橋上縱連板式無(wú)縫道岔計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊冠嶺，陳小平，王 平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)、快速鐵路和城市交通建設(shè)與發(fā)展，有越來(lái)越多的無(wú)縫道岔鋪設(shè)在橋上，橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔成為了又一關(guān)鍵技術(shù)難題，是橋上無(wú)縫線(xiàn)路、無(wú)縫道岔、橋上縱連板式無(wú)砟軌道的綜合應(yīng)用［1］。此橋上無(wú)縫道岔軟件是利用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)得來(lái)的非線(xiàn)性有限元程序，它可以自動(dòng)完成建模、荷載的施加以及方程的求解，并且可以適應(yīng)不同跨度的橋梁，更重要的是它能夠?qū)蛏显O(shè)置車(chē)站道岔群進(jìn)行計(jì)算求解，是橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)的通用軟件，能夠?yàn)闃蛏显O(shè)置車(chē)站、渡線(xiàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為橋上道岔群的鋪設(shè)、道床板、橋梁等的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，對(duì)高速軌道的發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋上無(wú)縫道岔的計(jì)算理論

1.1 計(jì)算模型

橋上鋪設(shè)縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔存在幾個(gè)復(fù)雜的相互關(guān)系:道岔與道岔板縱向相互作用關(guān)系，道岔板與底座板縱向相互作用關(guān)系，底座板與橋梁縱向相互作用關(guān)系，橋梁與墩臺(tái)縱向相互作用關(guān)系，相鄰股道底座板縱向相互作用關(guān)系等。

軟件對(duì)于全橋底座縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔進(jìn)行受力和變形分析時(shí)，將道岔、道岔板、底座板、橋梁和墩臺(tái)看做一個(gè)有機(jī)的整體，建立岔—板—橋—墩一體化模型。模型中還考慮扣件縱向阻力，道岔板和底座板的縱向阻力，道岔板與底座板的剛度折減，底座板與滑動(dòng)層的摩擦阻力，橋梁墩臺(tái)頂縱向水平剛度等關(guān)鍵因素。

全橋底座板縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型有如下假定:

1)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮，不考慮轍叉角大小的影響;

2)鋼軌為縱向連續(xù)長(zhǎng)梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量，鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;

3)鋼軌和道岔板間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過(guò)扣件相互作用，扣件阻力與鋼軌、道床板的相對(duì)位移為非線(xiàn)性關(guān)系，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)與道床板節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)樽柚逛撥壪鄬?duì)道岔板位移方向;

4)考慮間隔鐵阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌間的位移呈非線(xiàn)性關(guān)系;

5)考慮轍跟限位器在基本軌與導(dǎo)軌間所傳遞的作用力，設(shè)道岔鋪設(shè)時(shí)限位器子母塊居中，當(dāng)子母塊貼靠時(shí)，限位器阻力與兩鋼軌間的相對(duì)位移呈非線(xiàn)性關(guān)系;

6)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可忽略不計(jì)，不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳至墩臺(tái)上，阻止橋梁縱向變形的剛度就為墩臺(tái)頂縱向水平剛度;

7)橋梁墩臺(tái)頂縱向水平剛度為線(xiàn)性，包含在支座頂面在縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)平移及橡膠支座的剪切變形等引起的支座頂面位移;

8)底座板與橋梁間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過(guò)滑動(dòng)層與剪力齒槽進(jìn)行縱向相互作用，滑動(dòng)層的摩擦阻力與二者間的相對(duì)位移為非線(xiàn)性關(guān)系，剪力齒槽縱向作用力與二者間的相對(duì)位移為線(xiàn)性關(guān)系;

9)假定瀝青砂漿對(duì)道岔板和底座板提供非線(xiàn)性阻力作用，道岔板和底座板間的非線(xiàn)性阻力隨著二者的相對(duì)位移呈非線(xiàn)性變化，非線(xiàn)性阻力的最大值依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;

10)底座板與端刺和摩擦板產(chǎn)生縱向相互作用，端刺縱向剛度為線(xiàn)性，摩擦板與底座板的摩擦阻力為非線(xiàn)性;

