st r a c ko nt h ep a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e sb r i d g ea r ea l s op u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ；w e l d e ds w i t c h e s ；b r i d g e ；s p a t i a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；f i n i t ee l e m e n t c l a s s n o ：2 13 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：2 呵年胆月r 7 日 f 导师签名： 两祀 签字眺叩年及月少 ， ， 韭塞銮道鑫堂亟堂焦途塞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：闼侈j 签字日期： l 憾 禽毒咱兹 l 致谢 首先要感谢我的导师高亮教授，从本科毕业设计开始，我就在高老师的指导 下学习。高老师严谨的治学态度、渊博的学识和卓越的才智，以及三年来对我的 谆谆教诲必将使我终生受益。本文更是在高老师的指导、帮助和鼓励下完成的。 高老师不仅在学习上指导我，而且在生活上对我无微不至的关心照顾，在此表示 衷心地感谢和深深的谢意。 硕士研究生期间，我得到了交通与环境研究所的各位老师的悉心指导，使我 顺利的完成了研究生的学习，在此表示感谢。 此外，廖利、陈鹏、马鸣楠、曲村、李笑男、乔神路、郭积程、刘纬等我的 师兄、师弟、师妹提出了多处修改意见，在此一并表示感谢。 陶凯 2 0 0 7 1 2 于北京交通大学 l 绪论 桥上铺设无缝道岔综合了桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点和难点，涉及 到比较复杂的桥梁与道岔的相互作用关系。通过对桥上无缝道岔的研究，可以掌 握桥上无缝道岔的空间力学特性，提出桥上无缝道岔的计算理论和设计方法，用 于指导客运专线桥上无缝道岔的设计、铺设及养护维修。 1 1引言 客运专线是以客运为主的快速铁路。目前在我国，铁路等级除i 、i i 、i i i 级 外又增加了“客运专线”等级，时速2 0 0 至3 5 0 公里的铁路统称客运专线。目前 已建成的有秦沈客运专线，到2 0 1 0 年我国新建客运专线有：石太客运专线、京沪 高速铁路、京石客运专线、津秦客运专线、郑西客运专线、武广客运专线、哈大 客运专线和广深港客运专线。 随着客运专线的建设与发展，由于环保、地形和地质条件的限制，不可避免 的会有一些道岔全部或部分设置在大桥、特大桥或高架桥上，其中也包括部分无 缝道岔须设置在桥上的情况。过去对于城市轨道高架线路，若出现这种情况，一 般在无缝道岔的前后设置伸缩调节器或采用有缝的普通道岔，但是对于客运专线， 桥上铺设普通有缝道岔难以满足客运专线高速行车的要求。如郑西客运专线中新 渭南车站地处关中平原渭南市北郊渭河一级阶地上，车站两端线路工程为高架桥 和跨河桥，即使在考虑与渭河堤后立交、道路上跨铁路的情况下，受三门峡水库 渭河库区淤积洄水高程控制，车站填土高度6 8 m ，个别地段达9 ，而且因地下 水位较高，复合地基处理难以施工；若考虑渭河河堤防洪立交通道要求，车站填 土高度达9 1 2 m ，此时采用桩板结构，路基桩长达5 0 m 。且板的跨度小，难以满 足立交要求；车站路堤填土高，占地多，工程投资亦大，因此采用高架车站方案， 整个站场都布置在桥梁之上m 。 在桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点和难点， 涉及到比较复杂的桥梁与道岔的相互作用关系。虽然国内外都对桥上无缝线路和 无缝道岔做了较多的研究，但都是对两者相对独立的研究。