石长铁路(K16 000-K19 000) 轨道结构设计

摘要本文设计研究的是石长铁路(K16+000-K19+000)轨道结构设计路段的有砟轨道，以石门至长沙铁路增建第二线的纵断面贯通方案为设计资料，按照铁路无缝线路设计规范对要求区域进行无缝线路设计。验证有限元模型计算结果的正确性完成对所设计轨道结构的强度复核TB10015–2013路轨道设计规范》（TB10082-2017）关键词：石长铁路；无缝线路；ANSYS有限元分析；无缝线路结构设计；轨道受力计算

AbstractThispaperfocusesonthedesignandresearchofballasttrackstructuresfortheShiChangRailway(K16+000-K19+000)section,usingthelongitudinalprofileoftheShimentoChangshaRailway'ssecondlineadditionasthedesignbasis.TheseamlesstrackdesignisconductedinaccordancewiththeRailwaySeamlessTrackDesignSpecificationsfortherequiredareas.ThecontinuouslyweldedrailtrackdesignintegratestheoriginaltrackandtrackdesignspecificationstoselecttheappropriatetrackstructureforthespecifiedsectionoftheShiChangRailway.Subsequently,thedesignedtrackstructureisanalyzedusingtheANSYSsoftwarethroughfiniteelementanalysistoobtainthestaticreactionforceandbendingmomentdiagrams.Then,traditionalcalculationmethodslearnedareappliedtoverifytheaccuracyofthefiniteelementanalysisresultsfromANSYS.Iftheresultsfallwithintheallowableerrorrange,thefiniteelementanalysisisconsideredqualified.Afterpassingtheverification,thequasi-staticcalculationofthetrackstructureiscompleted.Followingthis,thestructuralstrengthofthedesignedrailsischeckedusingfiniteelementmethods,andtheresultsarere-verifiedusingtraditionalcalculationmethodstoensuretheaccuracyofthefiniteelementanalysis.Finally,themaincomponentsandquantitiesarecalculatedtocompletetheseamlesstrackdesignforthespecifiedsection.ThisdesignadherestotheRailwaySeamlessTrackDesignSpecifications(TB10015–2013)andthe"RailwayTrackDesignSpecifications"(TB10082-2017)asthestandardsforthedesign.TheShiChangRailwaysection(K16+000-K19+000)isdesignedaccordingtotherequirementsoftheoriginaldesigndata.Keywords:ShichangRailway;seamlesslines;ANSYSfiniteelementanalysis;Seamlesslinestructuredesign;Calculationofrailforces目录TOC\o"1-3"\h\u3692第1章概述 1147891.1铁路的发展简介 164451.1.1国内铁路发展历程与重要性 198661.1.2铁路等级的划分 2194251.2轨道构造 3171581.2.1铁路轨道的定义 3311801.2.2铁路轨道的结构组成 3194001.3无缝线路 3210201.3.1无缝线路的定义 3278381.3.2无缝线路的分类 4278201.4设计资料 5131391.4.1工程概况 5108101.4.2设计区段 6190441.5设计思路 627382第2章轨道结构竖向受力计算 758882.1轨道结构选型 7304142.2静力计算 8174272.2.1计算参数 833062.2.2基于有限元方法轨道结构竖向力的计算 10318422.2.3基于传统方法轨道结构竖向力的计算 1831793及误差分析 20198532.3轨道动力响应的准静态计算 22299042.3.1速度系数的确定 22173882.3.2偏移系数的计算 227932.3.3横向水平力系数f的确定 2337132.4动弯矩和动反力计算 23261622.4.1动弯矩的计算 23131432.4.2动反力计算 