【《简支梁桥桥上无缝线路梁轨相互作用力学模型分析案例》2600字】

简支梁桥桥上无缝线路梁轨相互作用力学模型分析案例1.132m简支梁桥的梁轨相互作用模型在本文中，使用有限元软件SAP2000在桥上建立无缝轨道模型，分别使用梁单元、线性弹簧单元和非线性弹簧单元还原钢轨和梁、道床垂向刚度和道床纵向阻力。同时，将放置在桥梁两端的钢轨延长100m以减少路基上钢轨对桥上无缝轨道受力的影响。根据该模型，建立了长度为32m的简支梁桥模型，并进行了梁和钢轨的相互作用计算和分析，可以有效简化计算并了解力传递的途径。1.1.1模型简介建立桥梁-轨道有限元模型，应遵循以下假设：无缝线路在桥梁上的横向力很小，桥梁与轨道之间的横向位移不影响横梁和轨道的纵向力，因此，在绘制桥-轨有限元模型时，仅考虑平面力，并且可以考虑杆系结构单元。（2）线路的纵向阻力由轨道结构的类型决定。钢轨扣件和道床是防止轨道纵向运动的主要结构，选择线路的最小纵向阻力作为下限值，有砟轨道通常使用道床阻力，而无砟轨道则使用扣件阻力。（3）桥梁墩台纵向刚度线性变化，不考虑其纵向位移。建立桥梁-轨道有限元模型的物理模型如下图2-1所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11桥梁-轨道相互作用模型1.2建立模型（1）定义：定义坐标轴（Global坐标轴），定义材料属性（采用Q345钢轨和C50混凝土），定义截面属性（钢轨截面和梁截面），定义两种连接类型（连接和刚臂），定义两种支座类型（固定支座和活动支座）。其中，32m简支梁桥的梁截面如下图2-4所示。图2-4简支梁桥梁截面（单位：mm）运用AutoCAD绘图软件对该梁截面进行简单的分析计算，先将坐标原点移至截面形心，再计算其截面特性如下表2-1所示。表STYLEREF1\s21简支梁截面特性截面截面面积(mm2)惯性矩分析(mm4)梁截面的弹性模量(N/mm2)梁截面的线膨胀系数对x轴对y轴简支梁截面86703264.44×8.12×2.1×1.0×（2）从坐标的原点开始，沿x轴绘制总共33个特殊节点，其间隔为1m。选择“框架”功能中的钢轨截面，将第一个节点和第二个节点进行连接，再选择“带属性复制”功能将这33个节点连接组成简支梁桥桥上钢轨的模型。在这33个特殊节点组成的钢轨下方0.1m和1.2m处，同样绘制特殊节点，组成梁轨连接和简支梁桥桥面的模型，与上方组成钢轨的特殊节点一一对应，再使用“两点连接单元”功能，在0.1m处使用“连接”连接，在1.208m处使用“刚臂”连接。在代表梁体的框架单元中两端的节点下方1.0m处各绘制一个特殊节点作为支座，与正上方梁体节点用“刚臂”连接，作为下翼缘刚臂。（3）在钢轨的左右两侧各绘制100个间隔1m特殊节点，用相同的方法连接，作为路基上钢轨。使用“单点连接单元”功能，将路基上代表钢轨的点与路基一一进行连接。根据《TB10015-2012铁路无缝线路设计规范》，轨道的垂直刚度采用非线性连接，即600kN/cm。（4）在梁体下刚臂的两处特殊节点处分别指定为桥梁的固定支座和活动支座。其中，在定义连接属性-支座时，固定支座除R3方向外其他所有方向都勾选固定，活动支座只勾选U1、U3、R1、R2方向进行固定，其他方向活动。注：U1代表垂直桥方向，U2代表平行桥方向，U3代表水平桥方向，R1代表绕1轴的旋转，R2代表绕2轴的旋转，R3代表绕3轴的旋转。