（道路与铁道工程专业论文）基于ANSYS的有砟轨道桥上无缝道岔温度力及位移研究.pdf

摘要 无缝道岔和桥上无缝道岔是高速、重载铁路强化轨道结构的关键 技术。其力学机理比较复杂，历来是铁路现代化技术研究中的热点和 难点。新建铁路和城市高架线路，由于受到地形或环保等条件的制约， 不可避免的要将无缝道岔铺设在桥上。世界许多专家学者提出了各种 不同的无缝道岔计算理论和方法，并开展了相关的试验研究。但到迄 今为止，还没有形成一种成熟和公认统一的方法。 基于有限单元法，建立了无缝道岔及桥上无缝道岔的温度力和位 移的计算模型，根据a n s y s 中的单元特性，钢轨、轨枕、扣件、道 床、限位器、间隔铁、桥梁等选择不同的单元进行模拟，并选取合适 的计算参数，对1 8 号无缝道岔及桥上无缝道岔进行温度力与位移的 计算。运用本文建立的无缝道岔有限元模型，对无缝道岔各影响参数 进行分析计算。并针对桥上无缝道岔分析了简支梁桥上无缝道岔、连 续梁桥上无缝道岔、连续刚构桥上无缝道岔温度力与位移的分布规 律。 利用a n s y s 的二次开发功能进行无缝道岔群分析系统的开发， u i d l 进行用户界面设计，开发可视化的对话框，实现参数的输入， a p d l 实现参数的修改和功能模块的嵌入，使开发的模块有机的成为 a n s y s 的一部分。 本文的研究成果对桥上无缝道岔的设计、施工和养护具有重要的 指导意义。 关键词：高速铁路，桥上无缝道岔，温度力，位移，有限元， a n s y s a b s t r a s t b o t hs e a m l e s st u r n o u ta n ds e a m l e s st u r n o u to nb r i d g ea r e k e y t e c h n i q u e sf o rh i g hs p e e dr a i l w a ya n dh e a v yh a u lr a i l w a yt os t r e n g t h e n t r a c ks t r u c t u r e t h em e c h a n i c a lm e c h a n i s m so fb o t hs e a m l e s st u r n o u ta n d s e a m l e s st u r n o u to nb r i d g ea r ev e r yc o m p l e xa n dt h e yh a v ea l w a y sb e e n t h ef o c a lp o i n t sa n dd i f f i c u l t yp o i n t so fr a i l w a ym o d e r n i z a t i o nt e c h n i q u e r e s e a r c h m a n ye x p e r t si nt h e w o r l dp r o p o s e da l lk i n d so fd i f f e r e n t j o i n t l e s ss w i t c hc o m p u t a t i o nt h e o r ya n dt h em e t h o d ，a n dh a v ec a r r i e do u t t h er e l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d y b u ts of a r , m a t u r ea n du n i f i e dm e t h o dh a s n o tb e e na g r e e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l e am o d e lo fs e a m l e s st u r n o u t a n ds e a m l e s st u r n o u to nb r i d g eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e m e n t si na n s y s d i f f e r e n te l e m e n t sa r ec h o o s e d t os i m u l a t et h er a i l ，t i e ，f a s t e n i n g ，b a l l a s t ，s p a c e rb l o c k ，r e s t r i c t i n gd e v i c e a n db r i d g es o o n a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r ec a r d e do u to nt h e t e m p e r a t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fn o 1 8t u m o u ta n ds e a m l e s s t u m o u to nb r i d g eb yu s i n gt h em