温度荷载作用下双块式无砟轨道道床板有限元分析 - 图文(8)

武汉理工人学硕士学位论文第５章温度荷载作用下双块式无砟轨道道床板有限元分析随着铁路运输不断向高速，重载，大运量和高密度方向发展，轨道结构的负担越来越重，因此有必要进行轨道结构力学分析。然而，受数学方法和计算工具的限制，以往轨道强度计算所采用的力学模型与实际轨道尚有比较大的差异，难以满足现代工程要求，取而代之的数值分析方法得到广泛应用。随着科学技术的迅猛发展，有限元分析法已越来越成熟，并被人们广泛应用于各种工程领域，因而应该能够方便地计算铁路轨道结构各部件的所有强度问题。本文应用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ计算在轨道荷载以及随季节变化的温度荷载作用下无砟轨道的系统变形、应力响应和位移响应。５．１有限元模型简介‘２３１５．１．１单元类型选择根据无砟轨道的受力特点，本文在模拟分析中采用大型商业通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ４５单元，ＳｏＬＩＤ６５单元，ＣｏＭＢＩＮＥ３９单元和ＢＥＡＭｌ单元来模拟无砟轨道的整体结构，单元基本特点及应用详述如下【２４】：（１）ＳＯＬｏＤ４５单元ＳＯＬＩＤ４５单元用于构造三维实体结构。单元通过８个节点来定义，每个节点有沿着ｘ、Ｙ、ｚ三个方向的平移自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。本文将ＳＯＬＩＤ４５单元用于桥面保护层，中间层及轨枕的模拟。８８（２）ＳＯＬＩＤ６５单元ＳＯＬＩＤ６５单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。该单元具有八个节点，每个节点武汉理工大学硕士学位论文有三个自由度，即Ｘ，ｙ，ｚ三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。本单元与ＳＯＬＩＤ４５单元（三维结构实体单元）的相似，只是增加了描述开裂与压碎的性能。本单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能。本文将ＳＯＬＩＤ６５单元用于道床板的模拟。（３）ＣＯＭＢＩＮＥ３９单元ＣＯＭＢＩＮ３９是一个具有非线性功能的单向单元，可对此单元输入广义的力．变形曲线。该单元可用于任何分析之中。在一维、二维和二维的应用中，本单元都有轴向或扭转功能。轴向选项（１０ｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）代表轴向拉压单元，每个节点具有３个自由度；沿节点坐标系Ｘ’ＹＺ的平动，不考虑弯曲和扭转。扭转选项（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ）代表纯扭单元，每个节点具有３个自由度：绕节点坐标轴Ｘ’ＹＺ的转动，不考虑弯曲和轴向荷载。此单元仅当每个节点有两个或者二个自由度的时候，才可以具有大位移的功能。本文将ＣＯＭＢｌＮＥ３９单元用于钢轨扣件的模拟。（４）ＢＥＡＭｌ８８单元ＢＥＡＭｌ８８是三维线性（２节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于ＫＥＹＯＰＴ（１）的值。当ＫＥＹＯＰＴ（１）＝０（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的平动和绕ｘ、Ｙ、Ｚ轴的转动。当ＫＥＹＯＰＴ（１）＝ｌ时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。在材料模型上，该单元支持弹性、蠕变及塑性模型（不考虑横截面子模型），并且这种单元的截面可以是不同材料组成的截面。