温度荷载作用下双块式无砟轨道道床板有限元分析 - 图文(4)

武汉理工大学硕上学位论文２．２双块式无砟轨道结构计算理论目前对于双块式无砟轨道的计算方法主要有两种。一种是按弹性地基梁模型进行计算；另一种是有限元法，通过数字建模或者软件编程等数值计算的方法对结构进行有限元分析。作为较早研究和应用无砟轨道技术的国家，日本和德国都有一系列符合本国国情的无砟轨道计算理论。德国主要采用当量弹性地基梁法，基本要求是下部基础的弹性模量比上部小，该模型比较适用于分析土路基上无砟轨道结构受力变形；而日本采用的有限元法则比较适用于计算钢轨和道床板的受力变形。经过实践论者，这两种计算理论均能够满足无砟轨道的设计要求【１２１。我国无砟轨道的设计方法在也不断发展和完善之中，继隧道内刚性支承块式整体道床、桥上无砟无枕梁之后，又相继发展和完善了弹性支承块式、板式、长枕埋入式、双块式和纵连板式无砟轨道等多种无砟轨道结构型式【１２】。在设计上，我国单元式无砟轨道主要考虑列车荷载的作用，基于容许应力法进行结构强度设计，并依据工程经验或最小配筋率对整体道床等结构加强配筋。对于列车荷载弯矩的计算，我国基本上都是采用弹性地基叠合梁理论【嘲。实践表明：该理论能够解决基础情况比较简单的无砟轨道结构设计，完成诸如强度验算及配筋计算等设计内容，但是对比较关键的传力部件及支承块缺乏系统的设计方法，对于各部件间的界面处理缺乏分析手段。弹性地基梁的分析理论㈣，其工程应用研究已有一百多年的历史。国内外有关研究成果很多，提出了不少理论和假定，但具有工程实用意义的假定主要有三种，即：反力直线分布假定、基床系数假定以及半无限弹性体假定。地基梁按自身刚度的不同，可分为刚性地基梁和弹性地基梁两种。刚性地基梁承受荷载后，地基梁本身不发生挠曲，或是挠曲很小，可以忽略不计，故地基梁底面在受到荷载后仍为一个平面；在中心荷载作用下，地基梁底面各点的沉降都是一致的；在偏心荷载作用下，地基梁底面各点的沉降则按直线规律变化。弹性地基梁则不然，承受荷载后，地基梁本身发生挠曲，因而地基梁底面各点的沉降都不同。当上部荷载通过地基梁传给地基，地基梁底面就受到地基反力的作用。地基反力的总和同上部荷载大小相等，方向相反，两者的合力互相重合在一条直线上。地基反力的分布与地基的物理力学性能、地基梁底面的形状、地基梁刚度和荷载情况都有关系，精确地描述地基反力的分布是相当困难的，因此，必须对地基梁底面反力的分布或反力与沉降的关系作出模拟假１０武汉理工人学硕上学位论文定，以简化计算。地基反力确定了，则地基梁的内力就不难求得，所以，从某种意义上讲，弹性地基梁的计算问题，就是确定地基反力的分布问题。当前，求算地基反力的模拟假定主要有三种：即前述的反力直线分布假定、基床系数假定以及半无限弹性体假赳嘲。在弹性地基梁或板的计算中，由于连续支承的特点，必须着重分析地基反力的分布规律。因此在计算中，常认为地基梁或板受荷载以后，它和地基共同产生变形，梁或板的底面与地基始终保持接触，不产生任何脱离或错开的现象。但又由于地基梁或板不同于刚性支承的梁或板，无法用梁或板的平衡方程来求解地基反力的分布规律，必须再建立一个附加方程，将梁的挠度与地基反力联系起来，以便求解地基梁挠曲微分方程中所包含的挠度和地基反力两个未知量。所以在工程计算中，常将各种各样的天然地基简化抽象，以某种具有实际地基主要性质的理想化地基作为计算对象。这种理想化地基通常称为地基模型。弹性地基模型分为：文克尔模型、弹性半空间体地基模型、双垫层系数地基模型【１５１。２．３Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道设计原理２．３．１概述Ｒｈｅｄａ２０００无砟轨道系统由钢轨、高弹性扣件、改进的带有桁架钢筋的双块式轨枕、现浇混凝土板和下部支撑体系（水硬性混凝土支承层或底座）组成。Ｒｈｅｄａ２０００相对于原系统在以下方面进行了一些关键性改进：第一，应用了特别改装的带钢筋桁架的双块式轨枕。第二，将密封混凝土与钢筋槽板集成到一个整体混凝土承载层。采用非预应力钢筋的轨枕与周围的混凝土道床构成一种整体式结构【１８】。２．３．２Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道设计原理武广客运专线采用无砟轨道系统，该系统采用双块式钢筋混凝土轨枕，并将轨枕埋入道床板混凝土中。该ｇｈｅｄａ２０００５叹块式无砟轨道系统是通过工程实践与成功运营检验的系统。雷达系统在雷达（Ｒｈｅｄａ）车站成功运营Ｙ３０多年，Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道是在此基础上开发出来的最新系统。武汉理工大学硕士学位论文２．３．２．１Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道的组成部分（１）钢轨在所有轨道组成部分和所有轨道系统组件中，钢轨承受最大的荷载。