到目前为止，日本在 试验线上铺设了一组无缝道岔，但也未投入运营，对桥上无缝道岔的系统研究也 很少，所以还没有可用的计算理论与相应的设计方法；国内在建的深圳地铁4 号 线有多组无缝道岔铺设于桥梁上的情况，但还有待实际运营的检验。 由此可见，桥上铺设无缝道岔是无缝道岔发展史中遇到的又一个重大技术难 j t 丞窑通太堂亟堂焦盈室 题，不能单独用桥上无缝线路或无缝道岔的理论来分析解决桥上无缝道岔的问题。 通过对桥上无缝道岔空间力学特性的研究，可以掌握桥上无缝道岔的空间力学特 性，提出桥上无缝道岔的计算理论和设计方法，用于指导桥上无缝道岔的设计、 铺设及养护维修。 目前，客运专线采用跨区间无缝线路型式，铺设的无缝道岔有1 8 号、4 2 号和 6 2 号等，桥上无缝道岔的研究迫在眉睫。此研究成果不仅对跨区间铺设客运专线 有着重要意义，还可应用于城市轨道交通中桥上无缝道岔的铺设。 1 2 国内外研究现状 桥上无缝道岔空间力学特性的研究集中了桥上无缝线路和无缝道岔研究的重 点和难点。因此有必要从桥上无缝线路和无缝道岔的研究现状入手，分析桥上无 缝道岔的特点和研究方向。 1 2 1 桥上无缝线路的研究现状 1 ) 国外研究现状 国外很早就发展了无缝线路，但对桥上无缝线路的纵向力问题未作深入研究， 大都从偏于安全考虑，制定了主要干线桥上无缝线路的技术条件，这说明了国外 铁路对桥上铺设无缝线路的重视程度【2 】 3 1 。 日本铁路6 0 年代初期就开始研究桥上钢轨伸缩力的计算，引起了各国关注。 日本铁路规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件，且在桥梁墩台的设计中 就考虑了无缝线路纵向力的作用，其新干线的各桥都铺设了无缝线路。 德国是率先发展高速铁路的国家之一。其跨越山谷的高速铁路桥梁，为适应 列车高速运行的需要，规定在桥上不得设置钢轨接头，否则桥梁跨度不能超过3 0 m 。 并且对主要参数和铺设条件做了详细的规定。 美国铁路规定，桥上铺设无缝线路时，跨度大于或等于3 0 0 英尺( 9 1 4 m ) 的 钢粱桥，或总长大于5 0 0 英尺( 1 5 2 3 9 m ) ，曲线转角为2 。，在梁的活动端，应设 置钢轨伸缩调节器；桥上轨道要安设弹簧防爬器，其数量视桥梁长度而定 前苏联规定，在跨度大于3 3 m 的桥上铺设无缝线路时，桥上线路要使用一定 数量的k 型扣件扣紧钢轨。在单跨超过5 5 m 和多跨总长超过6 6 m 的桥上铺设无缝 线路时，要按交通部的有关规定办理 2 ) 国外研究现状 我国铁路对桥上无缝线路采用。梁轨相互作用原理”，从2 0 世纪年代开始 2 做了大量试验研究，对中、小跨度桥梁、大跨度桥梁的桥上无缝线路的受力机理， 进行了深入的探讨，为桥上铺设无缝线路提供了计算理论和方法，为完善无缝线 路的理论和扩大无缝线路的铺设作出了贡献。 6 0 年代至7 0 年代初，以跨度3 2 m 梁为主要研究对象。在上承板梁和预应力 混凝土梁上铺设了无缝线路，进行了不同计算参数条件下的伸缩力、挠曲力的实 桥测试和模拟试验。试验结果表明，伸缩力不仅受梁温度变化、线路纵向阻力的 影响，还与桥梁跨度有关，但不随桥跨数量的增加而无限增加。这一发现，为研 究两轨相互作用理论，拟定伸缩力计算方法提供了依据。试验还发现，梁因列车 荷载而挠曲，梁的上翼缘产生纵向位移，使钢轨产生挠曲力。跨度3 2 m 的上承板 梁，固定端的位移量为7 m m ，该处钢轨约产生1 0 0 k n 的纵向拉力，活动端纵向力 较小。桥跨两端钢轨纵向力之差反作用于桥梁，并传给支座和墩台。因此，挠曲 力的作用在轨道和桥梁的设计中不可忽视。 通过纵向力的测试，在研究粱、轨相互作用原理的基础上，建立了中、小跨 度桥上无缝线路伸缩力、挠曲力的计算理论和方法。经过实际铺设的检验，这一 原理和方法于8 0 年代获得了普遍采纳和应用。 我国铁路于8 0 年代开始研究高墩桥上发生墩顶位移时，对无缝线路纵向力的 影响，进行了对梁、墩、支座、钢轨纵向力和位移的实桥综合测试，完成了墩顶 位移、列车制动或牵引等情况下荷载组合计算方法的研究，为解决高墩、大跨度 桥梁纵向力的计算奠定了基础。 