o d e la n da p p r o p r i a t e l yp a r a m e t e r s s e l e c t e d t h e s e n t i v i t y o fe a c hj o i n t l e s ss w i t c h d e s i g np a r a m e t e ri s a n a l y z e db a s e do nt h em o d l e t h ed i s t r i b u t i o nr u l e so ft h et e n s i l ea n d t e m p e r a t u r e f o r c ea n d d i s p l a c e m e n t o fs e a m l e s st u r n o u to n s i m p l e s u p p o r t e db e a mb r i d g e ，s e a m l e s st u r n o u to nc o n t i n u o u sb e a m b r i d g e ，s e a m l e s st u r n o u to nc o n t i n u o u sf l a m eb r i d g e ，a n dc r o s s o v e ro n c o n t i n u o u sb e a mb r i d g ew e r ea n a l y z e d a n a l y s i ss y s t e m o fw e l d e dt u r n o u ti s d e v e l o p e db a s e do nt h e f u n d a m e n t a lf e a t u r e so fa n s y s u s i n gu i d lt od e s i g nu s e ri n t e r f a c e ， e s t a b l i s he y e a b l ed i a l o gb o x ，w h i c hr e a l i z e st h ei n p u to fp a r a m e t e r sa n d a p d lt or e a l i z em o d i f i c a t i o no fp a r a m e t e r sa n de m b e d m e n to fm o d u l e w h i c hm a k e st h em o d u l e sb eap a r to f a n s y s t h er e s e a r c hf i n d i n g so ft h i sp a p e ra r ei m p o r t a n tt og u i d et h ed e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n dm a i n t a i n i n go fs e a m l e s st u r n o u to nb r i d g e k e y w o r d s ：h i 曲一s p e e dr a i l w a y , s e a m l e s st u r n o u to nb r i d g e ， t e m p e r a t u r ef o r c e ，d i s p l a c e m e n t ，f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s i i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：趁盘年卫月冶 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名鞋监日期型年生月兰日 硕十学位论文第一章绪论 1 1 高速铁路发展概况 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，全球范围内出现了石油能源危机、公路堵塞、车祸频 繁、空难迭起、环境恶化等情况，人们呼唤高速、安全、准时、舒适、运量大、 污染小、能源省、占地少的公共交通运输方式的出现，高速铁路为此赢得了良好 的发展契机【l 2 】。世界高速铁路发展历程大致如下： 1 9 6 4 年，日本建成东京一大阪的东海道新干线，全长5 1 5 k m ，最高运营速 度2 1 0 k m h 。 1 9 7 5 年，日本建成大阪一福冈的山阳新干线，全长5 5 4 k m ，最高运营速度 2 7 0 b n l l 。 1 9 7 6 年，英国在伦敦一布列斯特之间开行2 0 0 k m h 的高速列车( h s t ) 。 1 9 7 7 年，德国在慕尼黑一奥格斯堡之间开行2 0 0 k m h 的高速列车。 1 9 8 2 年，日本建成大宫一新泻的上越新干线，全长2 7 0 k m ，最高运营速度 2 4 0 k m h 。 1 9 8 3 年，法国建成巴黎一里昂的东南干线，全长4 1 7 k m 。 