24187972.5轨道结构强度检算 2424585第3章轨道结构强度检算 26238803.1无缝线路稳定允许温度力和允许温升计算 26325793.1.1稳定允许温度力计算 26300403.1.2允许温升计算 27172713.2设计锁定轨温的确定 28150283.3钢轨基本应力检算 2961773.4轨枕弯矩检算 30160293.4.1检算内容和模型 30139053.4.2枕下截面负弯矩的检算 31223843.4.3枕中截面正弯矩的检算 35159523.5道床及路基顶面应力检算 4016938第4章无缝线路结构计算 4319464.1轨条长度及缓冲区的设计 4353804.2伸缩区长度 4385824.3绘制温度力分布图并标注主要位置的数值 44132954.4预留轨缝设计 454691第5章主要构件及数量计算 48158685.1钢轨 4839545.2轨枕 48253285.3道砟 483225.4扣件 4819097总结 4930112致谢 5017305参考文献 5132754附录 5224007附录1：钢轨弯矩计算表 5215004附录2：枕上压力计算表 54概述1.1铁路的发展简介1.1.1国内铁路发展历程与重要性上海吴淞铁路，作为中国的第一条铁路，英国商人在一八七六年，出于维护自身国家的利益，无视清朝政权的阻挠，坚决进行建设路工作。1876年9月15日，中国第一列火车从上海出发，开始了中国近代史上的一段重要历史篇章。随着时间推移，中国铁路网络不断扩大，铁路运输成为中国经济的重要组成部分之一。在中国一个多世纪铁路的历史，都深深浸透着中国人的铁路情怀，同时也见证了中国的铁路与世界铁路的关系变迁以及中国铁路发展的蓝图。在中日甲午战争结束后，清政府的腐败统治使得八国联军得以在中国大规模建设铁路，总长度约为九千四百公里。在这些铁路中，大约41%是由帝国主义直接建造并从中获取利润的，而另外39%则是通过贷款控制的中国国有铁路。至1949年底，全国铁路总里程已达到2.1810万公里，所有游客与商品的周转量也达到了314亿吨每公里左右。至1952年底，全国铁路营业里程进一步增至2.2876万公里，旅客和货物的运输周转量也大幅增至802.24亿吨公里。中国共产党在1982年9月提出到20世纪末，工业和农业生产总值要实现翻两番的重大目标。铁路运输的发展已成为阻碍国民经济进步的关键因素，并制定了“北战大秦、南攻衡广、中取华东”的铁路发展长远规划，旨在加强铁路这一国民经济动脉的建设。在2004年1月7日的国务院常务会议上，审议并通过了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，为中国铁路网的未来发展描绘了清晰的蓝图。计划到2020年关键干线实现客车和货车分线运行。届时，铁路网系统将具备充足的运输能力，以满足国民经济的增长和社会发展的需求，并努力与国际先进水平接轨。据2024年全国铁路监督管理会议通报,截至2023年底，全国铁路营业里程达到15.9万公里，高铁达到4.5万公里，地方铁路营业里程达到2.4万公里，其中自主运营里程达到1.17万公里，专用铁路、铁路专用线达到9000余条，路网规模、质量均大幅提升。截至2023年底，经行政许可的铁路运输企业达到79家，行业发展活力进一步激发。2023年，中国铁路客运量约38.5亿人次，其中高铁客运量约为29.4亿人次，同比2019年增长约24%。铁路旅客周转量约为14729.4亿人公里，其中高铁旅客周转量约为9821.9亿人公里，同比2019年增长约27%。随着疫情影响的消退，预计2024年铁路客运出行将回归平稳增长态势，高铁客运量预计仍将维持15%-20%的增速。铁路的重要性：铁路运输是现代运输体系中不可或缺的一环，它不仅作为陆地运输的主要方式之一，在整个运输行业中扮演着日益重要的角色。铁路运输因其对气候和自然条件的低敏感性，展示了强大的运输能力和高效的单车载重能力，确保了运输过程的连续性和经济效益。铁路在国家综合交通运输系统中发挥着至关重要的作用，它作为国家基础设施，是推动集约化发展、提高资源能源使用效率的关键途径。随着全面建设小康社会的不断推进，铁路将在促进社会经济发展中扮演更加关键的角色，特别是在应对国民经济快速发展所带来的能源和物资运输挑战方面。铁路运输在确保运输安全的前提下，实现了客运和货运量的显著增长，这对于缓解能源和物资供应的压力、保障民众的日常生活以及经济社会的稳定发展具有重要意义。1.1.2铁路等级的划分中国《铁路线路设计规范》中明确指出，新建或改建的铁路（或特定区段）的等级，应当基于其在铁路网络中的功能定位、性质特征以及预期的客货运量来确定。中国的铁路建设标准主要分为四个级别，即Ⅰ级铁路、Ⅱ级铁路、Ⅲ级铁路和Ⅳ级铁路。具体划分条件如下所列：Ⅰ级铁路：这类铁路在网络中扮演着骨干角色，预期未来每年的客货运量将超过两千万吨；Ⅱ级铁路：这类铁路同样在网络中担任骨干角色，但预期未来每年的客货运量低于两千万万吨。此外，还有一些起联络和辅助作用的铁路，它们的预期未来每年的客货运量将超过一千万吨；Ⅲ级铁路：这类铁路主要为某个特定区域提供服务，具有明显的地区运输特点，预期未来每年的客货运量低于一千万吨；Ⅳ级铁路：这类铁路同样主要为某个特定区域提供服务，具有明显的地区运输特点，预期未来每年的客货运量低于五百万吨。1.2轨道构造1.2.1铁路轨道的定义铁路轨道，通常被称为路轨、钢轨或轨道，是专门为铁路系统设计的，它与转辙器等设备协同工作，使火车能够在不改变方向的情况下沿着预定的路线行驶。