在此之前，6 0 年代开始在大跨度桥上铺设了无缝线路，并对大跨度桥面系在 温度荷载和列车荷载作用下的变形与轨道产生纵向力的关系进行了研究，拟定了 挠曲力、伸缩力的计算方法。以后相继在武汉、南京、九江的长江大桥上铺设了 无缝线路。 在上述对桥上铺设无缝线路的试验研究和实践的基础上，我国铁路对简支梁 和连续梁已经提出了较完整的桥上无缝线路的纵向力计算和结构设计方法，还总 结了大，中跨度桥上铺设无缝线路的科研成就和实践经验，至今已在大、中跨度 桥上广泛铺设了无缝线路。 9 0 年代以来，按照可靠度理论编制桥梁设计规范时，对大量的挠曲力、伸缩 力实桥测试资料进行了统计分析，得到了挠曲力、伸缩力以及有关设计参数的统 计特征，为桥梁设计预留无缝线路荷载值提供了依据。 近年，我国铁路还结合实际工程，对新建重要干线铁路的桥梁预留无缝线路 荷载及桥上无缝线路轨道结构进行了研究。由于新建桥梁不断采用新的桥梁型式， 给桥上无缝线路的研究带来了新的课题，同时也推动了桥上无缝线路技术向更深 层次发展。钱塘江二桥是多联、预应力混凝土连续梁桥，为铺设无缝线路，并降 低制动墩的负荷，提出了利用焊接护轨产生的逆向纵向力来平衡主轨纵向力的构 思。这一构思，是桥上无缝线路技术的新突破。这些成果已在时速2 0 0 k i n 客运 专线铁路线、桥、隧、站设计暂行规定中和时速3 0 0 k i n 高速铁路线、桥、隧、 站设计暂行规定中应用。 我国桥上无缝线路经过3 0 多年的实践，证明技术经济效果明显，其安全、可 靠的程度已为运营部门所公认。 1 2 2 无缝道岔的研究现状 道岔无缝化是发展跨区间无缝线路的一项重大技术环节，特别是当轨温相对 于锁定轨温变化时，道岔区钢轨承受的纵向力以及产生的位移，将影响到道岔的 强度和稳定性以及行车的安全性。由于道岔内钢轨接头焊接或胶接，而且道岔两 端与无缝线路长轨条焊连，形成直股和侧股都无轨缝的道岔，所以无缝道岔中钢 轨附加温度力和变形的分析是其设计、铺设和维修的核心和主要难点，关系到跨 区间无缝线路的成败。 国外如欧洲已有部分国家铺设了不少无缝道岔，在铺设与焊接工艺上积累了 不少成熟经验，并发展了一些无缝道岔计算理论，如国际铁道联盟委托欧洲铁道 研究所研究了纵向列车荷载下无缝线路的爬行机理、建立了无缝道岔有限元分析 模型。德国提出基本轨温度力峰值约为固定区温度力的1 2 4 2 倍，法国在无缝 道岔设计中该值采用1 4 ，同本基于两轨相互作用原理进行计算，认为该比值应该 取1 3 5 较为合理【4 】。近年来，国内外不少学者都对无缝道岔的受力与变形进行了 试验和研究，发表了一些有关无缝道岔计算的文献，形成了一些无缝道岔计算的 理论，但是由于其力学机理比较复杂，各理论之间的差别较大，因此到目前为止 还没有一套比较统一的理论方法。现将国内外主要计算方法的思路介绍并分析如 下： 1 )日本的“两轨相互作用”原理【5 1 嘲 日本铁道技术研究所的柳川秀明和三浦重在进行温度力作用下无缝道岔纵向 力分布试验的基础上，提出了计算模型和计算方法。其所选用的计算模型如图1 - 1 所示： 在提出计算模型的时候，假设基本轨与道床之问是用弹簧相互联结的，其弹 性系数采用试验所得，选用的道床纵向阻力时考虑了阻力与位移的非线性关系。 在此基础上他们通过对基本轨和导轨问传力f 的计算来确定基本轨的附加温度力 及导轨与基本轨闻的相对位移。其传力，由下式确定 乒1 1 弼 尖孰根 l 基本轨 k j 导轨 p j t - j 图1 - 1 道岔计算模型 f i g 1 1m o d e lo f t u r n o u tc a l c u l a t i o n f = k ( 六一4 ) 式中： 肛一约束弹簧系数 文导轨纵向位移 反基本轨拉伸或压缩变形量 其中： 4 = 茜一筹 4 钢轨断面积； e 钥轨弹性模量； ，轨道纵向阻力。 在计算只最、4 三个未知量时，可利用所列的三个平衡方程并通过计算机 模拟试算求解。求得f 后，再按基本轨拉压变形量相等( 最= 疋) 的原则，并结合 轨道阻力，将f 分配。