11)相鄰股道鋼軌、道岔板和底座板的縱向受力相互影響，一股道組合板上的縱向力通過(guò)道岔板或底座板的橫向連接和梁體傳遞，作用于另一股道上。

圖1 岔—板—橋—墩一體化模型

圖1所示的岔—板—橋—墩一體化模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺(tái)、摩擦板、端刺、底座板上縱橫向凸臺(tái)、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用［2］。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線(xiàn)性考慮，使得計(jì)算模型更接近實(shí)際。

1.2 求解方法

此系統(tǒng)采用桿單元、梁?jiǎn)卧?、線(xiàn)性彈簧單元和非線(xiàn)性彈簧單元四種類(lèi)型的單元來(lái)模擬，道岔板、底座板用彈簧梁?jiǎn)卧M，該梁?jiǎn)卧菃屋S承受拉力、壓力及力矩的單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X與Y位移方向及繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度3個(gè)自由度，對(duì)一個(gè)單元來(lái)說(shuō)有6個(gè)自由度，由于本模型只考慮單軸拉壓不考慮扭轉(zhuǎn)與剪切。

扣件縱向阻力和滑動(dòng)層摩擦阻力為非線(xiàn)性彈簧單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有1個(gè)自由度，彈簧所受拉壓力與彈簧的拉伸與壓縮量呈非線(xiàn)性關(guān)系。橋梁墩臺(tái)固定支座、剪力齒槽以及端刺為線(xiàn)性彈簧單元，每個(gè)點(diǎn)各具有一個(gè)沿單元軸向的平動(dòng)自由度，彈簧所受的拉力或壓力與其伸或壓縮量呈線(xiàn)性關(guān)系。根據(jù)上述單元離散結(jié)構(gòu)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，寫(xiě)出所有單元?jiǎng)偩仃?，再按照?duì)號(hào)入座法則由單剛集成總剛，把非節(jié)點(diǎn)力等效為節(jié)點(diǎn)力，并引入靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件，可得到系統(tǒng)的平衡方程。然后利用稀疏矩陣直接求解法，計(jì)算出在給定荷載作用下每一節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算所有部件的受力和變形［3］。

2 軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

APDL是采用 FORTRAN程序語(yǔ)法的方式進(jìn)行編程，提供一般程序語(yǔ)言功能，如參數(shù)、宏變量、變量、向量及矩陣的一般運(yùn)算。利用 APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分與控制、材料定義、荷載和邊界條件定義、分析控制和求解以及后處理結(jié)果顯示。從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程，極大地提高了分析效率。軟件運(yùn)用 APDL語(yǔ)言編寫(xiě)橋上縱連板式無(wú)縫道岔計(jì)算程序，并將程序保存為宏文件以供隨時(shí)調(diào)用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思路

利用APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)修改參數(shù)和嵌入ANSYS環(huán)境功能模塊的開(kāi)發(fā)，并將程序保存成宏文件 qszlbdc.mac便于調(diào)用。宏文件調(diào)用運(yùn)用 FORTRAN語(yǔ)言編制的qszlbdc.exe，clq.exe執(zhí)行文件，主要實(shí)現(xiàn)獲取計(jì)算參數(shù)、傳遞計(jì)算參數(shù)、輸出數(shù)據(jù)文件的功能;ANSYS獲取計(jì)算參數(shù)后進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果傳遞給qszlbdc.exe執(zhí)行文件，由qszlbdc.exe將計(jì)算結(jié)果文件輸出，并且本軟件還引入了 check.dat文件，在將輸入文件qszlbdc_in.dat中的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入或修改完成后，可以先執(zhí)行 qszlbdc.exe，然后在 check.dat文件中檢查數(shù)據(jù)輸入是否正確，以確保在輸入數(shù)據(jù)正確的基礎(chǔ)上用ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