铁路轨道主要由两条平行排列的钢轨轨道构成，钢轨被固定在轨枕之上，而轨枕下方则是由碎石和一些级配砾石所构成的路碴，用于承受各种轨道上的荷载。铁路轨道的主要材料是由钢铁等原材料制做而成，根据钢铁的性质，它能够承受比其他材料更大的荷载。在铁轨下的材料称为轨枕，也被称作枕木、灰枕或路枕等，其主要功能是将钢轨的重量和受到的荷载压力通过轨枕向下传导，同时保持轨道的固定间距，确保轨道的稳定性。随着时间的推移，根据混凝土技术的发展，传统的木枕逐渐被混凝土枕所取代。1.2.2铁路轨道的结构组成轨道是由道床、轨枕、钢轨、连接件、防爬设备和道岔等元件构成的。轨道刚开始出现时，用的钢轨类型为铸钢轨，随着社会科技的发展与进步，出现新型的工字形钢轨。在20世纪末期，世界上多数国家的铁路采用的标准轨距为1435毫米。比标准轨距窄的轨道称为窄轨铁路，比标准轨道宽的称为宽轨铁路。道床直接铺设在路基表面，通常使用碎石、卵石或矿渣等材料。钢轨、轨枕和道床的材料力学性质不同，将钢轨和轨枕、道床三个元件用不同的方式组合起来构成完整的轨道结构。道床位于轨道的底部，道床有弹性，可为轨道提供弹性支撑，此外道床还具有排水功能，防止轨道内部积水过多影响车辆通行。此外，钢轨还可以铺设在由混凝土构成的基座上，桥梁上的钢轨大多数都以混凝土为基座，方便施工。有些特殊的钢轨甚至可以嵌入混凝土中供车辆通行。轨枕铺设在道床内，轨枕的铺设方式有很多，但一般为更好的承受荷载，都用横向铺设的方式。轨枕一般由木材、\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"钢筋混凝土或钢材做成。\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"钢轨以\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"连接的零部件扣紧在轨枕上，以保证车辆行驶时钢轨的稳定性。1.3无缝线路1.3.1无缝线路的定义无缝线路是一种通过焊接标准长度的钢轨来形成的长钢轨线路。这种线路的特点是大大减少了钢轨接头和轨缝的数量，因此被称为无缝线路。1.3.2无缝线路的分类无缝线路的定义为是将钢轨焊接起来的线路，用一段段标准长度的钢轨进行焊接，保证很长一段距离的钢轨间没有缝隙，所以也称为称焊接长轨线路，无缝线路在实际运用中，在长轨道内部会存在很大的温度力，所以也称温度应力式无缝线路。1.根据长度分类根据焊接长轨条长度不同分类，可分成普通无缝线路、全区间无缝线路和\t"/item/%E6%97%A0%E7%BC%9D%E7%BA%BF%E8%B7%AF/_blank"跨区间无缝线路三种类型。①普通无缝线路：设缓冲区而使焊接长钢轨的长度限制在1-2km以内的无缝线路。在两长轨条之间设置2〜4根标准轨用普通钢轨接头形式与长轨条连起来，形成缓冲区，缓冲区内存在钢轨接头。②区间无缝线路：使焊接长钢轨的长度由普通无缝线路的1-2km延长至两个相邻车站站端道岔之间长度的无缝线路。③跨区间无缝线路：焊接长轨条贯穿整个区段，并与车站道岔焊接，桥上铺设无缝线路，取消了介于长轨条与它们之间缓冲区和钢轨接头，彻底实现了线路的无缝化，从而称为跨区间无缝线路。2.根据处理应力的方式分类无缝线路分温度应力式和放散温度应力式两种，目前世界各国绝大多数均采用温度应力式无缝线路。①温度应力式无缝线路由一根焊接长钢轨及其两端的2-4根标准轨组成，并采用普通接头的形式。这种无缝线路包括伸缩区、固定区和缓冲区三个部分。伸缩区的长度通常在50到100米之间。固定区的长度则取决于线路和施工条件，最短不得少于50米。②放散温度应力式无缝线路有两种类型：自动放散和定期放散。自动放散型在焊接长轨条的两端安装了伸缩调节器，可以自动释放钢轨中的温度应力，主要用于高速铁路和桥梁上的线路。放散温度应力的过程较为复杂，因此较少采用。1.4设计资料1.4.1工程概况石长铁路，简称石长线，是一条连接湖南省常德市石门县至长沙市的国铁Ⅰ级铁路，全线位于湖南省境内，由石长铁路有限责任公司负责运营与管理。它西起焦柳铁路的石门县，东接京广铁路，横穿“鱼米之乡”湖南省境内的湘、资、沅、澧四大水系，全长二百余公里，石长铁路的修建具有重大的战略意义。2016年，石长铁路复线正式运营，石长铁路复线的总长度为二百六十多公里，设计时速可达160公里，沿线共设有14个车站。张家界作为一个以旅游业为主导的城市，是湖南省旅游业的领头羊。建设石张高速铁路将进一步增强其旅游承载能力，整合优质旅游资源，实现互利共赢，这对慈利县乃至整个湘西地区的发展都具有极其重要的意义。为了应对旅游旺季的客流高峰，应对核心景区的突发事件，以及促进双通道通行，张家界市在慈利县的阳和设立了张家界东站，这将有助于推动张家界东线旅游业的发展。2003年10月，石长铁路已经拥有了9对定期客车和6对货物列车，成为了通往张家界的旅游黄金通道。石长铁路采用了扁平化管理模式，例如，客运事业部就是将客运和车辆两个职能部门合并为一个。当复线工程完工后，石长铁路的货运能力大大增强，有效地缓解了北煤南运通道的瓶颈问题。同时，年客运能力也将从1000万人次增加到5000万人次。石长铁路完善了湖南省境内铁路“二纵三横”的路网格局，开辟了一条北煤南运和省内煤炭运输的便捷通道，成为湘西北连接湘中、湘东的重要运输干线，被誉为运输的黄金线和富民的经济线。1.4.2设计区段石长铁路还将连通长株潭城市群与湘西北地区，作为近期\o"渝长客运专线"渝长通道的重要组成部分，实现川渝地区与中部地区的快速沟通。