计算中未考虑导轨在传力过程中首先要将一部分纵向力通过 岔枕传递至道床，仅当道床阻力不足以与导轨传来的纵向力相互平衡时，才通过 扣件将剩余的温度力传递至基本轨上，而是将f 全部传递至基本轨上。 z )北京交通大学范俊杰教授的“当量阻力法”m 阻州1 ” 北京交大范俊杰教授在完成铁道部科研项目“无缝道岔的计算理论与试验分 析研究”中，基于非线性分析和力图叠加原理，建立了无缝道岔的当量阻力系数 法计算原理，考虑了限位器、间隔铁及岔枕弯曲的传力作用，扣件的极限推移阻 力以及道岔纵向阻力随枕长的变化。 2 要2 。 图l 屯无缝遵岔受力图 f i g 1 - 2f o r c ed i a g r a mo f w e l d e ds w i t c h e s j e 童銮迢太堂亟堂焦盈童 道岔是一个整体结构，无缝道岔内所有的钢轨接头都被焊接或胶接起来，并 在道岔两端与无缝线路长轨条焊在一起。这样，当轨温升降时，无缝道岔两端将 承受温度力( 图l 一2 ) ，不难看出，道岔基本轨温度力是自行平衡的，而道岔里股 钢轨则只在一端承受温度力，该力将使道岔里股钢轨产生伸缩位移，同时一部分 力也将通过道岔的有关部件传给基本轨，形成基本轨附加温度力。 “当量阻力法”的基本计算步骤就是先计算道岔里轨的伸缩位移，其基本思 路是里轨两端承受的温度力不同，其中部分温度力将通过道岔部件传递给基本轨， 另一部分则在克服了各种阻力之后，转化为里轨的伸缩位移。然后基于非线性分 析和力图叠加原理，计算基本轨的附加温度力。 3 )西南交通大学蔡成标教授的解析法n 1 ”m ” 无缝道岔钢轨温度力力学模型如图1 3 。 i 2 l 一三叫 图1 _ 3 钢轨温度力力学模型 f i g 1 - 3m e c h a n i c a lm o d e lo f r a i lt e m p e r a t u r ef o r c e 基本假设：扣件的扣结阻力大于道床阻力，且道岔区范围内每根轨枕的道床 阻力与其长度成正比，道岔区第1 根轨枕处一股基本轨、导轨及长轨条下的道床 阻力分别以r j m 、l d m 和& n ，表示，通过轨枕传递的力以f ( i ) 表示。 数学方程为： ( 1 ) 基本轨力的平衡方程 n i + n ，n i + n t r 2 x 2 + r 3 x 3 + 叠州) 一艺蠢) - r 2 = o ( 2 ) 长轨条力的平衡方程 f i x , + 艺r “i ) 一艺o + 墨一只= o ( 3 ) 导轨及翼轨力的平衡方程 n nh吼 r ：一日+ 彤) + 艺毛i j ) 一= o l - l i m l l f f i l 式中n 。为导轨与翼轨的伸缩中心位置，由道岔阻力及扣件确定。 ( 4 ) 基本轨的变形协调方程( 基本轨伸缩变形代数和为零) 6 壁：o e | s 式中q 表示基本轨温度附加力图面积的代数和，& 表示钢轨的弹性模量， e 表示钢轨的截面积。 计算方法：上述数学方程中的未知量x ，x 2 ，x 3 及导轨与翼轨某一端点的位 移非线性方程，采用牛顿拉斐逊方法，通过编制程序求解。 4 )铁道部科学研究院卢耀荣研究员的两轨相互作用原理。4 1 计算模型如图l - 4 所示。 r 拿r 2 毡b 坚受坠受 盎b 垫鳖：b ! 鹭鲨 图卜4 两轨相互作用模型 f i g 1 - 4i n t e r a c t i n gm o d e lo f t w or a i l 图中，p 为间隔铁阻力，r l 、r 。( n c m ) 分别为导轨和辙岔阻力，r 3 、h ( i c m ) 分别为基本轨阻力及导轨通过岔枕、扣件对基本轨施加的纵向力。 原理：道岔的基本轨和导轨分别处于无缝线路的固定区与伸缩区，随着轨温 的变化，导轨克服阻力而伸缩，同时通过连接构件和岔枕对基本轨旄加纵向力， 因而基本轨除产生因温度力而产生的“虚应变”外，还承受导轨施加的附加纵向 力，而产生“实应变”，导轨因位移而放散部分温度力，并受到基本轨、岔枕和扣 件相互作用和约束，组成一个力学平衡体系。