土木工程毕业设计板式无砟轨道设计计算

板式无碴轨道结构设计及计算1.无砟轨道的介绍1.1技术发展概况国内概况我国铁路曾于20世纪30年代先后在东北牡图线的北老松岭隧道和沈丹线的福晋岭隧道铺设过长木枕和短木枕式混凝土道床轨道。50年代又在沈吉线水帘洞隧道铺设了预埋长木枕混凝土道床轨道。60年代以后，随着山区铁路的修建，先后在成昆线、京原线、京通线、南疆线等隧道内铺设了刚性支承块式混凝土整体道床轨道，总延长约300km。并于1984年编制了适用于各类围岩铺设的通用设计图。与此同时，还在铁路站场、港口码头等地段土路基上铺设了经改进的整体道床轨道。80年代初，还曾在皖赣线溶口隧道内首次铺设了类似日本的乳化沥青水泥砂浆垫层式板式轨道。90年代以来，在京九线九江长江大桥引桥（长7km）上铺设了无砟无枕轨道。在宝天线白清隧道和西安线秦岭特长双线隧道（长18.4km）铺设了弹性支承块式混凝土道床轨道。迄今为止，运用效果良好。本世纪初以来，为适应铁路运输行车速度的不断增长，又相继在秦沈客运专线双何曲线特大桥（长740m）和狗河特大桥（长741m）上铺设了板式轨道，沙河特大桥（长692m）上铺设了枕式无砟轨道。在西康线秦岭隧道、兰武线乌鞘岭特长隧道（长20.5km）等修建弹性支承块式无砟轨道。在渝怀线鱼嘴二号碎（长710m）内试铺了枕式无砟轨道。在赣龙线枫树排隧道（长790m）内试铺了减振型板式无砟轨道。2004年初，国务院批准了《中长期铁路网规划》，确定了铁路网建设的蓝图。为迎接国务院已批准的武广、郑西、石太、京津、合宁、合武、温福、福厦、甬温9条铁路客运专线建设高潮的到来，实现铁路跨越式发展，到2010年客运专线达到4000km，到2020年达到10000km的目标，必须树立坚持部党组提出的“以人为本、服务运输、强本简末、系统优化、着眼发展”的建设新理念。以此为契机，目前全路科研、设计、施工、院校的领导、专家、教授和从业人员正在全力协同开展有关成区段铺设各种类型无砟轨道的前期工作。高速客运专线成区段铺设无砟轨道必将成为我国铁路轨道结构的发展方向。刚性支承块整体道床我国早在五十年代就曾开始铺设隧道内整体道床，其主要结构形式是隧道内的砼支承块式整体道床，至今，统计累计铺设了约300余公里。其特点是结构简单，便于现场制造和施工。当隧道基底坚实稳定时轨道的稳定性好，道床美观整洁，轨道的养护维修工作量可减少50％～70％。国内60年代到80年代修建的整体道床至今仍有相当一部份在运营中表现良好。但也有不少隧道内的整体道床在运营中出现了难以修复的病害，较严重的不得不拆除改为普通有砟轨道。总结以往刚性整体道床的运用过程存在以下问题：（1）轨道结构强度设计偏弱，刚度偏大，弹性不足，结构动应力增大，易形成疲劳破坏；如：发生支承块松动，支承块挡肩破坏，扣件断裂等现象。有些中心水沟式及浅侧水沟式整体结构，水浸入道床后在轨道冲击荷载作用下，形成活塞作用，加速道床砼的破坏；个别的整体道床直接修建在膨胀岩基础上，发生道床的变形破坏。在整体道床发展前期，造成设计强度偏弱和标准偏低的重要原因是对轨道动力作用认识不足和铁路建设资金缺乏。（2）道床浇注前或隧道铺底前，基底浮砟及异物清理不彻底，运营后使道床砼板下不实，产生破坏。（3）施工机械化水平低，劳动强度大，进度慢，轨道几何精度不好，质量难以保证。（4）运营中当结构发生病害时，不易修复，影响了行车安全。弹性整体道床这是一种低振动无砟轨道结构，是由钢轨及其扣件、块下胶垫、橡胶靴套、混凝土道床板及混凝土底座等组成。1995年-2000年，由铁一院主持、铁科院、大兴铁道建筑设计院、等多家单位参与的“弹性整体轨道结构及施工工艺和机具的研究”科研项目。课题研究的主要内容如下：课题研究内容主要含有四个子课题和两个试验段，四个子课题为：（1）弹性整体道床结构及施工和铺设技术条件的研究。（2）弹性整体道床的弹性可调式扣件研究。（3）超长无缝线路长钢轨一次铺设工艺及机具的研究。（4）弹性整体道床施工工艺及机具设备的研究。两个试验段为：（1）陇海线宝天段白清隧道弹性整体道床结构试验段。（2）西安安康线大瓢沟隧道弹性整体道床施工工艺及机具设备试验段。长轨枕埋入式无砟轨道长轨枕埋入式无砟轨道主要是由整体式穿孔混凝土枕和现场灌注的混凝土道床来组成。它包括钢轨及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。这种无砟轨道结构的特点是坚固、耐久、可靠、几何形位不易变动，维修工作量小，具有轨道少维修的功能。并已成功铺设在秦沈客运专线沙河特大桥上和渝怀线鱼嘴二号隧道内。土路基上无砟轨道我国铁路在土路基上铺设的无砟轨道结构类型主要有水泥混凝土道床无砟轨道和沥青混凝土道床无砟轨道，但仅限于于大型客站、客技站、洗涮线、装卸线、港口码头等地段，虽应用效果良好，但这些地段的行车速度、通过运量和行车密度都低于正线标准。应当指出，在土路基上铺筑无砟轨道，由于土路基的承载能力较低，又对动载荷和水浸蚀反应敏感，因此，必须特别重视对地基的加强处理和排水设施的良好设置。近年来，无砟轨道的应用，在国外高速铁路上发展很快，特别是在德国新建高速线上连续长区段几乎全线铺设了Rheda-2000无砟轨道。为此，我国铁路已拟在遂渝线和武广线上铺设连续成段无砟轨道综合试验段，积累工程技术储备以适应今后时速200km客货共线和时速300km高速铁路建设的需要。（1）支承块式混凝土道床无砟轨道这种土路基上混凝土道床轨道的基本特征是，在经过碾压密实的路基上先铺垫一定厚度（15～25cm）的砂夹碎石垫层加强，或采取桩基加强对策，然后灌注混凝土道床，道床又有单层和双层之分。单层道床为厚35cm的底部配置钢筋网的C30混凝土，双层道床下层为宽350cm、厚30cm的底部配置钢筋网的C15混凝土，上层为宽250cm、厚27cm的C25混凝土，支承块采用C40钢筋混凝土。（2）宽枕沥青混凝土道床无砟轨道（3）承轨台式混凝土道床板铺装无砟轨道1.2国外概况日本情况日本自1965年开始研发新型少维修轨道，在研发中曾提出过种种结构方案，经过方案比选，考虑到预制混凝土板在制造上容易保证精度，又可在板下与下部结构之间设置可供调整的缓冲垫层，又能满足控制成本、快速施工、可维修性和轨道强度、弹性保持与有砟轨道等同水平等要求，因此，把这种结构形式取名为“板式轨道”。其研发目的是减少轨道维修，以节省人力、物力、财力，达到安全、经济和耐用的目标。见图1.1。图1.1日本在高架桥上、隧道内等坚固基础上大量铺设有标准定型的A型板式轨道，目前正在研制试铺各种型式的减振降噪板式轨道，G型防振板式轨道已标准定型。在土路基上试铺有RA型板式轨道和板式道岔，还试铺有Cc型板式轨道、B型、E型和C型铺装轨道，以及框架轨道和梯型轨道等。以往，日本高速铁路土路基上主要铺设的是沥青混凝土道床宽枕（LPC枕）无砟轨道。近年来，又在试铺水泥混凝土道床板式无砟轨道。1）RA型板式轨道RA型板式轨道结构，它是由钢轨、钢轨扣件、轨道板、CAM（水泥沥青砂浆）填充层和沥青混凝土基床等部分构成的。为能在土路基上或既有高架桥上铺设，不采用凸形挡台法阻止板的纵横向移动，而采用在板底作凹槽的方法，利用其与CAM之间的阻力阻止板的移动。可见，这种轨道是用沥青混凝土基床强化路基，与其说是用轨道板不如说是用更宽的轨枕分散列车载荷压力，从而形成十分稳定的路面铺装轨道，可以显著延长轨道养护维修周期。2）土路基上混凝土道床板式轨道为改善RA型板式轨道所用沥青材料温度敏感性高和耐久性差的不足，提出了用水泥混凝土道床替代沥青混凝土道床的结构方案。它是由砂层、下部铺装（由级配碎石层、矿渣层、水泥稳定处理层或沥青中间层组成的强化路基）、钢筋混凝土底座、乳化沥青水泥砂浆层（CAM）、Ａ型轨道板、钢轨扣件和钢轨等构成的。这种轨道的特点是：(1)可以使用在高架桥上和隧道内等刚性基础上广泛应用的标准Ａ型轨道板。(2)由于采用抗弯刚度大的混凝土底座，可以提高荷载的分散传递效果。(3)与沥青系材料相比，温度敏感性低，耐久性优。(4)与沥青铺装施工时可采用道路工程铺装用的大型施工机械相比，施工效率降低了，并且需要较长的养生时间。(5)工程建设费高于沥青铺装轨道。(6)应采取防止混凝土因温度收缩而出现裂纹的技术对策。