1 9 8 5 年，德国开始实施曼海姆一斯图加特、汉诺威一维尔茨堡的高速铁路 计划；法国东南干线的电气化延伸至格拉诺布尔；日本建成上野一盛冈的东北新 干线，全长4 9 3 k m ，最高运营速度2 4 0 k m h 。 1 9 8 6 年，比利时、荷兰、德国和英国决定联合修建高速铁路网。 1 9 8 8 年，德国i c e 高速列车创造了4 0 6 k m h 的速度记录。 1 9 8 9 年，法国大西洋高速新干线北部支线投入运营。 1 9 9 0 年，法国t g v 高速列车创造了5 1 5 3 k m h 的速度记录。 1 9 9 1 年，德国建成曼海姆一斯图加特高速铁路，全长1 0 5 k m ；俄罗斯开始 修建圣彼得堡一莫斯科高速铁路，设计速度为3 5 0 k m h 。 1 9 9 2 年，西班牙建成马德里一塞尔维亚高速铁路，全长4 7 1 k m ，采用a v e 高速列车，最高运营速度为2 7 0 k m h ；德国建成汉诺威一维尔茨堡高速铁路，全 长3 2 7 k m ；意大利建成罗马一佛罗伦萨高速铁路，全长2 6 2 k m ，设计最高运营速 度2 5 0 3 0 0 k m h ，采用自行研制的摆式列车。 1 9 9 4 年，英吉利海峡隧道高速铁路建成，高速列车从法国巴黎直通英国伦 敦；法国大巴黎区外环线建成，全长1 0 4 k m ，使北线、东南线、大西洋线连成一 个高速铁路网；欧盟通过泛欧高速铁路网规划。 硕十学位论文第一章绪论 1 9 9 5 年，韩国汉城一釜山高速铁路开工。 1 9 9 6 年，美国开始修建佛罗旱达州坦帕观光公园一奥兰多机场一迈阿密机 场和东北走廊波斯顿一纽约一华盛顿高速铁路。 19 9 7 年，日本长野新干线投入运营，最高运营速度2 6 0 k m h 。 1 9 9 8 年，西班牙马德罩一巴塞罗那高速铁路开工建设，全长6 0 5 k m ，设计 列车运营速度为2 5 0 3 5 0 k m ；比利时布鲁塞尔里尔高速铁路建成通车，全长 8 3 k m ；德国柏林一汉诺威高速铁路建成通车，全长1 7 2 k m 。 1 9 9 9 年，中国台湾台北一高雄高速铁路开工建设，全长3 4 5 k m 。 2 0 0 2 年，中国建成第一条设计时速2 0 0 k m h 的客运专线一秦沈客运专线，“中 华之星”电动车组在山海关一绥中北试验段创造了3 2 1 5 k m h 的中国铁路第一速。 2 0 0 4 年，我国国务院常务会议讨论并原则通过了中长期铁路网规划。根 据中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁路主要通道将建设客运专线1 2 万 k m 以上，环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区将建设城际客运系统， 同时既有线提速改造达到2 万k m ，形成我国铁路快速客运网。 根据我国铁路客运专线网规划，到2 0 2 0 年，将初步形成“四纵四横”的客运 专线网，旅客列车运行时速达到2 0 0 k m 以上。 目前，我国铁路的运输能力远远不适应国民经济和社会发展的需要，路网整 体运输能力严重不足，季节性运输能力十分紧张，而且还在不断加剧。近几年， 尽管我国铁路部门采用强力措施，实现以6 的世界铁路营运罩程，完成了世界 铁路2 5 的运输工作量，运输密度为世界之最，但“一票难求”、“车难装”的现 象依然随处可见。加快我国铁路发展，发展高速铁路，是形势的需要和历史的必 然。 1 2 道岔在铁路运输中的重要作用 道岔是铁路轨道连接的重要设备，它直接关系到铁路运输的效率和行车安 全，其功能是承受、传递由铁道车辆运行引起的各种荷载和引导车辆由一股轨线 顺利进入另一股轨线l l j 。 我国是世界上铁路运量和密度较大的国家之一，道岔数量平均为1 1 1 8 组 k m ，全路目前道岔总量在1 5 万组以上【3 】。道岔通常在车站、编组站大量铺设。 在道翁区，存在着普通轨道所没有的复杂条件，例如固定辙叉存在轨线中断、尖 轨、护轨和翼轨的冲击角远远大于曲线轨道，结构的竖向和横向刚度变化也远远 大于普通轨道，无缝道岔还承受巨大的附加温度力等。当机车车辆通过道岔区时， 轮轨之间的动力不平顺比普通线路高很多。由于这些特点，道岔部件使用寿命短， 维修工作量大，因此道岔是轨道结构的薄弱环节，同时又是保证形成安全和控制 2 硕十学位论文第章绪论 列车过站速度的关键设备。 道俞在轨道中的作用不仅仅是为车辆实现线路转换提供了可能，还因为它在 铁路运输中有不可或缺的地位，如运输业中得调车、编组、列车到发、会让和越 行、摘挂机车、车辆取松、装卸、机车整备等作业以及专用线与路网线路连接、 修理施工临时便线等无不借助与道岔完成。 1 3 国内外道岔发展概况 1 3 1 国外道岔的发展 道岔高速化是目前世界各国道岔发展的共同趋势。一些铁路运输比较发达的 国家如法国、日本、德国、英国、美国等在高速道岔这个课题上，已有了较为完 整的设计方案，他们的经验和一些设计规则值得学习与吸收，这一点在铁道部制 定的设计原则中已有明确规定。下面对一些国家高速道岔的结构和通过速度做简 要介绍【l 】。 前苏联自1 9 6 2 年开始生产1 8 号和2 2 号等大号码道岔，侧向通过速度分别 为8 0 k m h 和1 2 0 k m h ，直向通过速度均为3 0 0k m h 。