基于有限元分析的無砟軌道結(jié)構(gòu)通用模型研究

肖艷杰

摘 要 目前，無砟軌道結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)中，為了確保軌道結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的安全性及實(shí)用性，有必要對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)數(shù)值。在各類工程案例中，對無砟軌道的設(shè)計(jì)要求不盡相同，本文基于有限元分析法，借助自編有限元計(jì)算軟件創(chuàng)建出鋼軌位移及軌道板彎矩檢算通用模型，實(shí)現(xiàn)僅通過調(diào)整參數(shù)可對各類工程項(xiàng)目中不同鋼軌類型、不同軌道板寬、不同軌距等形式的無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬分析。

關(guān)鍵詞 無砟軌道;有限元;軌道板;鋼軌位移

本文運(yùn)用有限元原理，基于C語言進(jìn)行有限元軟件編程，針對掌握的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建，并且對所建模型進(jìn)行加載求解，在加載下進(jìn)行力學(xué)數(shù)值分析，這對軌道板的配筋設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。

1無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板彎矩檢算通用模型的建立

本文依據(jù)彈性地基梁-板-板理論計(jì)算原理，本模型取相鄰的三塊軌道板長度的無砟軌道結(jié)構(gòu)來建立有限元模型?？紤]到計(jì)算模型的通用性，軌距、軌道板長度、底座長度等均設(shè)為可變參數(shù)[2]。

在本文中通用模型單元類型設(shè)計(jì)如下：

鋼軌為細(xì)長構(gòu)件，用梁單元來模擬;扣件及其軌下膠墊部分利用彈簧連接來進(jìn)行模擬;軌道板以及底座板均采用四節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)矩形薄板來進(jìn)行模擬;CA砂漿層利用均布彈簧單元進(jìn)行模擬。

本文無砟軌道結(jié)構(gòu)通用模型中鋼軌類型可選擇國內(nèi)鐵路設(shè)計(jì)中普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，采用命令流的形式在自編有限元軟件中繪制鋼軌斷面圖，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

通用模型使用步驟簡述如下：

選擇具體項(xiàng)目中采用的鋼軌類型并進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建，定義材料屬性，為保證模型的通用性，對軌道板、底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，每條邊按分段數(shù)劃分。

如上文所述，鋼軌、軌道板利用彈簧形式模擬扣件來進(jìn)行聯(lián)結(jié)，軌道板和底座板之間也用彈簧聯(lián)結(jié)，但兩層彈簧剛度需根據(jù)工程實(shí)際分別設(shè)置，底座板與地基固定聯(lián)結(jié)。

為保障通用模型的準(zhǔn)確性，須對此模型進(jìn)行一定的約束設(shè)置：首先應(yīng)該對軌道板進(jìn)行縱向位移的約束;其次還應(yīng)對底座板進(jìn)行全約束;最后對鋼軌進(jìn)行約束，本模型采用置大數(shù)法（×10E10）模擬約束，鋼軌在X軸和Y軸方向上的位移是零，并且其不能圍繞Y軸作旋轉(zhuǎn);對CA砂漿下部采用刪行刪列法模擬約束[3]。

本模型可以通過改變模型參數(shù)，選擇軌道板長度范圍內(nèi)任意對輪對進(jìn)行加載，荷載大小可調(diào);加載完成后此計(jì)算程序可分別求解得出該研究結(jié)構(gòu)的結(jié)果圖，其中包括軌道板的變形圖、底座板變的形圖、應(yīng)力云圖、軌道底板底座板的縱橫向彎矩圖等。

2通用模型在無砟軌道結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1 選用無砟軌道參數(shù)

鋼軌彈性模量2.1×1011 Pa，泊松比0.3，高度0.176m;軌道板彈性模量3.65×1010 Pa，泊松比0.2，厚度0.19m;底座板彈性模量3.4×1010 Pa，泊松比0.2，厚度0.3m;扣件彈性模量2.1×1011 Pa，泊松比0.3。

2.2 鋼軌位移及軌道板彎矩計(jì)算結(jié)果

依據(jù)已掌握的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建，依據(jù)已知結(jié)構(gòu)特性、材料參數(shù)進(jìn)行單元定義，結(jié)構(gòu)層間的聯(lián)結(jié)在建立好之后，進(jìn)行加載求解。軌道板計(jì)算結(jié)果如下圖所示：

軌道最大位移2.315mm，軌道板橫向最大彎矩10548.99N·m/m，軌道板縱向最大彎矩38621.54 N·m/m。

3結(jié)束語

本文基于無砟軌道力學(xué)理論模型建立有限元無砟軌道通用模型，本模型適用于不同軌距、鋼軌類型、軌道板寬度等無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，其計(jì)算結(jié)構(gòu)精確可靠，高效簡便，適用性較廣，可廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目中軌道板的制作及其預(yù)應(yīng)力配筋工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京：中國鐵道出版社，2006： 109.

[2] 王其昌，韓啟孟.板式軌道設(shè)計(jì)及施工[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2002：27.

[3] 陳希成.板高速鐵路板式軌道力學(xué)分析[D].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.