客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型和計(jì)算方法研究

李秋義

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線(xiàn)站處，武漢 430063)

1 概述

隨著鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的建設(shè)與發(fā)展,將會(huì)有越來(lái)越多的道岔設(shè)置在橋上。建立科學(xué)合理的計(jì)算模型與計(jì)算方法是研究橋上無(wú)縫道岔受力與變形的重要手段,也是指導(dǎo)無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)維修的理論基礎(chǔ)。橋上無(wú)縫道岔的計(jì)算模型和計(jì)算方法研究已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注。德國(guó)和法國(guó)分別建立了軌道-橋梁有限元計(jì)算模型,國(guó)內(nèi)也有相關(guān)研究成果相繼發(fā)表[1～5]。

本文在充分分析道岔-橋梁相互作用原理及力學(xué)傳遞機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立了橋上有砟軌道和無(wú)砟軌道“岔-梁-墩一體化”計(jì)算模型,提出了道岔與橋梁相互作用非線(xiàn)性有限元計(jì)算方法,并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序。通過(guò)與德國(guó)計(jì)算結(jié)果的比較，驗(yàn)證本計(jì)算模型的可行性和合理性。

2 道岔-橋梁相互作用原理

對(duì)于橋上無(wú)縫道岔,道岔和橋梁之間是一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)。在橋上軌道(包括道岔)與橋梁之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。道岔-橋梁相互作用原理是橋上無(wú)縫道岔縱向力和位移計(jì)算的理論基礎(chǔ)。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力、制動(dòng)力。道岔與橋梁之間的相互作用如圖1所示。

圖1 道岔與橋梁相互作用

3 計(jì)算模型和計(jì)算方法

3.1 基本假定

(1)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可自由伸縮。尖軌或可動(dòng)心軌尖端位移為其跟端位移與自由段伸縮位移之和。

(2)不考慮轍叉角大小的影響,假設(shè)導(dǎo)軌與長(zhǎng)軌條平行。

(3)鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分有限桿單元,扣件縱向阻力模擬為縱向彈簧,道床阻力以單位岔枕長(zhǎng)度的阻力計(jì),道床阻力沿岔枕長(zhǎng)度方向均勻分布。

(4)考慮轍跟限位器間隔鐵阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響,間隔鐵阻力以彈簧單元模擬。

(5)假設(shè)橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮,活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力忽略不計(jì),計(jì)算時(shí)考慮橋梁墩臺(tái)頂縱向剛度。

3.2 岔-梁-墩一體化計(jì)算模型

在橋上無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)體系中,道岔和橋梁是不可分割的兩大組成部分,鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺(tái)是一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng),必須應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想來(lái)研究道岔和橋梁的作用規(guī)律。

(1)有砟軌道

將道岔結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)作為一個(gè)總的大系統(tǒng),建立“岔-梁-墩”一體化計(jì)算模型,如圖2～圖3所示。

圖2 橋上無(wú)縫道岔模型平面

圖3 橋上有砟無(wú)縫道岔模型立面

岔-梁-墩一體化模型全面反映了鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺(tái)之間的相互作用關(guān)系。一體化模型系統(tǒng)中各種阻力按非線(xiàn)性阻力考慮,同時(shí)也可考慮常阻力和線(xiàn)性阻力；道岔可為單組或道岔群,橋梁可為簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁或其他梁型。為消除邊界影響,橋臺(tái)兩端考慮一定長(zhǎng)度的一般路基地段軌道。

(2)無(wú)砟軌道

橋上無(wú)砟軌道上鋪設(shè)無(wú)縫道岔時(shí),道岔鋪設(shè)在鋼筋混凝土道岔板上,道岔板和橋梁之間鋪設(shè)中間墊層,允許二者之間有相對(duì)滑動(dòng),通過(guò)設(shè)置縱橫向凸臺(tái)傳遞作用力,道岔和橋梁之間的相互作用與有砟軌道明顯不同。

利用有限元方法建立了“岔-梁-墩”相互作用的一體化模型,把橋上無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、軌道板、梁體組成的三層結(jié)構(gòu)體系,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過(guò)彈簧連接。力學(xué)分析模型如圖4所示。