本次设计的区段为石长铁路(K16+000-K19+000)，石门至长沙铁路增建第二线可行性研究线路详细纵断面贯通方案的设计资料图如下图1-1所示： 图1-1石长铁路设计资料图1.5设计思路计标准(等级)，查找相同等级的铁路线路设计规范进行轨道结构设计线路类型S无缝线路设计思路流程图轨道结构竖向受力计算轨道结构选型根据设计资料已知设计铁路等级为Ⅰ级，以等级对应的速度为依据，按照铁路轨道结构设计规范，无缝线路设计规范中的规定，对本次线路设计的结构进行选型，结构选型见表最小曲线半径R=1494m，检算荷载采用SS3的轮载轮距图，土质路基双层道床（面砟30cm,底砟20cm）。线路横断面图见图表2-1轨道结构选型III型h由160Km/h设计速度选择SS3机车，SS3机车的轮载图见图2-2。112.8 112.8112.8112.8112.8112.8kN轮1轮2轮3轮4轮5轮62.3m2.0m7.2m2.0m12.3m1静力计算计算参数对设计线路进行静力计算，根据铁路轨道设计规范对计算参数进行明确，如下表2-2：表2-2各型钢轨断面参数W和惯性矩Ix及轨底宽b钢轨垂直磨耗(mm)名称单位钢轨类型75kg/m60kg/m1501500mm3432000339400mm3509000396000mm444890000321700003mm3420000318000mm3496000385000mn443280000306900006mm3405000291000mm3482000375000mm44089000028790000确定根据设计资料本文所设计的铁路为新建铁路，钢轨垂直磨耗为0(mm),根据铁路轨道设计规范，对于75kg/m钢轨对水平中和轴的惯性矩I=44890000(mm4)=448910−8(m4)。弹性模量E=2.06105(MPa)=2.061011(Pa)=2.061011(N/m2)故有钢轨抗弯刚度：EI=2.061011448910−8=9247340(N/m)2计算弯矩时按照公式（2-1）计算:（2-1）式中—胶垫刚度，依据铁路轨道设计规范取=50(kN/mm)；—道床及路基刚度，依据铁路轨道设计规范取=100(kN/mm)；—轨枕刚度，本文设计的钢轨轨枕为混泥土枕，取。取D1=33(kN/mm)=33000000(N/m)依据规范换算后的总的支承刚度(胶垫+道床+路基)D2=700(kN/cm)=70000000(N/m)根据上述计算过程可得：计算弯矩时，D1=33000000N/mm=3.3×107N/m计算反力时，D2=70000000N/mm=7×107N/m根据设计资料和轨道设计规范得轨枕间距为：a==0.6m式中:——钢轨基础弹性模量，单位；——支座刚度，单位；——轨枕间距，取a=0.6m(1)计算弯矩时：(N/m)2(钢轨)4.刚比系数k刚比系数根据规范公式（2-3）计算: （2-3）式中:ki-刚比系数E-钢轨弹性模量，取E=2.06×1011N/m2I-轴的惯性矩,取I=4489×10-8m4(1)计算弯矩时：(2)计算反力时：基于有限元方法轨道结构竖向力的计算本次有限元分析采用ANSYS15.0进行，采用点支承梁模型进行轨道结构竖向力分析。计算主要步骤为：根据确定的轨道结构建立轨枕模型；用确定的设计数据定义各实常数；生成弹簧单元；最终进行荷载的及约束的施加；定义单元表并计算出轨道结构竖向力。具体的步骤见流程图2-3。弯矩单元定义并生成75钢轨截面，见图2-4。FINI/CLEAR,START/FILNAME,RAIL-SECT/prep7ET,1,PLANE82k,1,0.10737,0.146,0,k,2,0.11037,0.149,0,k,3,0.109,0.1764,0,k,4,0.0969,0.1904,0,k,5,0.083,0.1919,0,k,6,0.073,0.192,0,k,7,0.063,0.1919,0,k,8,0.0491,0.1904,0,k,9,0.037,0.1764,0,k,10,0.03563,0.149,0,k,11,0.03863,0.146,0,k,12,0.0536,0.1415,0,k,13,0.0577,0.1387,0,k,14,0.0606,0.1308,0,k,15,0.0606,0.0468,0,k,16,0.0426,0.0246,0,k,17,0.0297,0.021,0,k,18,0.0159,0.0175,0,k,19,0.002,0.0139,0,k,20,-0.002,0.0099,0,k,21,-0.002,0.0020,0,k,22,0.000,0.000,0,k,23,0.073,0.000,0,k,24,0.146,0.000,0,k,25,0.148,0.0020,0,k,26,0.148,0.0099,0,k,27,0.144,0.0139,0,k,28,0.1301,0.0175,0,k,29,0.1163,0.021,0,k,30,0.1034,0.0246,0,k,31,0.0854,0.0468,0,k,32,0.0854,0.1308,0,k,33,0.0883,0.1387,0,k,34,0.0924,0.1415,0,BSPLIN,2,3,4,BSPLINE,4,5,6,7,8,BSPLINE,8,9,10BSPLINE,10,11,12,13,BSPLINE,33,34,1,2BSPLINE,13,14,15,16,BSPLINE,30,31,32,33BSPLINE,16,17,18,19BSPLINE,27,28,29,30BSPLINE,19,20,21,22BSPLINE,24,25,26,27BSPLINE,22,23,24BSPLINE,13,33BSPLINE,16,30,AL,1,2,3,4,5,13AL,6,7,13,14AL,8,9,10,11,12预划分并划分映射网络，有限元划分结果见图2-5。