(7)与有砟轨道相比，噪声和振动高。关于工程建设费，如考虑其使用寿命期限内的全部费用（建设费＋维修费＋管理费），未必就不经济。关于噪声和振动，可根据地基承载力的情况，视需要采取减振降噪技术对策。关于提高施工效率和混凝土收缩裂纹也可采取相应对策。3）框架式板式轨道（图1.2）图1.2框架式板式轨道结构具有以下优点:(1)可以克服因温度变化引起的板的翘曲,防止CA砂浆损坏,减少维修量;(2)减少板的体积和重量及CA砂浆用量,降低生产成本和运费,获得更好的经济性;(3)改善施工性能,板下CA砂浆充填质量更加均匀等。(4)缓和温度应力德国情况1）Rheda无砟轨道情况德国是欧洲最热心研究开发无砟轨道的国家。为了达到减少维修劳力、适应高速运营和强化轨道的目的，从1959年起就开始研制和试铺各种类型的少维修无砟轨道。上世纪70年代，首先在希尔舍特（Hirschaid）车站试铺了3种类型的无砟轨道。随后又在雷达（Rheda）车站和厄尔德（Oelde）车站试铺了2种无砟轨道。1977年在慕尼黑试验线上又试铺了6种新型无砟轨道。自从1972年在比勒费尔德-哈姆间的Rheda车站土路基上铺设整体式轨枕混凝土道床无砟轨道以来，又相继试铺了各种水泥混凝土道床和沥青混凝土道床无砟轨道。经过多年在土路基上、高架桥上和隧道内的试铺试验，不断完善、改进、优化，形成了德国铁路运用较为普遍的无砟轨道系列，并于1989年基本定型并统称为Rheda轨道。德国Rheda无砟轨道系统，经历了由传统Rheda轨道形式→RhedaSengeberg轨道形式→Rheda轨道BerlinHST形式→Rheda-2000轨道形式的发展过程如下图1.3:图1.32）Rheda2000无砟轨道的特点(1)与普通型轨道相比，轨顶到水硬性混凝土上表面的距离减少到473毫米，轨道板各层的厚度累计减少了177毫米，在轨距不变的前提下，轨枕全长2.6米减少到2.3(2)埋入长枕优化为短枕，后期浇注混凝土与轨枕之间的裂缝减少。(3)对土质路基、桥梁、高架桥、隧道、道岔区段以及减振要求区段，可以采用统一结构类型，技术要求、标准相对单一，施工质量容易控制，更适应于高速铁路。(4)槽型板的取消，使得轨道混凝土承载层的灌注混凝土的捣固作业质量易于保证。(5)两轨枕块之间用钢筋桁梁连接，轨距保持稳定。(6)表面简洁、平整，美观漂亮。1972-1988年铺设无砟轨道25处，延长19km，1989-1997年又铺设无砟轨道22处，延长188km，遍及土路基、桥梁和隧道工程结构。至1997年，已铺设Rheda无砟轨道约207km。其中在土路基上铺设混凝土道床Rheda轨道约86km，沥青混凝土道床无砟轨道约63km。新建的汉诺威~柏林高速线铺设了120km的Rheda-2000轨道，而在新建的科隆~法兰克福高速线上，从齐格堡开始约150km长的线路上全线铺设Rheda-2000无砟轨道。纽伦堡-英格尔城高速新线亦铺设Rheda-2000无砟轨道。德国铁路规定试铺的无砟轨道要经过5年的运营考验后经批准才能正式使用。1996年，德国联邦铁路局（EBA）批准：——5种无砟轨道结构可以使用——10种无砟轨道结构可进行运营试验在已批准可以使用的5种无砟轨道结构中，有3种是水泥混凝土道床承载层（BTS），2种是沥青混凝土道床承载层（ATS）。10种批准试铺的无砟轨道结构中，有7种采用BTS，3种采用ATS承载层。3）ZÜBLIN无砟轨道它类似Rheda轨道，是在新灌注的混凝土道床层上用特殊施工机械施加振动，以使轨枕被安置在所规定的位置上。机械化施工性能虽优，但当超高超过150mm时，会引起施工困难。从1977~1996年，ZÜBLIN无砟轨道已铺设总延长18km。4）博格板式轨道（1）路基上博格板式轨道结构组成路基上博格无砟轨道由Vossloh300型弹性扣件、预制轨道板、砂浆调整层及水硬性材料支承层等部分组成。（2）长桥上无砟轨道系统结构组成由Vossloh300型弹性扣件、预制轨道板、砂浆调整层、连续底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成，台后路基上设置摩擦板、端刺及过渡板，梁缝处设置长3m，厚度50mm的硬泡沫塑料板英国铁路无砟轨道PACT（PavedConcreteTrack）轨道为英国1969年研制、试铺，1973年正式使用的高速、重载少维修无砟轨道，简称PACT轨道。它是在就地灌注的钢筋混凝土道床上直接联结钢轨，轨底与道床板之间设有连续带状橡胶垫板，连续支承钢轨。这种轨道已被英国、西班牙、南非、加拿大和荷兰等国广泛用于大轴重高速客运专线的隧道内和桥梁结构上，铺设总延长约为80km。法国铁路无砟轨道STEDEF双块式轨枕无砟轨道为法国双块式轨枕混凝土道床无砟轨道，简称STEDEF轨道，类似瑞士LVT、英国LVT轨道。主要用于隧道内，特别是地铁轨道。由于它是在块枕下设有橡胶衬垫和套靴以提供高弹性，故能有效地降低地铁轨道的噪声和振动。1.3我国无砟轨道技术再创新概况再创新工作的总体目标在前期科研成果和引进技术的基础上，对无砟轨道系统技术进行再创新；研发无砟轨道设计、制造、施工等成套技术及装备，其技术经济指标和施工效率优于引进技术，总体性能不低于国外无砟轨道系统。再创新工作的具体内容1）国内外无砟轨道系统技术总结及无砟轨道结构选型（1）Rheda2000型无砟轨道系统技术总结（2）Zublin型无砟轨道系统技术总结（3）Bogl型板式无砟轨道系统技术总结（4）日本板式无砟轨道系统技术总结（5）我国无砟轨道前期试验研究成果总结2）我国客运专线无砟轨道结构选型报告（1）无砟轨道结构设计理论和方法（2）无砟轨道结构设计技术要求及设计图，包括：路基（含桩板路基）、桥涵、隧道、岔区、过渡段等基础上的无砟轨道结构。（3）无砟轨道结构对线下基础的设计要求（4）无砟轨道预制件设计图、制造技术要求及成套装备（5）无砟轨道施工工艺及成套装备3）客运专线无砟轨道系统设计技术（1）桥上无砟轨道系统设计技术（2）路基上无砟轨道系统设计技术（3）隧道内无砟轨道系统设计技术（4）岔区无砟轨道系统设计技术(5）过渡段轨道结构设计技术（6）无砟轨道结构预制件设计技术（7）无砟轨道与站后工程的接口设计技术4）客运专线无砟轨道无缝线路设计技术（1）桥上无砟无缝线路设计技术（含区间、岔区）（2）无缝线路关键部件的设计技术（含伸缩调节器、绝缘接头、冻结接头）（3）无砟无缝线路铺设技术及关键设备研制5）客运专线无砟轨道工程材料的试验研究（1）路基上无砟轨道水硬性支承层材料的研制（2）路基面沥青防水层材料的研制（3）无砟轨道吸音板材料的研制（4）板式轨道凸形挡台填充树脂材料的研制（5）过渡段道砟粘结材料的研制（6）桥上隔离层及橡胶垫层的研制(7）减振型板式轨道橡胶垫层的研制（8）硬质泡沫塑料板的研制（9）道床板及底座混凝土配合比设计优化（10）锚固销钉及锚固材料的研制6）客运专线板式轨道CA砂浆及成套装备的研制（1）沥青乳剂的研制（2）CA砂浆原材料要求及配合比设计（3）CA砂浆施工工艺及成套设备的研制（4）CA砂浆注入袋的研制(5）CA砂浆调整层修补技术7）客运专线无砟轨道制造、检测技术及成套装备的研制（1）混凝土轨道板制造工艺及成套设备的研制（2）双块式轨枕制造工艺及成套设备的研制（3）桁架式岔枕制造工艺及成套设备的研制8）客运专线无砟轨道施工、检测技术及成套装备的研制（1）板式轨道施工工艺及成套设备的研制（2）双块式无砟轨道施工工艺及成套设备的研制（3）岔区无砟轨道施工工艺及成套设备的研制2.无砟轨道设计2.1无砟轨道的技术特点优点分析1）强度高、稳定性好、使用寿命长，有砟轨道20年，无砟轨道60年。2）几何平顺性好，保持能力强，技术速度更高3）维修量小，养护人员少，简化养护维修体制，无需大型养护机械4）横向稳定性好，可以设置较大的曲线超高，可减小线路曲线半径，使线路选线具有较大的灵活性。5）纵向稳定性提供更好的防爬能力，可使线路设计更大的纵坡，适应地形好，节省工程费。6）轨道高度降低，节省隧道空间，降低桥梁二期恒载，相应降低相关工程费。7）特别适合在高速客运专线和长大隧道内修建，技术性先进、节省维修量，速度目标值可靠。