无砟轨道的受力分析(投稿版).doc

无砟轨道受力分析结题报告
导师：赵华菁
成员：柳舒扬 谈彬 郑华宇 周松 张楠
苏州大学 城市轨道交通学院 09建筑环境与设备工程

摘要：在高速发展的当今，轨道交通已是主流交通工具，特别是城市轨道交通，而轨道交通现在基本都采用无砟轨道的技术进行施工，它相比于有砟轨道的确有它的优势，但也不可避免的有他的劣势。在对于它的认识和研究中，最重要的是要搞清楚里面的机构设计，以及承重计算。同时在对简单的无砟轨道受力分析时，采用不同的软件用不同的建模方式来模拟承重，并与手算相结合。用计算的方法论证无砟轨道的受力。
Summary：nowadays，with the rapid development, rail transportation has been the important transport in the transports system, especially in urban rail transit, and rail transport now have adopted the basic non-Track technology for construction, compared to ballasted track it does have its advantages, but it also inevitably has its weakness. After learning and searching, the most important thing we need to figure out is how the organization designed, and how to calculate the loan on non-Track rail. While in the stress analysis of a simple non-ballasted track, the use of different software with different modeling methods to simulate the load-bearing, and combined with hand calculation. Use software and Hand-counted methods to research the Ballastless force.
关键词：无砟轨道 有限元 数据计算 结构分析
Keywords: Ballastless track finite element Numerical calculation Structural analysis

无砟轨道是以混凝土或沥青砂浆取代散粒碎石道碴道床而组成的轨道结构型式，它具有轨道稳定性高，刚度均匀性 好，结构耐久性强和维修工作量显著减少等特点，对于高速铁路较传统的有砟轨道有更好的适应性。我国首条无砟铁路轨道已于2007年1月10日晚完成综合试验。2009年12月26日武广铁路投入运行，该线的无砟轨道会采用从德国睿铁公司（RAIL.ONE）引进的RHEDA 2000双块式无砟轨道技术。 目前在建的京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁均采用了CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式无砟轨道技术。
本项目研究无砟轨道的受力分析，主要是研究荷载的作用位置及分布，同时要考虑地基沉降因素。意在指出各类不同轨道板宽度时无砟轨道结构主要的承重点和相对应的扣件刚度。
混凝土无砟轨道为刚性承载层，当达到承载强度极限时将产生断裂，并引起轨道几何尺寸的突然变化和难以预见的恶化。并且路基沉降问题影响较大。而我国正在大力建设高铁，许多城市也在建设轻轨、地铁，这些都涉及无砟轨道受力的安全分析。
实地考察时收集的板式无砟轨道断面结构（但在施工中已采取整体道床）：

计算模型:横向预应力轨枕根据轨枕计算图示确定的三种轨枕支承状态（活载考虑中间不支承、中间部分支承、中间全支承）计算。
支承状态1
支承状态2
支承状态3

手算数据：

项目
轨道支反力为均布力
轨道支反力为非均布力
轨道支反力为中间为两边的一半
均布力大小((kN.)
150
150
150
应力(kPa)
76或112.5
73.6
19或94.2或73.6
最大应力(kPa)
112.5
73.6
94.2
综上
最大应力112.5kPa

机算数据：
1.结构力学求解器计算数据
软件为具有桥梁结构特色的平面杆系结构静力、动力分析有限元软件，能计算变截面杆（梁）在各种静力、动力荷载（包括移动荷载和位移激励）下的结构响应，并给出直观的图形显示，还可计算结构任意截面的内力、位移影响线，并可实现各种标准荷载（包括用户自定义车列）的自动布载和内力(位移)包络图绘制。
1) 中间不支承的应力和弯矩图

分别为中间不受支承的模型、该模型的剪力分布图及弯矩图。最大弯矩在轨道与轨道板切合处取得。

2) 中间部分支承的应力和弯矩图

对应的弯矩图和剪力分布图。最大弯矩也在轨道与轨道板切合处取得。

3）中间全支承的应力和弯矩图

全受均布力情形下的模型、剪力分布图及弯矩图。最大弯矩在轨道板中间。
结构力学求解器数据汇总：

项目
轨道支反力为均布力
轨道支反力为非均布力
轨道支反力为中间为两边的一半
两轨压力大小((kN.)
150
150
150
最大弯矩(kN.m/m)
23.44
18.75
18.75
应力(kPa)
75或112.5
75
93.75或75或18.75
最大应力(kPa)
112.5
75
93.75
综上
最大应力112.5kPa

2.ANSYS软件计算数据
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
模型包括轨道板（C55，20mm*2550mm*6500mm）、混凝土支承层（C30,30mm*3250mm*6500mm）等部分，分别采用采用实体单元（Solid45）模拟。为消除边界效应，模型选取三块轨道板进行计算并以中间单元板作为研究对象，取竖向荷载150kN的情况作分析。
模型截图：

数据一览：
项目
轨道板纵向正弯矩
(kN.m/m)
轨道板纵向负弯矩
(kN.m/m)
轨道板横向正弯矩
(kN.m/m)
轨道板横向负弯矩
(kN.m/m)

18.176
5.582
20.785
2.102

由3种计算方法取得的数据均表明轨道板在正常载荷的作用下将受到最多112.5kPa的应力，横向弯矩比纵向大，为20.785kN.m/m及-2.102kN.m/m。也就是说道床必须能够承载112.5kPa的应力和20.785kN.m/m的弯矩，这在轻轨或高铁施工的时候是必须达到的规范之一。
我国无砟轨道的建设还是处于起步阶段，在模仿其他国家既有的成果时，需要考虑到对应我国地质情况下的风解，地基沉降等多种因素。而混凝土道床的理论承受值，在面对未知的自然因素影响下，更要取得多一份的稳固，才能确保在使用年限内行车的安全。所以实际施工时的应力指标应该是大于112.5kPa的，这一点需要建设轻轨中的施工方广泛的注意。如若不能达标，将留下安全隐患，会导致混凝土道床的突然崩解，使行车安全受到极大威胁。

5.3参考文献：
【1】 刘涛、杨凤鹏 《精通ANSYS》 清华大学出版社
【2】 刘学毅、赵坪锐、杨荣山、王平 《客运专线无砟轨道设计理论与方法》 西南交通大学出版社
【3】 练松良 《轨道工程》
【4】 朱颖 《客运专线无砟轨道铁路工程测量技术》
【5】 孙章、何宗华、徐金祥 《城市轨道交通概论》

文献：
【6】管吉波 、刘玉祥 《Ⅱ型轨道板结构设计》 铁道第三勘察设计院集团有限公司线站处，天津， 300142

【7】徐庆元 、张旭久 《高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道纵向力学特性》 中南大学土木建筑学院，湖南长沙 铁道第三勘察设计院，天津，300142

【8】黄正华 《客运专线桥梁挠曲变形对CRTSⅠ型板式无砟轨道结构受力影响分析》 中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063

【9】罗震 蔡成标 姚力 《路基参数对无砟轨道结构受力影响有限元分析木》
西南交通大学牵引动力国家重点实验室 中铁二院工程集团有限责任公司

【10】刘玉祥 闫红亮 管吉波《平板和框架板无砟轨道结构力学分析》 铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142

【11】杨艳丽　陈秀方《我国客运专线无砟轨道设计荷载取值探讨》 中南大学土木建筑学院　长沙　410075

附图：（实地考察苏州轻轨乐桥站）

无砟轨道

已完工的行车通道

轻轨行车甬道

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