該軟件能夠快速高效地對(duì)橋上縱連板無(wú)縫道岔群進(jìn)行計(jì)算，只需要將相應(yīng)數(shù)據(jù)在指定文件qszlbdc_in.dat中輸入或修改相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再在 ANSYS命令窗口中輸入相應(yīng)的宏文件名，之后的所有計(jì)算將會(huì)由軟件自動(dòng)完成，所有的計(jì)算結(jié)果將保存于ANSYS工作目錄里，計(jì)算結(jié)果文件有16個(gè)。這些文件的計(jì)算結(jié)果包括了鋼軌力、位移，軌道板底座板受力與位移，橋梁、固結(jié)機(jī)構(gòu)、端刺、墩臺(tái)的受力與位移，以及道岔各部分的受力與位移，并且可以對(duì)某些部件的最大力與最大位移做出統(tǒng)計(jì)。運(yùn)行jgcl.exe可執(zhí)行文件，輸入某一股道、某一鋼軌的編號(hào)、某一道岔的編號(hào)(道岔從第1股道開(kāi)始依次編號(hào))，程序?qū)⒆詣?dòng)生成該股道這一鋼軌的力和位移文件(res_ggl_nn.dat和 res_ggwy_nn.dat)，同時(shí)生成鋼軌力和位移的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，分別為res_ggl_tj.dat和 res_ggwy_tj.dat，其中 res_ggwy_tj.dat用于統(tǒng)計(jì)各組道岔尖軌和心軌尖端的最大縱向位移，以判斷轉(zhuǎn)換設(shè)備能否適應(yīng)。軟件使用流程見(jiàn)圖2。

圖2 軟件使用流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 計(jì)算資料

以某高架站右咽喉為例進(jìn)行計(jì)算，橋梁參數(shù)由設(shè)計(jì)院圖紙得知，鋼軌最大降溫取46℃，軌道板最大降溫取28℃，底座板最大降溫取58℃，橋梁最大降溫取20℃，道岔為18#道岔，考慮軌道板與底座板完全開(kāi)裂，滑動(dòng)層失效的最不利工況。軌道布置與橋梁布置見(jiàn)圖3。

3.2 部分計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖4和圖5)

3.2.1 基本軌受力與位移

由圖4可以看出鋼軌最大溫度力為1 261 kN，距左橋臺(tái)690 m處，為8#道岔前端處，經(jīng)計(jì)算基本軌動(dòng)彎應(yīng)力最大為 120.9 MPa，所以鋼軌總應(yīng)力為 283.7 MPa，小于鋼軌允許應(yīng)力363.1 MPa。

3.2.2 道岔各部件位移與受力

由表1可以看出，尖軌最大相對(duì)位移為19.809 mm，小于規(guī)定限值30 mm，心軌最大相對(duì)位移為5.046 mm，小于最大限值20 mm;經(jīng)計(jì)算限位器與間隔鐵受力均小于其螺栓抗剪強(qiáng)度，符合受力要求。

3.2.3 軌道板受力與位移(見(jiàn)圖6和圖7)

由圖6可知，軌道板最大溫度力為1 271 kN，距左橋臺(tái)597 m，位于7#、8#道岔之間，經(jīng)計(jì)算軌道板受力不超限。

3.2.4 其它部件受力

由表2和圖8、圖9所得數(shù)據(jù)，可以為設(shè)計(jì)院提供橋梁墩臺(tái)、固結(jié)機(jī)構(gòu)以及端刺的設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖3 某高架站右咽喉橋上道岔布置

圖4 基本軌溫度力

圖5 3、4股道基本軌相對(duì)下部基礎(chǔ)位移

表1 道岔各部件結(jié)果

圖6 3、4股道軌道板溫度力

圖7 3、4股道軌道板縱向位移

表2 端刺的縱向力 kN

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以有限元軟件ANSYS為計(jì)算開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供了一種高效實(shí)用的橋上縱連板式無(wú)縫道岔通用計(jì)算軟件。該軟件可以對(duì)不同形式的長(zhǎng)大橋上無(wú)縫道岔群進(jìn)行計(jì)算，使橋上無(wú)縫道岔的計(jì)算過(guò)程變得十分的快捷簡(jiǎn)單，為橋上縱連板式無(wú)縫道岔的鋪設(shè)與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，更加方便了設(shè)計(jì)者。從設(shè)計(jì)院反饋的信息表明，橋上縱連板式無(wú)縫道岔計(jì)算軟件數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確可靠，計(jì)算過(guò)程高效快捷，可大大提高橋上縱連板式無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)的效率。

圖8 橋梁固定支座受力

圖9 固結(jié)機(jī)構(gòu)受力

［1］王平，劉學(xué)毅.無(wú)縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007:240-245.

［2］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

［3］翟淼，陳小平，王平.基于有限單元法的轉(zhuǎn)轍器扳動(dòng)力計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(12):74-76.

［4］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2004.

［6］鐵道部第三設(shè)計(jì)院.道岔設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:人民鐵道出版社，1975.