8）环保：避免特级道砟开采、水洗破坏环境和景区风貌。缺点分析1）对路基稳定性和沉降值要求高（客专15～20mm），基础处理费用较高。目前京津城际路基下沉最大47mm，预测还将发生30mm。2）造价是有砟轨道1.5～2.5倍，但全寿命经济效益仍优于有砟轨道。3）轨道一旦破坏，修复难度较大。2.2国内标准确定的无砟轨道种类适用性目前标准参考图编制种类：弹性支承块式CRTSⅠ型双块式CRTSⅡ型双块式CRTSⅠ型板式CRTSⅡ型板式扣件预埋铁座式弹性可调扣件可调式弹性扣件是为秦岭特长隧道内弹性支承块式无砟轨道上使用而研发的。它是一种预埋铁座、无挡肩、不分开、可调式弹条扣件。由ω型弹条、轨距挡板、绝缘轨距块、轨下胶垫、预埋铁座、T型螺栓、平垫圈、盖型螺母及调高垫片等组成。其主要技术参数如下：设计参数：1.轨距：1435mm。2.轨底坡：在铁垫板上设置1:40轨底坡。3.钢轨纵向阻力：一般地段大于9kN（每组扣件），小阻力地段为4kN（每组扣件）。4.节点刚度：A型：垫板静刚度为20～30kN/mm，扣件系统节点静刚度为35kN/mm。B型：垫板静刚度为30～40kN/mm，扣件系统节点静刚度为50kN/mm。5.疲劳性能：扣件系统按EN13146-4进行试验，经300万次荷载循环后零部件无伤损，轨距扩大小于6mm，且扣压力变化≤20%、钢轨纵向阻力变化≤20%、节点静刚度变化≤25%。（试验荷载参数：Pv/cosα=70kN，L/V=0.50，α=26°，X=15mm）。6.绝缘电阻：扣件系统按EN13146-5进行测试，两轨间绝缘电阻大于3Ω·km，并满足轨道电路的要求。7.恶劣环境条件影响：扣件系统经EN13146-6所述300h盐雾试验之后，用手工拆卸工具能顺利拆卸。8.钢轨左右位置调整量：单股钢轨左右位置调整量：-6～+6mm；轨距调整量：-12～+12mm，连续无级调整。9.钢轨高低位置调整量：30mm，调整级别为1mm，采用充填式垫板可实现无级调整。10.弹条扣压力及弹程：W1型弹条：扣压力大于9kN，弹程14mm；X2型弹条：扣压力6kN，弹程12mm。11.预埋套管抗拔力：不小于100kN。2.3无砟轨道的适用范围客货混运线设计速度200km/h以下，无砟主要考虑铺设于长大隧道地段、长桥地段及桥隧相连地段，其余地段以有砟轨道为主。主推无砟轨道类型有：弹性支承块无砟轨道CRTSⅠ型双块式框架式轨道板客运专线设计速度300km/h~350km/h，原则上全线铺设无砟轨道，主推轨道类型有：CRTSⅠ型双块式、CRTSⅡ型双块式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式。其中温暖地区CRTSⅠ型双块式、CRTSⅡ型双块式采用连续结构，寒冷地区可考虑分块式单元结构；CRTSⅠ型板式温暖地区可采用框架式，寒冷地区可采用大板，目前不主张在寒冷地区采用CRTSⅡ型连续板（博格）。城际铁路设计速度250km/h，无砟主要考虑铺设于长大隧道地段、长桥地段及桥隧相连地段，其余路基地段以有砟轨道为主。主推无砟轨道类型有：CRTSⅠ型双块式、CRTSⅡ型双块式、CRTSⅠ型板式。2.4无砟轨道设计设计解决的问题及目标值1）轨道强度、材料耐久性指标60年、气候条件——道床厚度、配筋率、道床裂缝宽度、钢筋保护层厚度——轨道部件种类2）轨道弹性指标：合理范围20~60kN/mm，主要靠扣件胶垫实现，板式轨道CAM仅能提供部分缓冲作用。3）施工方法、进度指标4）维修性指标5）经济性指标设计选型结构选型原则（1）结构形式与速度、轴重、运量匹配（2）技术成熟（3）可施工性好（4）经济性好设计接口1）线路与超高接口线路曲线半径与外轨超高关联，由于无砟轨道横向稳定性更好，可以使曲线超高更大些，因此使线路曲线半径更小。2）路基与排水接口（1）路基沉降：我国时速300-350公里暂规：①有砟轨道路基工后沉降量不应大于5cm，沉降速率应小于2cm/年。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm。②无砟轨道地段路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm；沉降比较均匀、长度大于20m的路基，允许的最大工后沉降量为30mm，并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求：Rsh≥0.4沉降值——15mm德国拟合竖曲线理论：德国设计标准RIL836规定：无砟轨道结构的总残余沉降量SR应满足1要求，个别特殊情况应满足2要求。1、无砟轨道施工以后的最大总残余沉降量SR应不超过轨道的最大调整余量减去5mm。在长度大于20m的均匀沉降路段，结构的残余沉降量最大不应超过2倍修正调节量。该调节量最大不超过20mm，修正调节量为15mm，其中5mm的差是为了抵消火车经过时产生的沉降。2、个别特殊情况，结构的总残余沉降量可以调整至6cm，前提是根据列车行驶动力学原理Ra0.4ve2，对线路长的落差值采取一定的过渡措施。3）隧道接口沉降缝处理：不同结构缝处轨道设置断缝；山区围岩稳定是可不设断缝。在轨道板末端或者在工作缝和施工缝等自由边，底座和无砟轨道之间的粘结必须采用特殊的措施来进行处理。为了确保轨道板混凝土和底座间的粘接，防止横向荷载和抬升发生，应该在轨枕之间的轨道板的自由边上安装直径为25mm的销钉，每处安装4排，1排5个销钉，正常的销钉是直径为25mm的直螺纹钢筋，其长度要确保无砟轨道内有固定的长度，而且要插入隧道内100mm。隧道结构相邻单元之间的沉降差不能超过3mm。在施工和运营过程中都必须严格监控有可能产生沉降差的结构缝，以便于及时调整沉降差。在特殊情况下，如果隧道结构允许的话，沉降差也可以大于3mm。在此处，混凝土底板和道床板中都要断开设置。在结构缝处没有设置活动连接的轨道结构单元，应采取必要的措施，以避免两层混凝土结构之间互相粘连，以及由于下部结构的变形而加剧上部道床板裂缝的发展。当沉降差在0～3mm范围时，需在道床板内配附加钢筋，且在混凝土底板和道床板之间要设置PE膜作为隔离层；当沉降差大于3mm时，应将混凝土底板和道床板断开设置，且在混凝土底板和道床板之间设置PE膜作为隔离层。4）桥梁接口（1）技术要求：梁端转角≤1‰（2）长桥上轨道与梁面连接方式：跨度大于25M为长桥2.5无砟轨道结构检算2.5.1国外情况（1）Zublin无砟轨道设计原理及计算方法计算模型和假定:结构计算模型分为三层，最上面是钢轨，下面是承载层，由道床板和水硬性承载层共同组成，最下面是防冻层及地基各土层。计算假定一：轨道结构的上部荷载是通过轨枕以45°角向下传递的。计算假定二：道床板混凝土处于未开裂状态。另外，双块式轨枕与道床板整体浇筑在一起，这保证了荷载的横向传递，所以不用额外对结构横向的抗弯承载力进行分析。也就是说，钢轨下部的混凝土承重结构主要是受沿轨道纵向的弯矩作用，设计时可以简化成“弹性地基梁”。无砟轨道设计是基于德国铁路要求(AKFF)和Eisenmann教授和Leykauf教授的理论。德国AKFF规定配筋率为0.8到0.9%，钢筋须设在轨道板的中间位置附近。在裂缝处，钢筋确保荷载从一边转移到另一边，同时保证了裂缝宽度的在限值之内，以保护钢筋免受腐蚀。德国规范规定无砟轨道的容许裂缝宽度为0.5mm。（2）桥上无砟轨道设计原理及计算方法设计原理同路基上无砟道岔与长桥上无砟轨道，特别考虑了下列因素的影响：桥梁挠曲变形的影响；桥上无缝线路附加纵向力的影响；2.5.2国内检算方法概况1）结构设计检算使用年限（1）无砟轨道的设计与检算采用容许应力法。（2）按我国结构设计体系，设计寿命为50年的称为半永久性结构，设计寿命为100年的称为永久结构，并没有与设计寿命60年(如德国采用的设计使用寿命)对应的耐久性设计要求。因此我国无砟轨道在设计中建议按使用寿命50年考虑，以方便在耐久性设计中参照有关规范。2）计算检算范围（1）主体结构①轨道板、道床板、底座应进行配筋设计及强度、裂纹、疲劳等检算。②砂浆层应进行抗拉压强度、剪切强度、疲劳强度检算。③弹性垫层应进行刚度设计、强度检算并依据设计使用年限内的老化特性进行选材。