LSEL,S,LINE,,4,8,4LSEL,S,LINE,,4,5,1LSEL,A,LINE,,13LCCAT,ALLALLSEL,ALLLSEL,S,LINE,,8,9,1LSEL,A,LINE,,14LCCAT,ALLALLSEL,ALLLESIZE,1,,,5LESIZE,3,,,5LESIZE,2,,,12LESIZE,4,,,4LESIZE,13,,,4LESIZE,5,,,4LESIZE,6,,,10LESIZE,7,,,10LESIZE,14,,,4LESIZE,8,,,6LESIZE,9,,,6LESIZE,10,,,2LESIZE,11,,,2LESIZE,12,,,16MSHKEY,1AMESH,ALLSECWRITE,75RAIL,SEC截面数据储存、定义相关参数并生成弹簧支座，结果见图2-6。FINI/CLEAR,ALL/FILENAME,RAIL/TITLE,EXAMPLE-RAILBYBINGO/PREP7SECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'75RAIL','SECT','',MESHET,1,188MP,EX,1,2.1E11MP,PRXY,1,0.3K=33000000(定义支承刚度)ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KA=1000/1667定义轨枕间距参数k,1,0*A,0,0k,2,1*A,0,0k,3,2*A,0,0k,4,3*A,0,0k,5,4*A,0,0k,6,5*A,0,0k,7,6*A,0,0k,8,7*A,0,0k,9,8*A,0,0k,10,9*A,0,0!加载点k,11,10*A,0,0k,12,11*A,0,0k,13,12*A,0,0K,14,12*A+0.20036,0,0!加载点k,15,13*A,0,0k,16,14*A,0,0k,17,15*A,0,0K,18,15*A+0.40072,0,0!加载点k,19,16*A,0,0k,20,17*A,0,0k,21,18*A,0,0k,22,19*A,0,0k,23,20*A,0,0k,24,21*A,0,0k,25,22*A,0,0k,26,23*A,0,0k,27,24*A,0,0k,28,25*A,0,0k,29,26*A,0,0k,30,27*A,0,0k,31,28*A,0,0k,32,29*A,0,0k,33,29*A+0.27240,0,0!加载点k,34,30*A,0,0k,35,31*A,0,0k,36,32*A,0,0K,37,32*A+0.47276,0,0!加载点k,38,33*A,0,0k,39,34*A,0,0k,40,35*A,0,0k,41,36*A,0,0K,42,36*A+0.07324,0,0!加载点k,43,37*A,0,0k,44,38*A,0,0k,45,39*A,0,0K,46,40*A,0,0k,47,41*A,0,0k,48,42*A,0,0k,49,43*A,0,0k,50,44*A,0,0k,51,45*A,0,0L,(1:50:1),(2:51:1)!生成线K,10000,0,1,0!方向点LATT,1,,1,,10000,10000,1LESIZE,ALL,,,7LMESH,ALL/ESHAPE,0EPLOT*DO,I,1,49!生成胶垫弹簧节点N,100000+I,(I-1)*A,-0.3,0*ENDDOTYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,0.3,,0,ALLSEL,ALL荷载的加载并求解，加载结果见图2-7。/SOLUNLGEOM,ONESEL,S,TYPE,,1NSLE,S,1NSEL,R,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,-0.3,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALL!施加荷载NSEL,S,,,NODE(9*A,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(12*A+0.20036,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(15*A+0.40072,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(29*A+0.27240,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(32*A+0.47276,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(36*A+0.07324,0,0)!选择加载点F,ALL,FY,-112800,!为加载点施加荷载ALLSEL,ALLSOLVE后处理、定义单元表并绘制弯矩图，弯矩图如图2-8所示。