1 9 6 8 年研制的高锰钢辙又 和跟部间隔铁夹板连接并带可弯尖轨的道岔以成功得到应用。 美国1 3 2 r e 轨2 0 号普通型单开道岔，尖轨为可弯型，直向、侧向通过速度 为1 6 0 k m h 和8 0 k r n h ，道岔全长5 3 3 1 0 m ，1 4 0 r e 轨2 4 号对称型道俞，尖轨为 可弯型，通过速度为1 4 2 k m h ，道岔全长6 3 m 。 英国b s l l 0 轨s g 2 8 号道岔直向、侧向通过速度为1 6 0 k m h 和9 6 k m h ，用 于渡线的g 2 8 号道岔直向、侧向通过速度为1 6 0 k m h 和1 1 2 k m h 。组合式辙又和 夹板接头已分别被整铸锰钢辙叉和焊接接头代替。新设计的3 4 号可动心轨道岔 直向、侧向通过速度为3 0 0 k m h 和1 6 0 k m h 。 日本于1 9 6 4 年前后研制高速1 8 号道岔，在新干线正线与到发线得连接一般 采用该道岔，其全长7 1 3 4 9 m ，辙叉角3 0 1 1 ，线型为单圆曲线，导曲线半径为 1 1 0 6 m 。1 9 9 0 年研制3 8 号道岔( 历时6 年) ，其直向试验速度和侧向试验速度分 别为2 4 0 k m h 和1 8 0 k m h ，目前两种道分均进行了较大的技术改进。目前新干线 只有一组3 0 号道岔，铺设在上越新干线高崎站新泻方向3 3 k i n 处，允许通过速 度直向3 0 0 k m h 、侧向1 6 0 k m h 。道岔全长1 3 4 7 9 0 m ，辙叉角a - - - 10 3 0 2 8 ”，线型 采用复曲线，半径为8 4 0 0 m + 4 2 0 0 m + 8 4 0 0 m ，欠超高允许值9 0 m m ，欠超高时 变率8 5 m m s ，离心加速度时变率0 5 7 m s 3 。 法国于1 9 7 5 年开始高速道岔的设计和制造，1 9 8 1 年设计和制造了第一代木 岔枕高速道岔的线型，实现直向2 7 0 k m h 的旅行速度。第二代道岔的改进主要 硕十学位论文第一章绪论 是采用混凝土岔枕，1 9 9 0 年创造了5 0 1 k m h 直向过俞的世界纪录。目前在巴黎 至马赛的线路上普遍应用的是第三代道岔，直向行车速度达到3 0 0 k m h 。第四代 道岔主要是在第三代的基础上采用了n i c r 减磨镀层和可调滚轮，并计划推广应 用至速度3 3 0 k m h 以上的新线上。法国高速道岔经过了上万次的试验，虽然最高 试验速度达到5 0 1 k m h ，但综合各方面因素确定了目前的经济运营速度为 3 0 0 k m h 。当然，随着线路和车辆条件的改善，也计划将第四代道岔的直向速度 提高至3 3 0 k m h 以上。 德国铁路共有道岔1 3 万余组，绝大部分由w b g ( 勃兰登堡道俞厂) 和b w g ( 布茨巴赫道岔厂) 提供。一般以单开道俞为主，同时也根据站场的需要使用复 式交叉、对称、布对称道佾等。其特点是：在德国铁路上几乎不存在直向通过道 龠的列车速度低于区间允许速度的现象。道佾号码有1 4 号、1 8 5 号、2 6 5 号、 3 2 5 号、3 9 1 1 号、4 1 5 号和4 2 号。允许通过速度直向一般为2 5 0 k m h ，侧向因 道岔的号数不同而不同。1 4 号、1 8 5 号道岔一般用于正线与到发线的连接，3 2 5 号、4 2 号道禽一般用于区间渡线或两条高速线的连接。3 2 5 号道翁侧向允许通 过速度为1 6 0 k m h ，其线型为r 6 0 0 0 r 3 7 0 0 的复圆曲线。后来又将该道翁线型改 为缓和曲线+ 圆曲线( r 4 0 0 0 ) + 缓和曲线，未被平衡的离心加速度o 5 m s 2 ，道 岔全长1 4 1 0 8 8 m ，线间距4 o m ，号数改为3 9 1 l 号。4 2 号道岔侧向允许通过速 度为2 0 0 k m h ，早期采用的线型为r 7 0 0 0 r 6 0 0 0 的复合圆曲线，后改为缓和曲线 + 圆曲线( r 6 1 0 0 ) + 缓和曲线，道岔全长1 6 4 2 9 2 m ，号数改为4 1 5 号。最近 又将r 6 10 0 m 改为r 8 0 0 0 m ，侧向允许过岔速度提高到2 2 0 k m h ，道岔全长增加 到1 8 3 m 。 1 3 2 国内道岔的发展 建国以前，我国的道岔有相当数量的国外产品，直到5 0 年代还从前苏联进 口以缓解供需矛盾1 2 】。我国自行设计、制造道岔始于5 0 年代中期，一方面对标 准道岔进行小改，旨在做力所能及的结构加强，同时强化养护维修，随时保持良 好的轨下基础条件和几何尺寸，防止爬行；另一方面研制开发新型道岔结构，为 升级换代创造条件。从6 0 年代起大力开展了研制工作，如高锰钢铸辙叉，6 0 a t 钢轨1 2 、1 8 、3 0 号可动心轨辙叉道岔等陆续研制出来，并投入生产和使用。目 前我国已有7 5 k m 钢轨道岔，但数量较少，到1 9 9 9 年底全路只有5 9 组。 