④支承层在设计中纳入计算，但不进行检算。（2）附属结构①连接层应进行关于粘接强度的抗拉、抗剪强度计算和检算。②凸形挡台、底座上的凸形限位台、底座侧面的限位器等应进行强度计算和检算。③限位销钉应进行强度计算和检算，还应进行疲劳强度检算。④道床板与底座间的隔离层、底座板与桥梁面板间的滑动层应依据强度和耐久性进行选材或检算。⑤纵连式无砟轨道的端部限位台座及与桥梁连接的传力结构，应进行强度计算和检算。⑥其他附属结构根据需要进行强度计算或检算，必要时进行疲劳检算。3）结构检算内容与荷载组合（1）主体结构中的轨道板、道床板、底座①所用材料的性能应按设计寿命50年，依据国标GB50010-2002中关于耐久性设计的相关规定进行。②单元式无砟轨道以“列车竖向设计荷载＋温度梯度＋桥梁挠曲变形（如在桥上）”引起的主体结构的弯矩进行配筋设计及裂缝宽度检算。③纵连式无砟轨道以“列车竖向设计荷载＋温度梯度＋桥梁挠曲变形（如在桥上）＋纵向温度力”引起的主体结构的应力，依据裂纹宽度限值和钢筋强度限值进行配筋设计。④以“列车竖向准静态检算荷载＋温度梯度＋纵向温度力＋基础变形＋混凝土收缩”进行强度检算。⑤以“列车竖向疲劳检算荷载＋温度梯度”按50年内荷载作用次数进行疲劳检算。⑥以运输、吊装、施工、维修中可能出现的临时荷载进行强度检算，给出限制条件或施工维护指导意见。（2）列车竖向荷载计算方法①列车竖向设计荷载供设计计算时使用，为列车运行在线路上的最大可能轮载值再考虑一定的安全裕量，取静轮载的3倍或单轮300kN。②列车竖向准静态检算荷载供静力检算中的计算使用，为列车运行在线路上的最大可能轮载值，单轮取为2.0倍静轮载。③列车竖向疲劳检算荷载供疲劳检算中的计算使用，为列车运行在线路上经常出现的轮载值，单轮取为倍静轮载循环荷载。④附属结构设计检算中列车横向荷载按轮载的0.8倍，疲劳检算时取轮载的0.4倍。⑤附属结构设计检算中列车纵向荷载取轮载的0.164倍。⑥进行平板温度翘曲应力计算时，参照公路规范《（JTGD40-2002）公路水泥混凝土路面设计规范》的温度梯度取值，将取值除以2，再取不同地区的平均值，建议我国无砟轨道设计中温度梯度的取值暂定为45℃/m。则对于190mm厚的轨道板，温度梯度取为8.6℃。⑦纵向温度力计算中的年最高最低气温按我国无缝线路设计中相关规范取值。⑧收缩按降温处理，降温幅度参照《铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）》第条规定选用。⑨路基沉降暂按15mm/20m取值。⑩桥梁挠曲变形、墩台沉降、梁端转角按所在线路的桥梁设计暂规取值。3）无砟轨道列车荷载弯矩计算理论（1）弹性地基上的叠合梁理论（2）弹性地基上的梁－板理论（3）弹性地基上的梁－体有限元计算理论为消除边界效应，模型选取三块单元轨道板或相当的长度进行计算，以中间单元板作为研究对象，计算的应力数据经过积分运算得到轨道板所受纵横向弯矩。梁体有限元理论的计算模型如图所示。4）比较分析的初步结论（1）建议采用梁板理论进行列车荷载作用下的弯矩计算（2）叠合梁理论修正后也可用于设计计算（3）梁体有限元计算理论宜作为研究中使用图2.1叠合梁模型图2.2梁-板模型图2.3梁-体模型3有限元介绍3.1有限元方法的发展历史早在1941年，Hrennikoff用线单元网络求解连续体中的应力，从而在20世纪40年代便开始了有限元方法的现代发展。1943年，Courant尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题，将此作为一种得到近似数值解的方法。1953年，Levy和Kelsey提出采用刚度法或位移法可用来分析静不定飞机结构。可是方程太过复杂，无法手工处理，因此随着计算机的发展，这种方法才普及起来。1954年，Argyris和Kelsey利用能量原理建立了矩阵结构分析方法。这说明了能量原理在有限元方法中有着重要的作用。现代有限元方法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题。这是Turner,Clough等人于1956年在分析飞机结构时得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。第一次提出“有限单元法”的名称是在1960年，Clough进—步处理了平面弹性问题，使人们认识到了有限元法的功效。1963—1964年，Besseling，Melosh和Jons等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法。确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是，有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此可以用来处理很复杂的连续介质问题。20世纪60年代早期以前，大多数有限元工作是处理小应变、小位移、弹性材料和静载荷。60年代以后，在有限元法中主要利用的是伽辽金(Galerkin)法，采用加权余量方式来确定单元特性和建立有限元求解方程。它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有限元法的应用领域。目前，有限元法的应用已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定向题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、黏弹性、黏塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核发展到优化设计和计算机辅助设计(CAE)技术相结合。在工程应用上，有限元法在航空航天工程、机械工程、建筑工程、海洋工程、地质工程、生物力学工程等诸多方面得到了广泛的应用。可以预计，随着计算机技术的发展,有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。3.2有限元常用术语简介(1)单元结构单元的网格划分中的每——个小的块体称之为单元。常见的单元类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种。由于单元是组成有限元模型的基础，因此单元类型对于有限元分析是至关重要的。一个有限元程序提供的单元种类越多，它的功能就越强大。(2)节点确定单无形状的点叫节点，例如：线段单元只有2个节点，三角形单元中有3个或6个节点，四边形至少有4个节点等。(3)载荷工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。包括集中力和分布力等。在不同的学科中，载荷的含义也不同。例如：在电磁场分析中，载荷是指结构所受的电场和磁场作用；在温度场分析中，所受的载荷是指温度本身。(4)边界条件边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。在有限元分析中，边界条件的确定是非常重要的因素。错误的边界条件的选择往往使有限元中的刚度矩阵发生奇异，使程序无法正常运行。施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要条件。3.3有限元方法的一般步骤有限无法用相互连接的单元模拟结构。每个单元都有一个位移函数与之相关。相互联结的单元通过共同(或共享)的界面，与其他单元联结起来。通过使用构成结构材料已知的应力应变特性，可以用结构中其他单元的特性确定给定节点的特性。描述每一节点特性的整组方程得出一系列用矩阵符号最佳表示的代数方程。具体说，进行有限元分析，主要可分为如下几步。步骤1：离散结构和选择单元类型将给定的物体划分为具有相关节点的等价的有限无系统，选择适当的单元类型来最接近地模拟系统实际的物理性能。所用的单元总数和给定物体内单元大小和类型的变化是需要工程判断的主要问题。单元必须小到可以给出有用的结果，又必须足够大以节省计算费用。