（5）图2-5、2-6分别显示了在x-z视图和3-d视图下的32m简支梁梁-轨相互作用有限元模型的整体形状。图2-532m简支梁梁-轨相互作用有限元模型（x-z视图）图2-632m简支梁梁-轨相互作用有限元模型（3-d视图）1.332m简支梁桥上无缝线路纵向力分布规律1.3.1伸缩力在定义中，定义荷载模式为升温15℃，荷载工况为非线性，在32m简支梁有限元模型中选中所有梁截面，并施加升温15℃的温度荷载，再选中所有钢轨截面，对钢轨进行运行分析。分析完成后，通过“显示”功能中的表格，过滤掉重复钢轨坐标的点，选择最大值进行绘图分析，得到钢轨轴向应力图，如下图2-7所示。图2-7钢轨轴向应力图（伸缩应力）由图2-7可以看出，在15℃的温度荷载作用下，钢轨的伸缩应力的最大拉应力出现在左端固定支座的位置，最大压应力出现在右端活动支座上，如下表2-2所示。表2-2钢轨温度应力极值出现的位置及大小钢轨伸缩应力极值出现的位置拉/压应力数值(MPa)桥梁左端固定支座拉21.1桥梁右端活动支座压43.31.3.2挠曲力在定义中，定义荷载模式为挠曲，荷载工况选择非线性，在32m简支梁截面上施加Gravity方向、大小为64KN/m的均布荷载，选中所有钢轨截面，对钢轨进行挠曲力运行分析。分析完成后，会发现模型出现肉眼可见的变形，同样选择钢轨显示表格，选择输出钢轨应力，过滤掉重复坐标的钢轨编号，选择最大值进行排序，钢轨的挠曲轴向应力图如下图2-8所示。图2-8钢轨轴向应力图（挠曲应力）从图2-8可以看出，在Gravity方向的均匀载荷作用下，钢轨挠曲应力的拉应力最大值出现在简支梁桥左端的固定支座处，压应力最大值则出现在右端活动支座的位置上，如表2-3所示。表2-3钢轨挠曲应力极值出现的位置及大小钢轨挠曲应力极值出现的位置拉/压应力数值(MPa)桥梁左端固定支座拉9.0桥梁右端活动支座压4.71.3.3制动力德国[5]和UIC规范[4]中规定，制动力率的值为0.25，因此，在涉及制动力计算时，本文中该值为0.25×64=16kN/m。在定义中，定义荷载模式为制动力，荷载工况为非线性，在32m简支梁桥模型中施加水平方向、取值为16KN/m的均布荷载，施加制动力的范围是左侧路基上钢轨和整段桥梁上的钢轨，在“选择”功能中使用标签选择，增量选择钢轨编号。在水平制动力作用下，钢轨的制动应力图如下图2-9所示。图2-9钢轨轴向应力图（制动应力）由图2-9可以看出，在水平均布荷载作用下，钢轨的制动应力在路基左端不为零而右端为零，在简支梁左端固定支座处出现最大拉应力，大小为1.0MPa，而最大压应力则出现在梁右端活动支座处为8.7MPa，如下表2-4所示。表2-4钢轨制动应力极值出现的位置及大小钢轨制动应力极值出现的位置拉/压应力数值(MPa)桥梁左端固定支座拉1.0桥梁右端活动支座压8.71.4本章小结本章主要介绍了在SAP2000软件中建立32m简支梁上梁-轨相互作用的有限元模型，以及如何计算不同载荷条件下的伸缩力、挠曲力和制动力，从而得到简支梁桥上无缝线路的纵向力分布规律，主要结论有以下三点：在温度荷载、竖向方向均布荷载和水平方向均布荷载这三种荷载工况作用下，简支梁桥模型的钢轨轴向应力的最大值出现在桥上的位置相同，即极值出现在简支梁桥的两端附近，其中拉应力最大值出现在左端固定支座处附近，压应力最大值出现在右端活动支座处附近；在温度荷载、竖向均布荷载这两种荷载工况作用下，路基长度大于30m时，钢轨内部的轴