根据基本轨和导轨的平衡关系及位 移条件，建立方程，可以求解以下未知量：基本轨最大位移量；导轨最大位移； 基本轨及导轨纵向力作用范围以及间隔铁阻力q 。 5 )兰州铁道学院许实儒、童本浩教授的超静定二次松弛法“” 该方法基于结构力学基础上的三节点力学模型和二次松弛法来分析无缝道岔 的受力与变形特性。其三节点力学计算模型如图1 5 所示。 l 2 a 图1 - 5 三节点力学计算模型 7 3 哇 5 6 f i g 1 - 5c a l c u l a t i o n m o d e l o f t h r e e n o d e p o i n t s 按照结构力学解超静定结构的松弛法原理，首先将各节点锁住，求出此时各 轨节温度力，然后将轨节点放松，节点产生位移，随着位移的发展，道床纵向阻 力将发挥作用，直到节点受力平衡为止。按此条件即可求出各节点位移和各杆的 温度力，然后再将尖轨跟部和基本轨间的约束去掉，导轨将产生相对基本轨的位 移，引起各轨内力分布，从而求得最终分析结果。 在求解过程中假设钢轨杆件a 1 、a 3 、a c 在节点a 处的位移相等，即 以= 允。= 疋，= 乳，同时，又设a 1 、a 3 ，a c 在a 截面上的附加纵向力 只。= 只，= 匕= 昂3 ，计算时为使假设条件满足，必须对基本轨、导轨所受的 纵向阻力加以限制，这样将使道床纵向阻力的取值有了一定的局限性。该方法适 用于道岔直股为无缝线路、侧股为普通线路的固定式辙岔道岔，对于可动心轨式 无缝道岔则不能用此模型来计算。 6 )中南大学陈秀方等基于广义变分原理的无缝道岔计算理论“小”埘 将轨枕视为纵向连续弹性基础上的有限长梁如图1 - 6 所示，其位移曲线微分 方程如下： 坐+ 4 y ：一4 q ( c )矛+ 4 ”2 t y 图l 一6 轨枕受力图 f i g ! - 6 f o r c e d i a g r a m o f s l e e p e r 钢轨和轨枕之间通过扣件的纵向弹簧联结，将广义变分原理应用于铁路无缝 道岔结构体系的分析，在假设钢轨纵向位移函数的基础上，计算了无缝道岔结构 体系各部分的能量，设体系的总势能为n n = 【，l + u 2 + u 3 + u 4 式中：【，。为轨枕弯曲形变位能；巩为钢轨轴力作用的应变能( 包括基本轨和 导轨) ；以为道床阻力耗散功；以为扣件阻力耗散功。 由势能驻值原理可知，结构体系处于平衡状态时，其势能的一阶变分等于零， 即有 万h = 0 另外，根据边界条件和变形协调条件建立方程，组成非线性方程组，利用数 8 值解法求解非线性方程组。 7 ) 郑州铁路局田时超的隔离体分析法“3 该法将岔内各点按结构特点取隔离体，根据已知条件算出各股钢轨的温度力 分布及端点的位移。在导曲线四轨线岔枕部分为计算方便，忽略了岔枕在扣件阻 力作用下因挠曲而引起的对邻轨的影响，是一种较近似的计算方法。 8 )北京交通大学现有的无缝道岔有限元分析方法“州删“ 北京交通大学利用有限元方法建立了无缝道岔的计算理论，建模思路清晰简 单，道岔结构详尽，可以考虑多种影响因素，尽可能降低计算假定的影响，计算 结果合理，通过与当量阻力法的计算结果对比，验证了该方法的正确性，使用该 方法，有利于指导结构设计、养护维修，针对于道岔的各种连接型式，也比较容 易建立起计算方法。 1 2 3 目前桥上无缝道岔研究取得的成果与不足 目前，国内外还没有较成型的桥上无缝道岔的经验，日本在试验线上铺设了 一段桥上无缝道岔，但没有正式投入运营。国内在建的深圳地铁4 号线有多组无 缝道岔铺设于桥梁上的情况，但还有待实际运营的检验。我国台湾省也准备在桥 上铺设无缝道岔。国内对桥上无缝道岔的研究如火如荼，多家高校、科研单位都 对桥上无缝道岔进行了不同程度的研究，比较有代表性是北京交通大学的有限元 方法，西南交通大学的有限元方法f 捌和中南大学的广义变分原理f 2 3 1 等。但由于各 种计算理论相差很大，计算结果也有很大差别，因此有必要进一步完善计算理论 和方法。 