一般来说，一维结构的有限单元可以为线段；二维连续体的有限单元为三角形、四边形；三维连续体的有限单元可以是四面体、长方体和六面体。各种类型的单元有着不同的优缺点。根据实际应用，发展出了更多的单元，最典型的区分就是有无中节点。分析人员必须要决定单元的类型、数目、大小和排列方式，以便能够合理有效地表示给定的物理系统。步骤2：选择位移函数假设的位移函数或模型只是近似地表示了真实的位移分布。通常假设位移函数为多项式，最简单的情况为线性多项式。在实际应用中，没有一种多项式可以与实际位移完全一致。用户所要做的是选择多项式的阶次、以使多项式在可以承受的计算时间内达到足够的精度。此外．还需要选择表示位移大小的参数，它们通常是节点的位移，但也有可能包括节点的位移函数。所选择的位移函数是用单元的节点值在单元内部定义的，并且每个单元可以重复使用同一个通用的位移函数。步骤3：定义应变位移和应力应变关系为了推导每一个有限单元的方程，需要应变位移和应力应变关系。此外，应力和应变必须通过应力应变关系(通常叫做本构关系)联系起来。在获取可接受的结果时，精确定义材料行为的能力是最重要的。最简单的应力／应变定律即是虎克定律。步骤4：推导单元刚度矩阵和方程单元刚度矩阵是根据最小位能原理或其他原理，由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度短阵将节点位移和节点力联系起来，物体受到的分布载荷变换为节点处的等价集中力。刚度矩阵K、节点力矢量F和节点位移矢量D的平衡关系表示为矩阵形式为{F}=[K]{D}步骤5：组装单元方程得出总体方程并引进边界条件可以便用叠加法将步骤4得到的单个单元方程组装在一起得出整个结构的总体方程。叠加法中所隐含的是连续和协调概念，要求结构保持完整，在结构任何一处都不发生撕开。最后得到如下形式的总体矩阵方程：{F}=[K]{D}其中{F}——整体节点力矢量；[K]——总体刚度矩阵；{D}——总体节点位移矢量。步骤6：解未知自由度即是求解上面得到的矩阵方程。步骤7：求解单元应变和应力对于结构应力应变分析来说，因为应力应变可以用步骤6确定的位移直接表达。因此应力应变是第二批得到的重要的量。可以使用典型的应变和位移关系及应力应变关系，如上面所述。步骤8：解释结果最后的目标是解释和分析用于应力应变分析过程的结果。在进行设计和分析决策时，通常需要确定结构中位移最大和应力最大的位置。后处理计算机程序用图形显示的方式帮助用户解释结果。在使用有限元程序求解问题时，分析人员必须作出决定的问题是：将结构或连续体划分为有限元的问题、选择单元类型或分析中要使用的单元类型、外加载荷的类型、边界条件的类型、外加支撑的类型问题，步骤2—7由计算机程序自动完成。3.4有限元方法的优缺点(1)有限元法的优点①有限元法不需要适用于整个物体的插值阐述，而是对每个单元各自插值，故此可以很容易地模拟具有不规则复杂形状的结构。②整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程。从而可以用多种方法对其求解。③可以毫无困难地处理一般的载荷。④边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体方程后再加入边界条件，这样，内部和边界单元都能采用相同的场变量模型。而且当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。⑤因为单元方程是单个建立的，所以可以模拟由几种不同材料构成的物体，处理非线性问题，求解非均匀介质。⑥可处理动态问题。⑦单元的尺寸大小可以变化，而且改变有限元模型也比较容易。⑧处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。(2)有限元法的不足之处①有限元计算。尤其是在对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是惊人的。计算资源包括计算时间、内存和硬盘空间。②对于无限区域问题，有限元法很难处理。③尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格技术，但到底采用何种单元、网格密度选取多大才合适等问题，需要依赖于经验。④有限元分析得到的结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的系统仿真分析不能单独使用有限元分析来完成，必须结合其他分析和工程实践才能完成整个工程仿真设计。3.5有限元方法的应用有限元方法可用于分析结构和非结构问题。(1)结构问题①应力分析，包含桁架和框架分析，与孔、凸起式其他物体几何形状改变相关的应力集中问题。②屈曲分析。③振动分析和模态分析。(2)非结构问题①热传递问题。②流体流动，包括通过多孔材料的渗流。③电位或磁位分布。④生物力学工程问题。3.6有限元发展方向及重大进展国际上的发展当今国际上有限元方法和软件发展呈现出以下一些趋势待征。(1)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题近年来，有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔时就会使铁塔产生变形，而塔的变形又反过来影响到气流的流动……这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。(2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费大量的人力和投资开发诸如MARC，ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。(3)增强可视化的前置建横和后置数据处理功能随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需用几十分钟。但是如果用手工方来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有80％以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI(GraphicsUserInterface)，使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据。并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。(4)与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求，则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的CAD和FEM软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以，当今所有的商业化有限元系统商都开发了与著名的CAD软件(例如Pro／ENGINEER，Unigraphics，SolidEdge，SolidWorks,IDEAS,Bentley和AutoCAD等）的接口。国内发展情况和前景对国内FEM程序开发者来说，应该从下面几方面加以努力。(1)研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEM程序。经过几十年的研究和发展，用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟，现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学相交叉学科的问题。由于国内没有类似功能软件，从国外引进具有这种功能的软件的费用又特别昂贵。为此，我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。