ETABLE,,SMISC,1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0反力表2-3弯矩分析及反力分析命令流的不同处K000K000PLLSSMISSMIS,0图2-9有限元分析得到的反力云图2.2.3基于传统方法轨道结构竖向力的计算传统方法运用连续支承梁模型计算。连续支承梁模型如图2-10所示：图2-10连续弹性基础无限长梁（1）计算静弯矩计算弯矩参数见表2-4：表2-4计算弯矩参数DN/m)轨枕间距钢轨基础弹性模量N/m2)刚比系数1/m)计算每个轮的弯矩值总和见下表2-5：表25计算表计算轮196372.519278134.067396359.058496359.058578134.067696372.519X96372.519由表2-7可知，96372.519·（2-4）(2)计算静反力计算反力参数见表2-6：表2-6计算反力参数钢轨支座刚度D2(N/m)轨枕间距a(m)钢轨基础弹性模量u2(N/m2)08刚比系数k2计算每个轮的反力值总和见下表2-7：表STYLEREF1\s27计算表计算轮1109294.4252106045.7053109292.8004109292.8005106045.7056109294.425X109294.425由表2-8可知，109294.425及误差分析根据连续支承梁模型求得静弯矩值和用ANSYS计算出的弯矩值做M—连续支承梁模型求得静弯矩值；S根据连续支承梁模型求得静反力值和用ANSYS计算出的静反力值做反力R—连续支承梁模型求得静反力值；S静反力值2。2ANSYSR软件有限元分析得出的静弯矩数值和静反力数值与传统方法计算出的静弯矩和静反2.3轨道动力响应的准静态计算轨道动力的准静态计算需要计算以下参数。2.3.1速度系数的确定列车在直线轨道上行驶时，由于车轮与轨道间的动力效应，致使作用在轨道上的动轮载要大于静轮载，动轮载与静轮载的差值与静轮载的比值就是速度系数。随行车速度增加，速度系数α随之增大。设计速160(km/h)200(km/h),SS3机车计算钢轨轨底弯曲应力时，速度系数据表2-8计算： 表2-8速度系数计算表速度系数速度范围(km/h)速度差牵引种类电力内燃——————根据设计资料，设计速度为160km/h，则速度系数α：2.3.2偏移系数的计算 （2-5）式中：—欠超高H—车体重心高度（从轨面算起）S1—两股钢轨中心距，取1500mm则偏载系数β：2.3.3横向水平力系数f的确定2.横向分布系数f查《铁路无缝线路设计规范》（TB10015-2013）可知横向分布系数如表2-9所示：表2-9横向水平力系数f线路平面直线曲线半径(m)300400500600≥800横向水平力系数f1.252.001.801.701.601.45本设计区段曲线地段最小曲线半径R=1494m,有=1.45，直线地段有=1.25。2.4动弯矩和动反力计算2.4.1动弯矩的计算设计速度为160km/h，动弯矩Md据公式（2-6）计算。（2-6）式中Md—动弯矩；M1—静弯矩；；曲线地段：=直线地段:Md=M1(1+a+)(1+a1)fz2.4.2动反力计算动反力Rd据公式（2-7）计算：Rd=R1(1+a+)(1+a1)（2-7）式中Rd—动反力。=89895.8368（N）式中为用ANSYS计算出的静反力值2。22.5轨道结构强度检算轨底动弯应力： 轨头动弯应力： 式中W1,W2—钢轨下部和上部的断面系数，—轨底最外纤维拉应力和轨头最外纤维压应力(MPa)根据铁路轨道设计规范各种钢轨类型的相关参数如下表2-10所示：表2-9各种钢轨类型的相关参数新建铁路75kg/m钢轨，=49188.649(N.m),由上表铁路设计规范可得=509000(mm3),=432000(mm3)。轨道结构强度检算无缝线路稳定允许温度力和允许温升计算由于无缝线路的长轨受到钢轨接头阻力、扣件阻力和道床阻力的限制，当轨温发生变化时，会在长钢轨中产生轴向温度力。如果轨温升高，长轨条中会产生轴向压力；如果轨温降低，长轨条中会产生轴向拉力。在高温条件下，无缝线路容易在横向上产生位移，这种横向位移对线路的影响非常大，会导致钢轨偏离原来的方向，从而使道路的方向变得不稳定。在这种情况下，列车行驶的平稳性会受到很大影响，甚至有可能发生脱轨的危险。因此，无缝线路额稳定性是轨道结构强度中必须处理的问题。无缝线路稳定性应满足最大温升幅度小于或等于允许温升的要求。3.1.1稳定允许温度力计算允许温度力按下列公式（3-1）计算： （3-1） 式中：[P]—允许温度压力；P—计算温度压力；K—安全系数，取K=1.3。计算温度压力P通过无缝线路稳定性计算的简化公式来计算。 式中：K-安全系数，K=0.3-轨道框架刚度系数，有砟轨道为2.0-钢轨对竖直轴惯性矩，75轨取665l-轨道弯曲变形半波长(cm),f-轨道弯曲变形矢度,查资料为2mm-轨道原始弹性弯曲矢度,查资料为3mm-轨道原始塑性弯曲合成曲率-钢轨原始塑性弯曲半径,道床横向阻力(N/cm),查规范取87N/cm，Q=8.7N/mm=3.1415钢的弹性模量，取E=2.1×105MPaR为最小曲线半径，R=1494m=1494000mm3.1.2允许温升计算稳定条件下确定允许温升按照下列公式（3-2）计算： （3-2） 式中：α—钢轨的线性膨胀系数。取α=11.8×10-6/℃设计锁定轨温的确定强度条件下允许温降计算式中：—钢轨容许应力(MPa)；—轨底下缘动弯应力(MPa)，经计算σ1d=96.6378；σc—钢轨承受的制动应力(MPa)，查规范取σcK—安全系数,取K=1.3；σs—钢轨钢的屈服强度，由表知U71Mn钢轨的屈服强度σs=α—钢轨的线性膨胀系数。