北京交通大学刘衍峰、高亮，率先建立了无缝道岔有限元计算方法【州，建立 的桥上无缝道岔的桥梁模型为平面二维模型，可以解决无缝道岔纵向力和位移的 计算问题，并对影响桥上无缝道岔的受力与变形各种因素做了初步的研究分析。 北京交通大学孙大新在此基础之上，引入影响无缝道岔受力与变形的横向因素， 将之发展为无缝道岔纵横向耦合的有限元分析方法1 ，建立的桥上无缝道岔的桥 梁模型也为平面二维模型，解决了无缝道岔纵向与横向的受力与变形的计算问题， 并对影响桥上无缝道岔的受力与变形各种因素做了更详细的研究分析。北京交通 大学赵晓燕将垂向因素引入，发展建立了无缝道岔纵横垂向耦合的有限元分析方 法 2 6 j ，建立的桥上无缝道岔的桥梁模型为等效实体模型，初步解决了桥上无缝道 岔挠曲计算问题，并对影响桥上无缝道岔的受力与变形各种因素做了更详细的研 究分析。 基于北京交通大学现有的桥上无缝道岔纵横垂向耦合的有限元计算方法建立 9 韭塞銮遒厶堂亟主翌焦盈塞 的桥上无缝道岔有限元计算分析模型可以研究计算在温度荷载作用下道岔与桥梁 的伸缩变形和受力，但由于其桥梁是等效截面的实体模型，对于竖向荷载作用下 桥梁挠曲引起的道岔与桥梁的变形和受力很难计算。 桥上无缝道岔问题的复杂性要求对于不同桥梁与道岔相对位置的情况分别建 立模型计算分析，且桥梁等效实体建模的工作量非常大，以上原因均造成现有的 桥上无缝道岔纵横垂向耦合的有限元计算方法的计算任务繁重，计算分析效率低 下。 就目前桥上无缝道岔的研究现状而言，针对道岔受力和变形研究的较多，针 对桥梁的研究相对较少；针对道岔结构部件影响分析的较多，针对桥梁结构影响 的研究较少；而且没有关于桥梁与道岔相对位置的影响分析研究。 1 3 本文的主要研究工作 在北京交通大学现有的桥上无缝道岔纵横垂向耦合的有限元计算方法的基础 上，针对其不足之处，本文采用有限元分析的方法建立了桥上无缝道岔空间耦合 有限元计算分析方法。使用该方法建立的模型不仅可以计算温度荷载作用下的桥 上无缝道岔空间力学特性，还可以计算竖向车辆荷载作用下的桥上无缝道岔空间 力学特性。此外，桥梁的实体建模完全采用实际的几何形状，使得本方法建立的 模型还可以计算桥梁的变形。 综上所述，本文研究的内容如下： 1 针对北京交通大学现有的桥上无缝道岔纵横垂向耦合的有限元计算方法 的不足，建立了桥上无缝道岔空间耦合有限元计算方法。 2 针对北京交通大学现有的桥上无缝道岔纵横垂向耦合的有限元计算方法 的计算任务繁重、计算分析效率低下的缺点，编写了桥上无缝道岔空问力学特性 有限元分析程序，极大地提高了计算分析的效率。 3 以常见的客运专线桥上无砟轨道无缝单渡线为例，使用桥上无缝道岔空间 力学特性有限元分析程序建立了计算模型，计算桥上无砟轨道无缝道岔分别在温 度荷载和竖向车辆荷载作用下的空间力学特性。 4 计算分析了各种桥梁影响因素对桥上无缝道岔空问力学特性的影响，如桥 梁类型、桥墩沉降、桥梁截面抗弯刚度和桥梁跨长等因素 5 计算分析了桥梁与道岔相对位置对桥上无缝道岔空间力学特性的影响。 6 根据各桥梁参数影响性分析，得出各桥梁参数对桥上无缝道岔空间力学特 性的影瞒规律，对桥上无缝道岔的设计、铺设及养护维修提出一些有益的建议。 1 0 拉土无璧遒盆窑回左堂挂挂直阻运盆蚯左法 2 桥上无缝道岔空间力学特性有限元分析方法 本章将基于商业有限元软件a n s y s ，针对既有桥上无缝道岔有限元分析方法 的不足，建立了桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算方法。使用该法，并采用 参数化设计语言a p d l 编写了桥上无砟轨道无缝道岔的空间力学特性分析程序， 实现参数化建模、计算和分析。 2 1有限单元法及a n s y s 软件简介 2 1 ，1 有限单元法简介 随着电子计算机的出现而迅速发展的有限元方法是力学、计算数学和现代计 算技术相结合的产物，是一种求解微分方程边界问题和初值问题的强有力的数值 方法。有限元方法的出现与应用使得结构分析所能处理问题的规模和深度进入例 如一个崭新的发展阶段。目前，已有限元方法为核心的大型通用结构分析程序系 统已经得到了广泛应用，并且成为机构设计自动化的有力工具。 