(2)开发具有中国持色的自动建模技术和GUI开发建模技术和GUI的投入比前述课题要少得多，但却可以大大提高FEM软件的性能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作，但是由于当时PC机上的图形支撑环境有限，所以开发的效果都不甚理想。需要开发能直观地通过对“菜单”“窗口”“对话框”和“图标”等可视图形画面相符号的操作，自动建立有限元分析模型，并以交互方式实现计算结果的可视化处理，提高有限元分析的效率相精确性，也便于用于学习和掌握。(3)与具有我国自主知识产权的CAD软件集成当今有限元方法的一个重要特点是与CAD软件的无缝集成。作为我国自行开发的FEM程序。首先要考虑和我国自主版权的CAD软件集成。因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件，所以要与具有三维造型功能的CAD软件集成，使设计和分析紧密结合、融为一体。4.ANSYS软件基本介绍4.1概述ANSYS(AnalysisSystem)是20世纪70年代由美国ANSYS公司研制开发的工程分析软件。它是一种融结构学、热学、流体学、电磁学和声学于一体的大型CAE通用有限元软件，可以广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电工、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件运行于大多数计算机及操作系统(如Windows，UNIX，Linux和IRIx和HP—UX)。从PC机到工作站，直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列及工作平台上均兼容。ANSYS是第一个集成计算流体动力学(CFD)功能，也是唯一包括多物理场分析功能的软件。4.2ANSYS软件的特点和组成软件特点ANSYS将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题必不可少的工具。它在功能、性能、易用、可靠性以及对运行环境的适应性方面，满足了用户的当前需求，帮助用户解决了许多工程实际问题，为科研尽心服务。ANSYS软件技术特点体现在如下几点。(1)与CAD软件的无缝集成。可以与著名CAD软件等进行数据交换，用户在用CAD软件完成零部件的造型设计后，能直接将模型传送到ANSYS中进行有限元网格划分并进行分析计算，及时调整设计方案，有效地提高分析效率。(2)强大的多场及多场耦合分析求解功能。用户不但可以利用其进行结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相互影响研究。(3)极为强大的网格处理能力。是实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析软件。(4)强大的非线性分析功能。(5)唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。(6)具有多种求解器，可以适用于不同的问题和配置。(7)支持个人PC机、工作站及大型机的所有硬件平台，兼容其平台上的全部数据文件，并具有统一的用户界面。(8)具有多层次多框架的产品系列。产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的、具有一定功能的各模块组成，用户只需购买自己需要的模块即可。(9)良好的用户开发环境。ANSYS综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入、图形化输出等多种方式，应用更加方便。方便的二次开发功能。应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发出适合自己特点的应用程序。NSYS软件组成ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、求解模块、后处理模块。1)前处理模块。它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100余种单元类型，用来模拟工程中的各种材料。前处理模块主要实现三种功能；参数定义、实体建模、网格划分。(1)参数定义ANSYS程序在进行结构建模的过程中．首先要对所有被建模的材料进行参数定义，包括定义单位制、定义所使用单元的类型、定义单元的实常数、定义材料的持性以及使用材料库文件，等等。(2)实体建模在此过程中，ANSYS提供了两种方法：从上到下和从下到上的建模。对于一个有限元模型，图元等级从下到上依次是：点、线、面和体。用户可以先定义点、线、面，然后由所定义的图元生成体(由下到上建模)；也可以先建立起实体，程序则自动定义相关的下级图元(由上到下建模)。无论采用何种方法建模都需要进行布尔操作来组合结构数据．同时还可以来用拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等操作，构建符合用户需要的模型。(3)网格划分ANSYS系统的网格划分系统十分强大，从使用选择的角度来说，可分为系统智能划分和人工选择划分两种。从网格划分的功能来讲，则包括延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分4种方式。2)求解模块。求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。(1)定义分析类型和分析选项用户可以根据所施加的载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。(2)载荷所谓的载荷应该包括边界条件(约束、支承、边界场的参数)和其他外部或内部作用载荷。在ANSYS中，载荷分为六类，即，DOF约束；力；表面分布载荷；体积载荷；惯性载荷；耦合场载荷。同时必须清楚与载荷相关的两个术语：载荷步和子步。载荷步仅仅指可求得解的载荷配置。载荷步对于将一个瞬态载荷历程曲线划分成几段是有用的。子步是指一个载荷步中增加的步长。主要是为了瞬态分析或非线性分析中提高分析精度和收敛。子步也称时间步，代表一段时间。(3)制定载荷步载荷步选项用于更改载荷步的选项，如子步数、载荷步的结束时间和输出控制。根据所作分析的类型，载荷步选项可有可无。3)后处理模块。完成计算后，可通过后处理模块将计算结果以彩色等值线显示、云图显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可以将结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS的后处理模块分为两部分：通用后处理模块(POST1)和时间历程后处理模块(POST26)。(1)通用后处理模块(POST1)通用后处理器可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步(时间步)的结果。可以通过上述方式显示。POST1还提供误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等功能。(2)时间历程后处理模块(POST26)POST26可用于查看模型特定点在所有时间步内的结果。此外，POST26还可以：进行曲线的代数运算，变量之间的加减乘除运算以产生新的曲线；进行绝对值、平方根、对数、指数、最大值及最小值运算；求曲线的微积分运算；从时间历程中生成谱响应等。4.3ANSYS软件的功能NSYS的基本功能(1)结构静力分析。用来求解稳态外载荷引起的系统或局部的位移、应变、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题；ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析。(2)结构动力学分析。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。(3)结构非线性分析。