1 9 9 5 年底，为适应铁路提速的需要，针对我国既有繁忙干线7 5 型、9 2 型 6 0 k g m 钢轨1 2 号单开道岔在设计、制造、养护中存在的问题，以及与国外同类 道岔存在的差距，设计中引入我国高速道岔前期研究的技术，特别是广深线 6 0 k g m 钢轨1 2 号可动心轨辙叉单开道岔的设计及使用经验，提出了新型道岔的 4 硕十学位论文第一章绪论 设计原则和技术标准。这种优化了尖轨、心轨的断面和线型设计，采用了预应力 混凝土翁枕，调整了道岔的加工工艺，提高了制造精度，基本适应了提速到 1 6 0 k m h 的需要。随后又采用与提速6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔相同的设计原则，研 制了提速6 0 k g m 钢轨1 8 号、6 0 k g m 钢轨3 0 号可动心轨道岔i 引。从1 9 9 6 年至 1 9 9 8 年短短的3 年时间中，全路铺设了5 0 0 0 余组提速道佾，6 0 k g m 钢轨单开提 速道岔至1 9 9 9 年底提速道岔总数为6 7 6 8 组。 提速道岔与普通道俞相比，它提高了轨道的强度和稳定性，主要表现在：提 速道岔加大了岔枕截面尺寸、自重和承载能力，提高了龠枕抗弯刚度以及道床纵、 横向阻力；采用i i 型弹条分开式扣件，滑床板及护轨垫板的基本轨内侧用单弹片 扣压，扣压力与i i 型弹条匹配；轨下垫板得到加强，木岔枕垫板截面尺寸由原来 的18 0 m m x 2 0 m m 加大到19 0 m m x 2 5 m m ，混凝土岔枕由转辙器向辙叉部位增大， 整组道岔均设有轨下垫板；所有道岔钢轨均进行全长顶面淬火处理。虽然提速道 分能满足客货车过岔速度，但是在现场应用中仍然存在一些问题。 新世纪的到来，我国铁路进入跨越式发展阶段。经国务院审议通过的中长 期铁路网规划，描绘了我国铁路建设的宏伟蓝图。到2 0 2 0 年，全国铁路营业里 程达到1 0 万k m ，建设客运专线1 2 万k m 。由此我国铁路道岔整体技术也由准 高速阶段进入了向高速发展的新阶段。 2 0 0 0 年1 月，由总体设计单位铁道部专业设计院及铁科院、通号设计院、 西南交通大学、北京交通大学研究设计的秦沈客运专线6 0 k g m 钢轨3 8 号单开道 岔设计图通过审查，同意试制试铺。1 8 号及3 8 号道岔结构特点：转辙器为a t 型弹性可弯曲线尖轨，辙叉为钢轨组合式可动心轨，侧向设护轨，直向不设护轨。 采用分开式i 型弹条扣件，轨下为混凝土俞枕，适用于超长无缝线路。秦沈客运 专线1 8 号及3 8 号道岔主要几何尺寸见表1 1 。 表1 1 秦沈客运专线1 8 号及3 8 号道岔主要几何尺寸 道 尖轨辙叉长心轨 侧向 道岔全 拉杆 设计允许通 岔导曲线形式 长度长度长度 护轨 长数量 过速度 号及参数 ( m )( m )( m ) 长度 ( r n ) ( 个) ( k m h ) 数( m ) 直向侧向 1 8 圆曲线r 1 0 0 0 m 2 2 0 11 8 5 91 3 6 8 57 56 9 o o3 + 22 5 08 0 圆曲线r 3 8 0 0 m 3 83 7 6 02 9 3 9 2 3 8 7 51 01 3 6 26 + 3 2 5 01 4 0 + 三次抛物线 秦沈客运专线道岔的研制，涉及了道岔设计和制造等方面的诸多新技术，带 动了我国道岔整体水平的提高。在总结经验并吸取国外高速道岔设计技术理后， 我国铁路科技工作者正在研制客运专线系列道岔。在道岔设计参数、新结构、新 材料、新工艺、电务设备钩型外锁闭装置等取得了新进展，使道岔整体水平达到 5 硕十学位论文第一章绪论 国际高速道岔的水平，为我国设计高速铁路道俞奠定了技术基础1 4 i 。 跨区间无缝线路的发展，是高速、重载铁路轨道结构的客观需要。钢轨胶接 绝缘接头和无缝道岔是跨区间无缝线路的两项关键技术。无缝道岔是指道岔钢轨 接头必须焊接( 或胶接) ，以及道龠与其两端的线路钢轨必须焊接。跨区间无缝 线路不仅强化轨道结构，而且最大限度的消除了钢轨接头，保证了线路平顺性， 进一步改善了列车运行条件。 从1 9 9 3 年开始，我国先后在京山、京广、大秦线上铺设了4 处轨节长2 0 k m 的跨区间无缝线路，同时丌始了无缝道俞的铺设。1 9 9 6 年，我国铁路各主要干 线开始全面提速，进一步推动了跨区间无缝线路和无缝道佾的发展。2 0 0 3 年， 建成通车的我国第一条客运专线秦沈客运专线从山海关站外至皇姑屯站外，全长 3 7 5 6 k m 铺设p 6 0 钢轨跨区间无缝线路，其中包括6 处车站、1 8 号和3 8 号可动 心轨无缝道岔4 9 组，无缝线路贯通全线，仅跨阜锦公路特大桥和跨兴闰公路特 大桥的连续梁中跨跨中设有双向钢轨伸缩调节器，轨条在调节器处断开，基本轨 接头与轨条焊联。秦沈客运专线的工程实践为我国客运专线和高速铁路一次性铺 设跨区间无缝线路和无缝道俞积累了经验和奠定了基础。 无缝道岔采用可动心轨辙叉，也可用固定型辙又焊接而成。无缝道岔关键技 术之是高锰钢整铸固定型辙叉与两端碳素钢轨的焊接，必须选择合理的过渡材 料，确保焊接质量。此工艺引进奥地利、法国的焊接技术，达到预期效果，并通 过铁道部鉴定。固定型辙叉的焊接成功，使轮缘进入辙叉时振动减少，列车运行 平顺，从而辙叉通过总重量提高一倍，实际使用寿命超过两年。