圖4 橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔模型立面

3.3 求解方法

本文利用ANSYS軟件開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu),基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)編制了梁軌相互作用非線(xiàn)性有限元程序DCWTB,它采用APDL語(yǔ)言(命令流技術(shù))來(lái)控制程序流程,自動(dòng)完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解,極大地提高了計(jì)算精度和工作效率。圖5、圖6為ANSYS自動(dòng)建立的橋上無(wú)縫道岔有限元模型。

圖5 橋上有砟無(wú)縫道岔有限元模型

圖6 橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔有限元模型立面

3.4 計(jì)算模型和計(jì)算方法的驗(yàn)證

(1)計(jì)算參數(shù)

高架橋的總長(zhǎng)度為360 m,為雙線(xiàn)橋,混凝土箱梁布置形式3-30 m簡(jiǎn)支梁+6×30 m連續(xù)梁+3-30 m簡(jiǎn)支梁。連續(xù)梁上布置1組18號(hào)單渡線(xiàn)(線(xiàn)間距5.0 m),道岔側(cè)向過(guò)岔速度v=100 km/h。道岔與橋梁布置見(jiàn)圖7。

圖7 道岔與橋梁布置(單位：m)

橋梁溫度變化ΔT=-30 ℃

制動(dòng)力20 kN/mL×20 kN/m<6 000 kN

牽引力33.3 kN/mL×33.3 kN/m<1 000 kN

橋墩縱向水平線(xiàn)剛度：

工況一 所有橋墩都視為剛性,即不考慮橋墩的水平變形。

工況二 采用橋墩實(shí)際剛度：簡(jiǎn)支梁橋橋墩K=100 MN/m；連續(xù)梁固定墩K=5 000 MN/m。

(2)伸縮力計(jì)算結(jié)果

德國(guó)橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型見(jiàn)圖8。德國(guó)采用有限元計(jì)算模型的鋼軌應(yīng)力(橋梁溫度變化ΔT=30 ℃)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。本文根據(jù)道岔-橋梁相互作用有限元計(jì)算模型和計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖8 德國(guó)橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型

圖9 德國(guó)計(jì)算結(jié)果

圖10 本文計(jì)算結(jié)果

(3)牽引力+制動(dòng)力+撓曲力計(jì)算結(jié)果

德國(guó)根據(jù)牽引力+制動(dòng)力+撓曲力的荷載組合,計(jì)算荷載作用在x=30 m→330 m時(shí)的鋼軌應(yīng)力見(jiàn)圖11。

圖11 德國(guó)加速力+制動(dòng)力+撓曲力計(jì)算結(jié)果

本文采用與德方相同的荷載組合、計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 德國(guó)牽引力+制動(dòng)力+撓曲力計(jì)算結(jié)果

(4)結(jié)果比較

本文與德國(guó)鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大值的比較見(jiàn)表1。

表1 結(jié)果比較 MPa

從以上分布圖和計(jì)算結(jié)果的比較可見(jiàn),本文和德國(guó)分別計(jì)算的橋上無(wú)縫道岔鋼軌應(yīng)力分布規(guī)律非常一致,兩種方法的計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了本文橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型和計(jì)算方法可行性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文建立的橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型和計(jì)算計(jì)算方法具有以下特點(diǎn)。

(1)計(jì)算原理成熟。對(duì)于道岔-橋梁耦合系統(tǒng),試圖采用任何一種理論解法幾乎都是非常困難的,本文選擇采用了目前結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域最為常用、較為成熟有限元法,在研究技術(shù)路線(xiàn)大方向把握上是正確性的。德國(guó)、法國(guó)橋上無(wú)縫道岔計(jì)算無(wú)一例外都采用有限元法。

(2)計(jì)算模型完備。岔-梁-墩一體化計(jì)算模型系統(tǒng)全面地考慮了道岔與橋梁之間的相互耦合作用,真實(shí)地反映了橋上無(wú)縫道岔的實(shí)際工況和力學(xué)傳遞機(jī)理。道床縱向阻力、扣件阻力、扣件阻矩、間隔鐵阻力、限位器阻力采用非線(xiàn)性函數(shù)符合實(shí)際,提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)計(jì)算參數(shù)可信。所有計(jì)算參數(shù)均以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與試驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定,保證了無(wú)縫道岔計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確、可信,避免了設(shè)計(jì)參數(shù)取值的主觀(guān)隨意性很大。

(4)計(jì)算手段先進(jìn)、高效。充分利用ANSYS軟件在非線(xiàn)性方程求解方面強(qiáng)大功能,ANSYS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的引入極大地提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。

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