结构非线性导致结构或局部的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。(4)动力学分析。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。(5)热分析。ANSYS软件可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热—结构耦合分析能力。(6)电磁场分析。主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。(7)流体动力学分析。ANSYS流体单元能进行流体动力学分折，分析类型可以分为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热—流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。(8)声场分析。软件的声学功能用来研究合流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。(9)压电分析。用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及他电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分杨：静态分析、模态分桥、谐波响分析和瞬态响应分析。4.3.2ANSYS软件的高级功能1)多物理场耦合分析(绝大多数的工程分析都要用到耦合场的功能)。考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可得到正确结果的。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布(电场分析)和应变(结构分析)。耦合场分析适用于下列类型的相互作用：热—应力分析(压力容器)热—结构分析热—电分析热—流体分析磁—热分析(感应加热)磁—结构分析(磁体成形)感应加热分析感应震荡分析电磁—电路分析电—结构分析电—磁分析电—磁—热分析电—磁—热—结构分析压力—结构分析速度—温度—压力分析稳态—流—固分析2)优化设计。它是一种寻找确定最优方案的技术。设计方案的任何方面都是可以优化的。如：尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的大小)、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。3)拓扑优化。是指形状优化，有时也称为外形优化。拓扑优化的目标是寻找承受单荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。用户只需要给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和要省去的材料百分比，程序就能自动进行优化。4)单元的生死。如果模型中加入(或删除)材料，模型中相应的单元就“存在“(或“消亡”)。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活单元。本功能主要用于钻（如开矿和挖隧道等)，建筑物施工过程(如桥梁的建筑过程)，顺序组装(如分层的计算机芯片组装)和另外一些用户可以根据单元位置来方便池激活或不激活它们的一些应用中。5)用户可扩展功能(UPF)。ANSYS软件的开放结构允许连接自己的FORTRAN程序和子过程。当前UPF支持如下特性：(1)用户单元坐标系定位：适用于下列单元类型：“SHELL43”，“SHELL63”，“SHELL91”，“SHELL93”，“SHELL99”，“SHELL181”，“(2)用户实参：单元“COMBIN7”和“COMBIN37(3)用户摩擦系数：适用于接触单元“CONTAC48”和“CONTAC49(4)用户塑性屈服准则：允许用户定义自己的塑性屈服准则计算塑性应变并在积分处生成切向应力应变矩阵。(5)用户蠕变方程：允许用户定义自己的蠕变方程。(6)用户熔胀准则：如果在分析中计入熔胀(如中子爆炸)，可自定义合适的熔胀准则。程序内部没有熔胀准则。(7)用户湿热生成：允许计入由潮湿成分引起的热膨胀，限于单元“SHELL91”(8)用户超弹性：适用于超弹性单元。(9)用户失效准则：适用于层单元“SOLID46”和“SHELL99”。可以定义不超过(10)用户黏弹性：对于单元“FLUID141”和“FLUIDl42(11)用户载荷：体载荷如温度、热生成和频率(中子流)；面载荷如压力、对流、热流和电势密度等可用子程序定义。(12)用户载荷向量：对于单元“PIPE59”(13)ANSYS作为子程序：可以在自己的程序中将ANSYS程序作为于程序调用。(14)用户优化：可以用自己的算法和中断准则替换ANSYS优化过程。4.4ANSYS主要系列产品介绍ANSYS产品系列是由一套可自由选配集成的功能模块组成的，用户可以根据自己的实际需要选择集成某些模块以便满足行业工程需求。下面分别对这些产品或模块作以介绍。(1)ANSYS／Multiphysics：是最完整、最强大的产品，是一个多物理场耦合的分析程序包。它能够进行结构、热力学、电磁学、流体动力学分析，还可以对这四种物理场进行耦合分析，但是不能进行显式动力学分析。(2)ANSYS／Mechanical：该产品能够进行所有的结构和热力学分析以及压电和声学分析，但是不能进行电磁学、CFDFLORTRAN和显式动力学分析。(3)ANSYS／Structural：可以进行完整的结构分析功能，包括几何非线性、材料非线性、单元非线性、屈曲分析以及各种动力学分析。(4)ANSYS／Linearplus：从ANSYS／Structural中派生出来的．仅提供线性结构分析，只能用线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板／梁大变形分析。(5)ANSY5／Th：从ANSYS／Mechanical中派生出来的，仅可进行热分析。(6)ANSYS／PrepPost：提供前处理阶段的建模功能以及后处理阶段的结果分析处理。(7)ANSYS／ED：具有ANSYS／Multiphysics全部功能，但规模限制在极小的级别内，用于教学目的。(8)ANSYS／FLORTRAN：进行计算流体动力学分析(CFD)，包括层流、可压缩流和不可压缩流等。(9)ANSYS／Emag：进行电磁分析。可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。(10)ANSYS／LS-DYNA：提供显式计算功能，可解决高度非线性结构动力问题，主要进行模拟板料成形、碰撞、爆炸、大变形冲击、材料非线性、多体接触等计算。(11)AN5YS／LS—DYNAPrepPost：提供ANSYS／LS-DYNA前后处理的功能，涉及实体建模、网格划分、加载、边界条件、等值线显示、计算结果评价及动画。(12)ANSYSWorkbench系列：是ANSYS公司推出的继承多项新技术的产品系列，具有开放性的开发平台，可以实现与CAD集成及双向参数化，定制用户化的完整CAE解决方案。5.板式轨道设计5.1板式轨道设计总体概述引言无砟轨道是一种新型的轨道结构,相对于有砟轨道而言,无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道砟道床而组成的轨道结构型式。由于无砟轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久保持、以及维修工作量可显著减少等特点,在世界各国铁路上得到了程度不同的发展,而在高速铁路上应用无砟轨道,尤以日本、德国最为广泛。国内对无砟轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。发展到现在,我国常用的无砟轨道有板式轨道、长轨埋入式和弹性支承块式无砟轨道三种基本型式。