另外，无缝道岔 还需解决附加温度力的传递问题。尖轨跟端需设簧限位器，控制尖轨的位移，可 动心轨采用了长翼轨结构，并在跟端设置传力间隔铁，从而有效控制了心轨的伸 缩。 随着我国客运专线和铁路第六次大提速以及城市轨道交通的发展，轨道结构 将大量采用跨区间无缝线路，无缝道岔也将在我国获得大量工程应用。 1 4 无缝道岔温度附加力研究概况 1 4 1 国外学者研究概况 无缝道岔已在世界上许多国家获得应用，各国学者都对其在温度效应下的受 力和变形做了很多的试验和研究，但目前还没有形成一种成熟、公认统一的理论 方法。现将其中几位专家学者的计算方法和思路综述如下。 德文版的铁路道岔一书中介绍了德国铁路在无缝道岔纵向力分布及变形 方面的成果，建立了无缝道俞纵向力的计算模型和计算方法【5 1 。轨温变化2 5 ( 2 时， 6 硕十学1 1 ：7 ：论文 第一章绪论 1 2 号无缝道龠纵向力的计算结果表明。在尖轨跟端位置，基本轨的附加纵向力 最大，约为温度力的3 7 。但在现场实测时，基本轨最大附加纵向力仅为温度力 的7 。 1 9 8 9 年同本铁道综合技术研究所线路构造研究室柳川秀明、三浦重等提出 计算模型和方法【6 】。柳川秀明等的研究思路是：他们认为道龠附近钢轨附加纵向 力的大小以及尖轨与基本轨的相对位移，依赖于钢轨间相互约束与道床纵向阻 力。假设基本轨与导轨之间是用弹簧相互联结的，其弹性系数采用试验所得，选 用道床纵向阻力时考虑了阻力与位移的非线性关系。在些基础上他们通过对基本 轨和导轨间传力的计算来确定基本轨的附加温度力及导轨与基本轨间的相结位 移。 1 4 2 国内学者研究概况 上世纪8 0 年代至今，我国先后在京广线、大秦线、滨洲线、兰新线和秦沈 客运专线等线路铺设了无缝道翁并开展了相应的试验研究。国内学者先后对无缝 道岔的分析计算方法进行了可贵的探索和研究，并相继发表了相关论文或专题研 究报告，极大地促进了我国无缝道岔和跨区间无缝线路的发展。 1 9 8 9 年，蔡成标【7 j 和王天伟【8 】分别从有限元计算和模型试验的角度对制挠力 进行了研究，认为桥墩纵向刚度差别将给高墩桥的纵向力计算带来较大误差，用 1 0 的竖向静荷载叠加挠曲力来代替制挠共同作用时的纵向力进行设计将造成 较大误差。 1 9 9 3 年，蒋金洲p j 研究了以钢轨纵向位移u r 为未知量的微分方程解法。以 起点及终点钢轨力等于零为边界条件，将钢轨离散成n 个单元，每段单元可以 解出含待定系数的微分方程的解析解，根据不计轨道影响时的桥梁上翼缘位移， 利用钢轨节点位移和受力连续的条件组集线性方程组解出系数。 1 9 9 4 年，耿传智i lo j 根据梁轨相互作用原理和橡胶支座的特性，提出了橡胶 支座桥上无缝线路的伸缩附加力、挠曲附加力、断轨力及支座反力的计算方法； 并以中跨度的无砟无枕梁为例进行计算，将其与固定一活动支座简支梁的计算结 果进行了比较，为桥上无缝线路和桥梁墩台设计提供了理论计算依据。 1 9 9 4 年许实儒教授提出了无缝道岔温度力和变形分布的三节点力学模型及 二次松弛法 1 4 】，对固定辙叉无缝道俞进行了分析。该法的基本思想是对无缝道岔 建立了具有三个节点的力学模型，经过两次放松节点约束，通过递推试算，求出 两尖轨跟端和辙叉的位移以及各轨节的温度力分布。 1 9 9 5 年卢耀荣研究员运用“两轨相互作用原理”，提出了无缝道岔纵向力计 算方法【l ，考虑了导轨与基本轨的相互作用，并根据实测线路阻力给出了阻力一 7 硕十学位论文第一章绪论 位移表达式。所谓“两轨相互作用原理”，即无缝道佾的基本轨和导轨分别处于无 缝线路的固定区和伸缩区，随着轨温的变化，导轨克服阻力而伸缩，同时通过联 结件和龠枕对基本轨施加纵向力，因而基本轨除产生由温度力产生的“虚应变” 外，还承受由导轨施加的附加纵向力而产生“实应变”，导轨因伸缩而放散部分温 度力，并受到基本轨、俞枕和扣件所施加的反作用力。如此，导轨、基本轨因相 对位移且通过联结件、龠枕相互作用和约束组成一个力学平衡体系。 1 9 9 6 年范俊杰教授提出了计算无缝道俞的“当量参数法”，并确定了相应的 计算参数，随后发表了相应的研究论文【1 5 1 8 】。“当量参数法”的基本原理是：岔枕 因其位置不同，而有不同的道床纵向阻力、不同的扣件阻矩，同时，岔枕的弯曲 变形也不同，因此，分枕传给基本轨的附加温度力应逐根计算，分段叠加，再加 上辙跟或限位器传递的力，这一计算过程相当复杂，为简化计算，引入“当量参 数”综合考虑道床纵向阻力、扣件阻矩以及岔枕弯曲变形的影响。 1 9 9 7 年蔡成标博士等提出了计算无缝道岔温度附加力和位移的研究论文 1 1 9 之l 】，并于1 9 9 8 年提出了无缝道岔多轨相互作用原理计算法及应用软件2 2 1 ，该 法同时考虑了道床阻力随俞枕长度的变化及基本轨与导轨问的相互作用力，建立 了无缝道俞钢轨温度力与变形分析的力学模型。 1 9 9 7 年，黎国清【5 6 j 建立了线路与桥梁共同作用的力学模型，给出了高速铁 路桥上钢轨容许附加应力值，提出桥梁下部结构刚度应有合理下限，或采用其它 措施以使钢轨附加应力值满足要求，并指出墩台顶承受的纵向力大于现行的规范 取值。