2 1 2a n s y s 软件及其参数设计语言a p d l 由美国a n s y s 公司开发的a n s y s 大型通用有限元软件，经过三十余年的发 展，已经成为业界最为流行的分析软件之_ 1 2 7 。它在结构分析、电磁场分析、立 体力学分析以及耦合场分析方面都有着不错的表现。a n s y s 软件含有多种有限元 分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析，是世界上最具盛 名的c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 软件之一。 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，即a n s y s 参数化设计 语言，它是一种类似f o r t r a n 的解释语言，提供般程序语言的功能，如参数、 宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问a n s y s 有限元数据库等， 另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运用 程序等。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元命令，就可以实现 参数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参 数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化 给出薹黧茎蒙喜淼要黧耋黧道结构，本文以无砟轨道轨下基础为例 绌翼桥豢黧竺燮粤元募磊主淼震要麓蝴例 如在熟誊票篙喜要黧型耻无基i 淼蓑黼执 蓊鬻? 鬻缝黧温黧竺程焉戮禚瑟震： 淼篡鬟纛2 毫黧翳。鲞群器嚣需淼 为桥上无缝道岔整体模型，依据实际情况施加善葛矗：! ? 仟早兀组装成 图2黧d梁单元模拟钢轨，考虑了钢轨的弯曲和扭转飙建立的钢轨模型如-1图 所示。 一”“偎掣州 图2 - 1 钢轨单元 f i g 2 l 砌e i 锄锄t 插玉缝道岔空回左堂缱蛙直阻丞盆蚯友法 2 2 2 扣件的模拟 扣件纵向阻力特性采用非线性弹簧模拟，扣件横向与垂向力学特性采用线性 弹簧模拟，如图2 2 和图2 3 所示。 2 2 3 限位器的模拟 图2 - 3 扣件单元 f i g 2 3f a s t e n e re l e m e n t 限位器结构由夹板、限位器子母块和高强螺栓组成，如图2 4 所示。 图2 4 限位器 f i g 2 - 4r e t a i n e r 由于限位器结构的子母块并非绝对刚性构件和螺栓孔间隙，随着相对位移的 不同，其阻力也是非线性的，故采用非线性弹簧来模拟，如图2 5 所示。 2 2 4 间隔铁的模拟 图2 - 5 限位器位置图示 f i g 2 - 5p o s i t i o nd i a g r a mo f r e t a i n e r 长翼轨末端以及辙岔跟端通过螺栓间隔铁结构固定。白j 隔铁结构由夹板、中 间铁件和高强螺栓组成，如图2 - 6 所示。 幽2 - 6 间隔铁 f i g 2 - 6s p a c e ；b l o c k 依照过去的研究，假定螺栓孔与螺栓问有3 m m 的孔隙，故螺栓间隔铁传递的 纵向阻力也是非线性的，采用非线性弹簧来模拟，如图2 - 所示 捶上玉缝道盆空回左堂挂性直腿丞盆叛左洼 2 2 5 桥梁的模拟 图2 - 7 间隔铁位置图示 f i g 2 - 7p o s i t i o nd i a g r a m o f s p a c eb l o c k 选用实体单元模拟桥梁。桥梁截面主要有箱梁、t 型梁等型式，其中箱梁又分 为单箱梁、双箱梁和多箱梁。桥梁有简支梁和连续梁，等截面梁和变截面梁之分， 如图2 - 8 和图2 9 所示。 