我国无砟轨道结构的理论设计计算水平发展还不够成熟,现在基本上采用叠合梁的方法进行结构计算设计,该方法计算简单,但是精确度不够。现以普通板式轨道为例,把钢轨、轨道板、扣件、CA砂浆层和作用在钢轨上的荷载视为一个系统。采用有限元的方法对板式轨道的钢轨、轨道板的纵向在外荷载作用下的竖向变形和内力进行了分析计算,为板式轨道结构的分析提供了一种数值方法。基本假设(1)扣件、CA砂浆层的变形符合文克尔(Winkler)假定;(2)未考虑钢轨、轨道板等结构的自重;(3)不考虑凸型挡台对轨道板的横向作用,未考虑混凝土基础等下部结构沉降的影响,同时忽略相邻轨道板之间作用的相互影响;计算参数钢轨为60kg/m;轨道板长4.95m、宽2.4m、厚0.19m;钢轨的弹性模量为2.1×MPa,钢轨的截面惯性矩为3.217×;钢轨扣件的支点间距为0.625m,扣件支点胶垫的弹性系数为60MN/m;CA砂浆层的弹性系数为900MN/m;轨道板的弹性模量为4.12×Mpa;荷载选用德国ICE轴重195kN,取动载系数为3.0,则计算中每个动轮重取(轴重/2)×3.0≈300kN。表5.1板式无砟轨道设计参数部件项目单位数值备注钢轨弹性模量MPa2.1e-5泊松比—0.3转动惯量3.217e-5断面积7.745e-3轨高0.176扣件刚度60扣件间距0.625轨道板弹性模量MPa36000泊松比—0.2长度×宽度×厚度4.95×2.4×0.19CA砂浆弹性模量MPa0.05板下布满泊松比—100厚度0.3混凝土地板弹性模量MPa32500泊松比—0.2宽度×厚度3.2×0.3土路基弹性模量MPa190泊松比—0.27厚度3采用有限元分析软件ANSYS建模计算时，采用有限元分析软件ANSYS进行模型求解。应用有限元理论建立无砟轨道结构的梁板模型：钢轨采用Beam3单元模拟，轨道板采用Shell63单元模拟,用Combination14单元模拟扣件表示的离散弹簧，其他各层采用Sliod45实体单元模拟。图5.1ANSYS模型（由于对称性，采用1/2板宽）图5.2ANSYS网格划分及耦合荷载作用于板中和荷载作用于板端计算结果图5.3板中受力时纵向及横向受力图图5.4板端受力时纵向及横向受力图根据以上ANSYS结果，计算得到表5.2表5.2荷载作用于板中和荷载作用于板端计算结果项目荷载作用板中荷载作用板端轨道板最大挠度0.280mm0.307mm轨道板纵向最大正弯矩16.5(KN·M)14.9(KN·M)轨道板纵向最大负弯矩16.5(KN·M)14.9(KN·M)轨道板横向最大正弯矩17.0(KN·M)17.8(KN·M)轨道板横向最大负弯矩17.0(KN·M)17.8(KN·M)计算结果分析有板式轨道力学计算结果可知，当荷载作用于板中时，轨道板出现最大纵向正弯矩。当荷载作用于板端时，其它力学响应值较大。当荷载作用于板端时，轨道板出现最大横向正弯矩。在无砟轨道结构设计中，应该综合这两种荷载作用下的最大值进行设计。结语把钢轨、轨道板、钢轨扣件、CA砂浆和作用在钢轨上的荷载视为一个系统，用有限元方法分析板式无砟轨道在荷载作用下钢轨和轨道板的变形和内力，该计算方法理论清晰、步骤明确、计算简单，并且可以通过有限元软件ANSYS实现结构分析，能满足设计、施工要求，对不同工况有很好的通用性。5.2板式轨道配筋计算过程设计条件5.2.1.15.2.1.1.15.2.1.1.25.2.1.1.35.2.1.1.45.2.1.1.5材料的强度和容许应力5.2.2.1设计标准强度预加应力时的压强容许弯压应力预加应力时设计轮重作用时容许弯拉应力疲劳检算时容许剪切应力容许粘着应力容许冲剪应力钢轨扣件扣着处保持螺栓处横向力作用下容许剪应力不进行钢筋计算时进行钢筋计算时容许边缘应力受拉侧制造时受压侧制造时受拉侧运输施工时受压侧运输施工时5.2.2.2钢筋（HRB335容许拉应力，无论是轨道纵向还是轨道横向（寒冷地区用）5.2.2.3PC圆钢13mm拉应力屈服点应力容许拉应力张拉作业时预加应力之际设计轮重作用时松弛3%5.2.2图5.5轨道的尺寸形状设计弯矩.1外力矩由于模型采用shell63，上下侧应力大小相等，根据ANSYS计算结果，其外力矩见表5.3表5.3外力矩（）方方向外力矩状态轨道横向（）轨道纵向（）疲劳检算时下侧上侧0.830.830.890.89设计时下侧上侧1.651.651.781.78注：包括横向力作用下的弯矩假定板端以外沿轨道纵向的弯矩的作用宽度为轨道板宽度的1／2，则外力矩如表5.4所示。表5.4外力矩M(d·M／板宽一半)方方向外力矩状态轨道横向()轨道纵向疲劳检算时下侧上侧0.830.831.071.07设计时下侧上侧1.651.652.142.14外力矩的计算假定使用吊环插入装置时，外力矩的计算假定如下。.2.1轨道纵向轨道纵向的荷裁按团5.6所示的斜线部分进行计算。外力矩的作用宽度为板宽的1/2。图5.6轨道板纵向计算荷载.2.2轨道横向轨道横向的荷载按图5.7所示的斜线部分进行计算。图5.7轨道横向计算荷载外力矩的有效宽度——距吊环插孔的距离(＝1.120M)．——l／2板宽＝1.200m。=0.903+1.200=2.103m<=2.475m由此，按以往的算式进行计算/2-0.225=0.903+1.200×1/2-0.225=1.278m.3轨道板外力矩.3.1制造时(1)轨道纵向轨道纵向轨道板外力矩计算见图5.8。图5.8轨道纵向输轨道板外力矩计算图(制造时)在制造时，由于考虑到轨道板的翻转，无论在上例还是下侧，均为0.472(tf·m)=0.47(tf·m)(2)轨道横向轨道横向轨道板外力矩计算见图5.9。图5.9图5.9轨道横向轨道板外力矩计算图基于同上的理由，上下侧均为0.847tf·m.3.2运输时（插入吊环支撑）（1）轨道纵向下侧=0.472(tf·m)(制造时)=3×=3×0.472=1.416(tf·m)上侧=0.232(tf·m)(制造时)=2×=2×0.232=0.464(tf·m)(2)轨道横向在轨道横向上，因为是在吊环插孔附近放置轨道板、系为全面支承．即使发生了，推想也不会超过制造时的弯短，从而省略计算。.3.3施工时（1）轨道纵向下侧（图5.10），P0=1.0(tf)(为进行作业，人员和器具的重量)=0.704-0.232+0.786=1.258（tf·m）上侧(图5．11)图5.10轨道纵向轨道板下侧图5.11轨道纵向轨道板上侧外力矩计算图（施工时）外力矩计算图（施工时）（2）轨道横向（图5.12）,图5.12轨道横向轨道板外力矩计算图（施工时）.4使用吊环插入装置时的外力矩汇总表使用吊环插入装置时的外力矩汇总见表5.5表5.5外力矩汇总表（单位：tf·m）外力矩方向状态位置轨道纵向（tf·m/0.5宽）轨道横向(tf·m/1.278m)制造时下侧上侧0.4720.4720.8470.847运输时下侧上侧1.4160.464施工时下侧上侧1.2580.6841.147---所需圆钢及钢筋数量的计算对轨道纵向和轨道横向进行疲劳检算时，是以令预应力为条件，计算所需的预加的应力量。.1断面各元素断面元素见表5.6（1）轨道纵向1900cm29.5cm-9.5cm57158cm46017cm3-6017cm3(2)轨道横向1900cm29.5cm-9.5cm57158cm46017cm3-6017cm3表5.6断面各元素（断面尺寸均为1000mm×190mm）.2疲劳检算时的弯曲应力（由于模型采用shell63，上下侧应力大小相等，故只算一侧即可）.2.1轨道纵向弯矩下侧=0.89(tf·m/m)弯曲应力下侧.2.2轨道横向弯矩下侧=0.83(tf·m/m)弯曲应力下侧5.2.4.3PC圆钢的计算.3.1轨道纵向PC圆钢采用SBPR95/110Φ13mm=133.0(mm2)=12（根）钢筋（HRB335）==Φ12×10根（假定）=1.131×10=11.31(cm2)钢筋换算截面=240×19+(6-1)×2×11.31=4673.1(cm2)假设计算截面的PC圆钢早期拉应力为σpi=72(kgf/mm2)（试算而确定的值）因弹性变形而引起的PC圆钢应力的损失Δ=式中Δ-PC圆钢拉应力的损失值-弹性模量比==6.15-由于预应力，PC