庄军生【57 j 从国内外铁路桥梁纵向力传力体系的研究经验出发，通过计算并 结合试验对拉压连接器进行了研究，在整体模型中采用混合单元，桥梁采用矩形 单元，轨道和水平拉杆采用杆单元，用a l g o r 粘合后采用线性阻力进行计算。 结合高速铁路的发展形势，分析了阻力、跨度、跨数及不同支座类型等因素对常 用多跨简支梁桥梁轨相互作用的影响。 1 9 9 8 年马战国副研究员考虑了道床阻力、间隔铁阻力以及导轨与基本轨相 互作用的非线性，并通过实测确定了这些非线性关系。采用有限单元法，考虑了 轨枕、扣件和道床阻力的作用，对1 2 号固定辙又无缝道岔各个部分的受力和位 移规律进行了分析。这些理论在分析无缝道岔在温度效应作用下的受力与变形 时，均做了较多的假设，如四轨线下道床阻力的分配与实际情况有一定的差异、 有的没有考虑极限扣件阻力的影响1 2 3 2 5 ld 7 】。 1 9 9 8 年，b 一之1 5 引针对简支梁桥、连续梁桥和大跨度钢桁桥分别建立了相 应的有限元静力学模型。研究了纵向位移阻力系数、桥梁下部结构纵向刚度、桥 梁跨度及桥梁跨数对中小跨度桥梁纵向力传递的影响；并对大跨度桥梁钢轨伸缩 调节器的设置及大跨度桥梁纵向力传递的特点和规律进行了研究；对各种纵向阻 硕十学位论文第一章绪论 力、制动率、加载长度等参数的取值提出了建议。 1 9 9 9 年，陈丹华【5 9 j 对简支梁桥采用质量法进行简化，将轨、梁、砟、墩的 特性集中于墩台上，根据机车动力学原理得出轨面制动力时程，对制动作用下的 桥墩进行了动力反应分析。 2 0 0 0 年，阴存欣1 6 0 j 研究了线桥相互作用的静力非线性问题及动力问题。论 证了微分方程法与有限单元法解的一致性，结合红水河桥的线路改造，对其纵向 力特性及钢轨伸缩调节器的合理布置形式进行了研究；以列车制动原理为基础建 立纵向动力平稳方程，得出轨面制动力率的计算值；将有限元程序和可视化语言 相结合，编制了界面友好的仿真软件，实现了桥梁挠曲变形的同步动画显示。 2 0 0 1 年王平教授考虑扣件阻力、扣件阻矩、道床阻力以及间隔铁阻力的非 线性，建立了可动心轨式无缝道俞钢轨附加温度力及位移的分析模型和计算方法 1 2 “3 4 1 o 2 0 0 1 年陈秀方教授首次将广义变分原理应用于无缝道岔的分析计算中，提 出了计算无缝道岔钢轨附加温度力与位移的一种全新方法，考虑了扣件阻力的非 线性，将岔枕视为有限长w i n k l e r 弹性地基梁，对翁枕进行了较为真实的模拟， 并作为算例，分析了秦沈客运专线1 8 号无缝道岔以及京秦客运通道1 2 号可动心 轨无缝道岔群的钢轨附加温度力与变形随钢轨温度变化的规律，并成功应用于京 秦客运通道提速改造工程中【3 5 3 引。 2 0 0 3 年曾志平博士将轨枕视为弹性地基上的有限长梁，用基于弹性理论的 戈氏法对其进行受力分析，通过假设钢轨纵向力函数，计算无缝道岔结构各部分 的能量，利用广义变分原理建立无缝道岔结构非线性平衡方程组，并用最速下降 法求解f 3 9 m 】【4 8 枷】。 2 0 0 5 年刘衍峰、王树国应用a n s y s 软件对无缝道岔进行了分析，孙大新、 孙立儒也应用a n s y s 软件对桥上无缝道岔及小号码无缝道岔进行了分析 1 5 0 5 3 1 o 2 0 0 6 年陈秀方、曾志平将钢轨和梁体视为杆单元，轨枕视为梁单元，扣件 阻力、道床阻力、限位器阻力、间隔铁阻力以及墩台温度刚度视为弹簧单元，建 立了计算桥上无缝道岔( 渡线) 伸缩力与位移的有限元力学模型，根据能量变分 原理和形成矩阵的“对号入座”法则建立了模型求解的非线性方程组，计算了温度 荷载作用下，桥上无缝道岔( 渡线) 受力与位移规律，分析了设计参数对桥上无 缝道岔受力与位移的影响f 6 1 嘲】。 2 0 0 6 年易锦利用基于变分原理的有限单元法建立了无缝道岔的计算模型， 分析了无砟道岔纵向温度附加力与位移，并且与有砟道岔进行对比，得到了一些 对工程实际有用的结论【5 4 1 。 9 硕十学何论文第一章绪论 2 0 0 7 年朱传勇利用大型有限元通用软件a n s y s 建立了无缝道俞的计算模 型，分析了有砟道岔及道佾组合的纵向温度附加力和位移【6 9 】。 1 5 有限元软件a n s y s 的发展及在工程中的应用概况 1 5 1a n s y s 的发展概况 有限单元法是在当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的数值方 法，已成为一种重要的工程数值计算的工具【7 2 8 2 1 ，而a n s y s 则是针对有限单元 法而丌发的大型通用软件。 最早的a n s y s 公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元的权威j o h n s w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建而发展起来的。3 0 多年来，a n s y s 公司致力于有 限元求解模块的开发，不断汲取新的计算方法和计算技术，引领实际有限元技术 的发展，并为全球界所推崇。 最初，a n s y s 软件仅是一个批处理程序，提供热分析及线性结构分析功能， 只能在大型计算机上使用。