查资料取α=11.8×10-6/℃。表31我国主要钢种钢轨屈服强度钢种U71Mn、U71MnGU75V、U75VGσs(MPa)457472设计锁定轨温记为Te，根据无缝线路的稳定性和强度求得允许温升[∆ts]和允许温降[∆td]，再根据当地的最高轨温Tmax和最低轨温Tmin(如表3-2所示查阅资料式中：∆tk—中和温度修正值，取∆t表3-2长沙地区气温地区 最高气温最低气温最高轨温Tmax最低轨温Tmin长沙 43.0-11.363.0-11.3以长沙地区气温为本节设计依据，取。无缝线路的设计锁定轨温锁定上下限也要满足以下条件。设计锁定轨温上限：设计锁定轨温下限：稳定性检算条件：根据上述计算结果表明，本文设计路段设计轨温范围为38.425℃~48.425℃钢轨基本应力检算钢轨温度应力按σt按公式（3-3）计算： （3-3） 式中：σt—温度应力；∆t根据检算结果，得知设计钢轨检算合格。轨枕弯矩检算3.4.1检算内容和模型检算下截面正弯矩时，采用图3-1所示的支承模型：图3-1枕下截面正弯矩支承模型检算轨枕中间截面负弯矩时，采用图3-2所示的支承模型：图3-2轨枕中间截面负弯矩支承模型3.4.2枕下截面负弯矩的检算(1)基于有限元方法检算枕下截面负弯矩：中间无支承时命令流的编制：FINI/CLEAR,START/FILNAME,SLEEPERSECT/prep7et,1,PLANE82HEIGHT=0.23WIDTH=0.3k,1,0,0,0k,2,WIDTH,0,0k,3,WIDTH,HEIGHT,0,k,4,0,HEIGHT,0,l,1,2l,2,3l,3,4l,4,1AL,ALLLSEL,ALLLESIZE,ALL,,,4AMESH,ALLSECWRITE,SLEEPER1,SECTFINI/CLEAR,/FILENAME,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/TITLE,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/PREP7ET,1,188MP,EX,1,3.5e10MP,PRXY,1,0.2K=100000000/86ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KSECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'SLEEPER1','SECT','',MESHD1=-0.2FORCE=-89895.8368/5D=1.435WT=0.073WD=0.15L=2.6SZ=D+WTE=L-SZK,1,0,0,0K,2,(L-D-WT-WD)/2,0,0K,3,(L-D-WT+WD)/2,0,0,K,4,E,0,0,K,5,SZ,0,0,K,6,(L+D+WT-WD)/2,0,0,K,7,(L+D+WT+WD)/2,0,0K,8,L,0,0！L,(1:7:1),(2:8:1)K,100,0,1,0LATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,2,6,4LESIZE,ALL,,,5LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,1,7,6LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,3,5,1LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALL/ESHAPE,1EPLOTNSEL,S,LOC,Y,0,,,,NGEN,2,1000,all,,,0,D1,0,1NSEL,S,LOC,Y,D1,,0,NSEL,A,LOC,Y,0,,0,TYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,D1,,0,ALLSEL,ALL/SOLUNSEL,S,LOC,Y,D1,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,X,(L-D-WT-WD)/2,(L-D-WT+WD)/2,0.001,NSEL,A,LOC,X,(L+D+WT-WD)/2,(L+D+WT+WD)/2,0.001,NSEL,R,LOC,Y,0,,0,F,ALL,FY,FORCE,ALLSEL,ALLSOLVE/POST1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0ANSYS软件分析结果，见图3-3：图3-3枕下截面负弯矩结果(2)基于传统方法检算枕下截面负弯矩支承形式为中间不支承，枕下截面负弯矩按公式（3-4）检算： （3-4） 枕下Rd=89.896KNANSYS和传统算法误差：，在允许误差范围内。ANSYS的计算值与传统算法值都在允许误差范围内，所以此次检算合格。