j t 塞銮道太望亟堂焦监塞 i 璺i2 - 8 变截面连续粱 f i g 2 - 8c o n t i n u o u sb r i d g ew i t hv a r i a b l ec r o s s - s e c t i o n 图2 - 9 等截面简支粱 f i g 2 - 7s i m p l eb r i d g ew i t hc o n s t a n tc r o s s - s e c t i o n 2 2 6 模型的组装 通过对桥上无砟轨道无缝道岔各部件的分别模拟，通过组装各部件单元，并 施加边界约束条件，即可建立桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算模型，如图 2 - 1 0 所示。 橙上玉缝堂岔窆回左堂挂性直阻丞登扭左法 图2 1 0 桥上无缝道岔的空间力学特性计算模型 f i g ，2 - 1 0m o d e lf o rc a l c u l a t i n gs p a t i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l d e ds w i t c ho i lb r i d g e 该模型考虑桥梁的实际尺寸，能够更好的考虑桥梁挠曲对于钢轨受力的影响， 更加真实的反映了桥梁和钢轨互相耦合的作用，计算所得结果更加精确，符合实 际情况。 2 3桥上无缝道岔的参数化建模 针对桥上无缝道岔有限元计算方法的计算任务繁重、计算分析效率低下的缺 点，采用a n s y s 的参数化设计语言a p d l 编写桥上无缝道岔空间力学特性有限元 计算程序。利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元命令，可以 实现参数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实 现参数化有限元分析的全过程。在参数化分析过程中可以简单的修改其中的参数 达到反复分析各种桥梁结构、桥梁截面尺寸、不同桥梁与道岔布置和不同荷载大 小等多种设计研究方案，极大地提高分析效率。 桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算程序具有以下功能： ( 1 ) 桥梁截面几何尺寸实现参数化输入； ( 2 )桥梁跨度实现参数化输入； ( 3 )桥梁支座布置型式实现参数化输入； 1 7 j t 立銮迢左堂亟土堂鱼监塞 ( 4 )桥梁结构类型及其布置实现参数化输入； ( 5 )桥梁与道岔相对位置实现参数化输入； ( 6 ) 道岔结构细部结构实现参数化输入，等。 桥上无缝道岔空间力学特性有限元计算程序的主要程序的部分如下： p r e p 7 1 幸 幸牛幸事事事+ 牛+ 事事 奉幸事奉幸奎 ，幸 4 s e t , p a t h g ：s o f l 、m a i np r o j e c t i n p u t , a r o j e c tn a m e , l g w ，p a t h ! 幸搴事事事幸丰幸幸幸搴幸搴事搴事幸事章事事搴幸宰幸事幸幸幸幸幸幸幸幸事幸幸幸幸奉事 f i n i s h p r e p 7 1 幸幸 幸宰幸事幸幸幸幸幸宰幸幸幸幸事事 奉 幸 + s e t - p a t h _ 0 o ：s o f i s u bp r o j e e t c r e a tb r i d g ev i n p l r r f b r i d g em a i nm s gr e a d , l g w ，p a t h i n p u t , b r i d g es e c t i o nm s gr e a da n da s s e m b l e ， l g w ，p a t h i n p u t , c r e a tb r i d g e ，1 9 w ，p a t h i n p u t , d i s p l a ya d j u s t ，l g w ，p a t h ! 幸+ 牛 幸幸 幸