钢轨必须承受列车的非阻尼力，该力通过车轮与钢轨之间的接触面积非常小的列车轮缘踏面传递的。可以根据个别的项目要求提供不同外形尺寸和不同钢号的钢轨。（２）轨道扣件在性能方面，无砟轨道扣件系统远远优于传统扣件系统。这些扣件是最适合无砟轨道系统，相当有弹性的组成部件。如果轨道扣件没有弹性，将明显削弱荷载分布，而这将导致超负荷，同时，轨道系统中的每个单部件都会产生缓慢而持续的变形与功能退化。（３）支座和轨枕例如，轨道扣件附近的动载，明显大于道床板中心处的荷载。为了保证无砟轨道扣件能可靠固定到道床板混凝土中，需要采用质量高的混凝土块状扣件，即轨枕。早期采用笨重的预应力混凝土单块轨枕，与有砟轨道的轨枕类似，将其埋入道床板中，这些轨枕的数量已经减少，并将其优化设计为带钢筋桁架的双块式轨枕。（４）道岔道岔是单独开发与设计的内容。与其他组件相比，道岔组成的复杂程序和单独的组成部分的数量要高的多。在世界范围内，只有极少的供应商能够提供既满足无砟轨道要求、又满足高速轨道要求的道岔。尤其是轨道系统的弹性均衡，且只能由轨道扣件来实现弹性均衡，这是一项非常具有挑战性，切相当敏感的设计任务。２３．２．２Ｒｈｅｄａ２０００中国无砟轨道系统的设计原理Ｒｈｅｄａ２０００中国系统是一种自上而下的荷载分布系统（从钢轨到轨枕，再到Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道，直至下部结构），将列车荷载自上而下地逐层分布到该系统的每一层上。（１）由于车轮与钢轨在界面上有接触应力，因此，钢轨是系统组成部分中要求最高的部件。通过相邻承轨台上方的弹性钢轨衬垫，钢轨与车轮的接触应力便大大降低。１２武汉理工大学硕士学位论文（２）承轨台和扣件必须保证这种弹性，而且，要求不出现裂缝的高质量混凝土，以承受混凝土块中的应力，保证将钢轨扣紧。只有预制的高质量混凝土块，即轨枕，才能达到如此要求。（３）无砟轨道应视为安装在下部结构顶部的柔性链，该柔性链将集中于车轮上的荷载分布到下部结构上。而且仅仅是将列车的荷载，从钢轨传递与分布到下部结构的一个结构部件，而不是下部土工结构的一个结构部件。无砟轨道的钢筋位于道床板的中心，主要作用是控制裂缝宽度，并保持Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道结构本身的整体性。（４）无砟轨道的设计目的不在于对下部结构的性能产生影响，而仅要求与下部结构的性能相协调。（５）关于Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道的要求，限于确保Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道板本身的整体性，并不需要维护保养。本系统及其设计原理具有以下特征：Ｒｈｅｄａ２０００双块式无砟轨道是由预制轨枕组成。该预制轨枕在下部结构上的钢轨进行预拼装，在铺设附加钢筋并调整钢轨水平后，再现浇混凝土将轨枕埋入轨道。２．４Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道的主要特点Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道结构分３层，由下至上分别为混凝土垫层、双块轨枕埋入层（亦称混凝土灌筑层）和钢轨。轨道下部支承结构物为路基、桥梁、隧道仰拱。从界面的观点来看，有三个界面：第一界面，垫层与下部支承结构物；第二界面，混凝土灌筑层与垫层；第三界面，钢轨与轨枕，用扣件相联结。（１）混凝土承载层采用统一形式和低结构高度，这意味着可以优化线路布局的规划，使组装与施工更为便捷。（２）Ｒｈｅｄａ２０００型双块式无砟轨道的设计以改进的双块式轨枕为特点，轨枕的高度降低，轨枕整体配装有突出的钢筋桁架。这些特点可保证如下性能：◆通过完整的横断面效果，优化轨道的整体质量；夺混凝土承载层采用统一形式，安装高度仅为２４０ｍｍ：◆轨道扣件与道床紧固以及轨道调整的高度机械化；◆施工模式简单、可以预组装轨道区段，从而优化施工时间：１３武汉理工人学硕士学位论文◆对土质路基、桥梁、高架桥、隧道、道岔区段及防振质量弹簧系统采用统一的模块化系统；◆符合用于高速、高性能铁路系统的无砟轨道系统的设计原则；◆表面平滑，便于救援作业和紧急逃离列车。（３）将工业上的精确预制混凝土部件与施工现场混凝土的安装结合起来，可确保良好的轨道质量，并优化系统供应商与承建公司之间的联合作业。（４）Ｒｈｅｄａ２０００的主要优势如下：◆轨枕的使用，确保了轨枕与轨道的几何精确度；◆轨道安装中无需使用扣件调整量；◆轨道不会出现周期性的波动；◆对单个部件无特殊的偏差要求；◆轨槽的取消消除了混凝土承载层中的纵向接缝；◆为满足特定需求而定制的混凝土技术，确保了优良的混凝土特性；◆每日高效率的轨道铺设；◆减少了轨道中混凝土承载层所需的钢筋数量。１４