3.4.3枕中截面正弯矩的检算(1)基于有限元方法检算枕中截面正弯矩命令流的绘制FINI/CLEAR,START/FILNAME,SLEEPERSECT/prep7et,1,PLANE82HEIGHT=0.23WIDTH=0.3k,1,0,0,0k,2,WIDTH,0,0k,3,WIDTH,HEIGHT,0,k,4,0,HEIGHT,0,l,1,2l,2,3l,3,4l,4,1AL,ALLLSEL,ALLLESIZE,ALL,,,6AMESH,ALLSECWRITE,SLEEPER1,SECTFINI/CLEAR,/FILENAME,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/TITLE,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/PREP7FOR=89895.8368ET,1,188MP,EX,1,3.5e10MP,PRXY,1,0.2K=70000000/86ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KSECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'SLEEPER1','SECT','',MESHD1=-0.2FORCE=-89895.8368/7D=1.435WT=0.073WD=0.15L=2.6SZ=D+WTE=L-SZK,1,0,0,0K,2,(L-D-WT-WD)/2,0,0K,3,(L-D-WT+WD)/2,0,0,K,4,E,0,0,K,5,SZ,0,0,K,6,(L+D+WT-WD)/2,0,0,K,7,(L+D+WT+WD)/2,0,0K,8,L,0,0L,(1:7:1),(2:8:1)K,100,0,1,0LATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,2,6,4LESIZE,ALL,,,5LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,1,7,6LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,3,5,1LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALL/ESHAPE,1EPLOTNSEL,S,LOC,Y,0,,,,NGEN,2,1000,all,,,0,D1,0,1NSEL,S,LOC,Y,D1,,0,NSEL,A,LOC,Y,0,,0,TYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,D1,,0,ALLSEL,ALL!/SOLUNSEL,S,LOC,Y,D1,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,X,(L-D-WT-WD)/2,(L-D-WT+WD)/2,0.001,NSEL,A,LOC,X,(L+D+WT-WD)/2,(L+D+WT+WD)/2,0.001,NSEL,R,LOC,Y,0,,0,F,ALL,FY,FORCE,ALLSEL,ALLSOLVE/POST1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0ANSYS运行结果见图3-4：图3-4枕中截面正弯矩结果(2)基于传统方法检算枕中截面正弯矩支承形式为中部，枕中截面正弯矩根据规范按下列公式（3-5）检算： （3-5） Rd=89.896KN计算有限元软件与传统法的误差：，误差百分比在合适的限制范围。经过上述比较，ANSYS有限元计算的结果与传统算法的结果都小于允许的范围，因此检算合格。道床及路基顶面应力检算(1)道床应力检算：在列车正常运行的情况下，在钢轨中心线与轨枕中心线相交点的应力相对较大，位于轨枕边缘的应力相对较小，如下图3-5所示:图3-5道床顶面受力图道床顶面最大压应力按公式（3-6）进行检算： （3-6） 式中:σb轨枕地面宽度，混泥土枕取平均宽度b=275一股钢轨下的轨枕有效支承长度，Ⅲ型枕取枕长的一半，e,=1300(MPa)结合铁路设计规范，将本文所设计的钢轨、轨枕的相应数值代入公式：道床顶面最大压力小于道砟允许压应力，根据上述公式得道床顶面压力检算合格。(2)路基顶面应力检算：计算路基顶面应力常用近似计算法进行计算。本文所设计的模型与实际情况有一定偏差，所以进行路基顶面应力检算时做出如下理想化假设：1.荷载对轨枕产生的压力从道床顶面向下以扩散角φ按扩散规律传递到路基;2.忽略轨枕之间的相互影响;3.荷载产生对路基产生的压应力,在路基面上呈均匀分布。道床内部受力示意图根据设计材料给出如下图3-6：图3-6道床内部受力图按(3-7)进行道床台体高度的计算： （3-7）式中φ—压力扩散角,φ=35根据所选参数，道床为一级碎石道砟，道床厚度为h=500mm，道床顶面宽度为3.60m，道床边坡为1：1.75。道床厚度h=500mm，在、之间，路基顶面应力按式(3-8)检算： （3-8）式中:—路基表面允许承压应力，新建线路路基根据上述计算，本文路基顶面应力小于路基表面允许承压应力，所以路基顶面应力检算符合强度要求。无缝线路结构计算轨条长度及缓冲区的设计(1)轨条长度设计在设计轨条长度时，需要考虑线路的平面和纵面条件，以及道岔、道口、桥梁和隧道的位置。原则上，轨条长度应按照闭塞区的长度进行设计，一般长度为1000到2000米。在本设计中，选择的轨条长度为1000米。轨节的最短长度通常为200米，但在特殊情况下，不应短于150米。(2)缓冲区设计设计钢轨时，为保证行车安全，在长轨之间、道岔与长轨之间、绝缘接头处，需设置缓冲区,缓冲区一般设置2-4根25m长标准轨。本设计缓冲区设置3根标准轨，具体结构如图41所示：图