2 0 世纪7 0 年代，a n s y s 为了满足广大用户的需求， 融入了非线性、子结构以及更多的单元类型，使得a n s y s 功能大大增强了，到 了7 0 年代末，图形技术和交互操作方法的应用使得a n s y s 的模型生成和结果 评价大大简化，进行分析之前，可以利用交互式图形来验证模型的生成过程、边 界条件和材料属性等，分析求解完毕，计算结果的图形显示立即可用于检验分析 过程的合理性。 如今，a n s y s 软件趋于完善，功能同益强大，使用更加方便快捷，a n s y s 提供的虚拟样机设计法，使用户大大减少了昂贵的计算时耗和物理样机；a n s y s 分析模拟工具支持多种工作平台在异构平台上数据兼容，对菜单功能的拓展，使 得a n s y s 能涵盖大多数的工程领域。利用a n s y s 的参数化设计语言a p d l 来 扩展宏命令，可直接生成快速的有效分析和结果处理文件等。 a n s y s 在不断融合最新计算方法和计算技术的同时，还十分注重其质量体 系，新版的a n s y s 软件必须通过7 0 0 0 道标准测试题，这也使得a n s y s 公司于 1 9 9 5 年在设计分析类软件中第一个通过了i s 0 9 0 0 质量体系认证。 在中国，a n s y s 软件经过多年的经营，用户数量迅速增长，遍及各个领域， 应用也越来越深入。1 9 9 6 年初，a n s y s 公司在中国成立北京办事处，1 9 9 7 年初， 又相继成立成都和上海办事处。由此，a n s y s 公司的三大办事处、各代理商及 十大a n s y s 技术支持中心构成了a n s y s 完整的市场、销售及售后服务体系。 1 0 硕十学伉论文第一章绪论 1 5 2a n s y s 在工程中的应用 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元在工程实际分 析中得到了越来越广泛的重视，它已经成为解决复杂的工程问题分析计算的有效 途径。技术的进步使我们也淘汰了传统的有限元软件，采用先进的有限元软件不 仅可以大大提高设计的可靠性，而且可以减少人员的投入，缩短计算时间，显著 提高经济效益。 以a n s y s 为代表的有限元分析软件，从其创建发展到现在，不断汲取数值 计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形和优化技术相结 合，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足 了用户的要求。a n s y s 在我国的航空航天、水电能源、土木建筑、电子通讯、 石油化工等领域得到广泛的应用，取得了巨大成功。 在有限元的应用领域，参数化技术的使用是局部的、有限的，当前多数的应 用都集中在有限元建模领域，主要的应用方向是参数化技术解决形状优化设计。 从有限元模型建立方法的发展历史和现状看，可以发现阻碍有限元参数化从理论 走向工程应用的一个主要难题就是缺乏有效的模型自动生成方法。b o t k i n 6 5 舶j 将这个困难归纳为两个方面： 1 对设计模型几何特征的参数化描述手段比较缺乏； 2 全自动网格生成器不够完善。 随着c a d c a e 技术的发展，上述两方面的困难逐渐得以解决。在几何形状 优化领域，同样要面对参数修改、模型自动更新这里问题。在弹性体的形状优化 方面，e d w i n f 6 7 j 等提出了基于c a d 的设计方法。该方法在设计模型的问题定义 上采用了b o t k i n 基于几何模型的定义方式，同前人相比，该方法最大的特点是 将c a d 软件和有限元分析软件进行连接，将它们们直接引入到形状优化设计系 统，借助这些软件中提供的参数化几何建模、网格全自动生成、有限元分析等功 能为优化工程服务。 随着几何造型软件和有限元软件的相互渗透和融合，通过软件接口，模型数 据在软件的交换方面已经不成问题。目前，一些通用有限元软件为模型的参数化 提供了全面的二次开发工具和开放式的开发环境。如a n s y s 提供的a p d l 、 u i d l 语言和高级开发技术u p f s ，m s a p a t r a n 提供的p l c 语言，他们类似c 、 f o t r a n 语言，可以供用户开发自编程序，完成有限元计算的参数化。 国外这方面的研究在a n s y s 的官方网站w w w a n s y s c o m 和a n s y s 的 讨论网站w w w a n s y s n e t 上有较多的讨论。 国内这方面工作也刚刚开始，些高校和研究所进行了一些积极的研究，取 硕+ 学位论文第一章绪论 得了一定的成果，并在a n s y s 的2 0 0 0 年会上得到了集中体现。这些研究和开 发大致分为两类：一类是为解决专门的实际问题开发的专用模块，它们已用于土 木工程基础问题【6 8 1 、水利工程的波浪问题1 7 l 】、机械结构的整体设计技术和机械 优化。 1 6 本文的主要研究内容 论文主要包括以下内容： 第一章：介绍了国内外道俞的发展状况，国内外专家学者对无缝道岔及桥上 无缝道俞附加力及位移的研究概况和最新进展，a n s y s 软件的发展动态，阐明 了本文的研究目的与