ＢＥＡＭｌ８８单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛柯梁理论，并考虑了剪切变形的影响，非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。依照ＢＥＡＭｌ８８单元的特点，本文将其用于钢轨的模拟。５．１．２模型处理根据上述单元的基本特征和使用范围，在实际分析中，无砟轨道结构模型的几何尺寸按照武广铁路客运专线的设计方案给定。模型由尺寸为６．４ｘ２．８ｘＯ。３７ｍ３的混凝土道床单元板构成。该板是在给指定桥梁上使用的标准板。虽然在例外情况下有一根长７．１０ｍ的附加轨枕会使得应力轻微增大，但该应力增加是可以忽略的，研究表明该差异至少对施工没有决定性影响。３ｌ武汉理ｔ大学坝Ｌ学位论￡整个模型结构（见图５１）表示桥梁上带桥面保护层的一段无砟轨道。模型包括硬质的均匀支撑的桥面保护层（图５２），中间层（土工布，图５３），道床板（围５４），表示轨枕荷载分布功能的钢板（图５．４）和弹性埋入钢轨（图５５）。桥台、中问层和轨枕用ＳＯＬＩＤ４５单元模拟，道床板用ＳＯＬＩＤ６５单元模拟，钢轨用ＢＥＡＭｌ８８单元模拟，扣件用ＣＯＭＢＩＮＥ３９单元模拟，整个有限元模型共有ＳＯＬＩＤ４５单元８８８８个，ＳＯＬＩＤ６５单元８２８０个，ＢＥＡＭｌ８８单元１６０个，ＣＯＭＢＩＮＥ３９单元６０个。图５１整体结构有限兀模型（１）桥台模型◆图５．２桥台模型武议埋Ｉ＾学碗ｌ学他论Ｚ整个模型中，桥台部分考虑为刚度无限大的结构．柬模拟硬质的均匀支撑的桥面保护层，桥台Ｌ的抗剪凸台是桥面保护层的一部分，在水平方向上连接混凝土道床板和桥面保护层。每个雷达板单元有３个抗剪凸台。在面向轨道方向的抗剪凸台侧面选择性地使用橡胶垫板，中问的凸台同样使用均质材料，而边上的凸台使用软质材料，通过中间的抗剪凸台传递所有的纵向荷载。由于温度，收缩或由运输荷载或预应力桥梁体松弛避成的双层板效应的桥梁弯曲，雷达板层和下面结构问的不均匀约束变形不会对抗剪凸台产生力。采用一种硬质避扳材料将横向的侧断全部覆盖，整个表面都传递横向力。采用中间层将混凝上道床板与桥面保护层分隔。该分隔层可以防ｌ｝混凝十道床板和桥面保护层之叫的粘结，容许混凝十道床板和桥而保护层之间产生相对水平位移，因此混凝土道床扳不受约束变形和桥梁挠度的影响ｆ结合三个抗翦凸台）。（２）中刚层模型抗剪凸台侧血的挚扳材料ｒ中ｆｌｆｌ屡，）州Ｉ到５３ｂ巾问层模’鸭（ａ为硬质颦板材料；ｂ为软赝蚺扳材料）武汉理Ｔ火学顿｝学位论女桥面保护层和混凝土支捧层问的中『口Ｊ层是一个ｆ或者是相当于）４ｍｍ的土工布。它保证对混凝土道床板的均匀支撑，且可以轻微地降低噪音，如果出现脱轨（如在施工过程中）而造成损害，允许更换混凝土道床板。（３）道床板和轨枕模型混凝土道床板由钢筋混凝土单元板组成，桥梁上钢筋混凝土单元板长度为６４ｍ，浇筑在中间层上．埋入式双块式轨枕。通过中间层将道床板与桥面保护层分隔，每个混凝土道床板单元采用３个抗剪凸台将混凝土道床板水平固定。中问层竖向支撑混凝土道床板，不产生拉力。在抗剪凸台处与下面的桥面保护层之间由相互作用的水平集中力。本文中用钢板代替了使无砟轨道荷载下降的混凝土轨枕，钢板与道床板之间无缝连接。这种模拟可以避免在较大范围内荷载传播引起的混凝土中的应力集中。图５．４道床板和轨枕模型（４）钢轨和扣件模型在本文的研究中，为了简化计算，钢轨的横截面积采用工字钢截面简化，其简化原则如下：ａ保证工字钢截面与钢轨截面的高度和重心位置一样：ｂ保证截面面积一样；ｃ对水平轴线和垂直轴线的惯性力矩一样。以上这些简化是为了保证钢轨在荷载作用下所产生的位移响应和应力响应一样的原则进行的。钢轨与钢板之间采用弹性连接。根据轨道扣件系统的规范，横向和水平的弹簧特性被定义为尽可能真实的重塑模型，如图５．６所示，这些弹簧应用于每一个钢板。