有砟軌道基礎橋上無縫線路計算軟件開發及應用

2010-05-04 08:41:14魏賢奎陳小平

鐵道建筑 2010年8期

魏賢奎，陳小平，王平

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

隨著跨區間無縫線路的鋪設，將會對既有線換鋪無縫線路和新建高標準無縫線路，這都將帶來大量的軌道結構和橋梁結構的強度和穩定性的檢算。以往國內對于橋上無縫線路采用自編算法建立計算模型進行計算，但計算速度慢，效率低，一般的橋要計算十幾個小時，甚至幾天，已經不能滿足大量設計的要求。而采用基于有限元分析方法編制的橋上無縫線路通用計算軟件進行求解只要幾分鐘，大大提高了計算速度，加快了設計工作效率。

1 橋上無縫線路計算原理

1.1 計算模型

采用有限元分析的方法，以軌枕支撐點劃分鋼軌與橋梁單元，將節點位移及節點縱向力視為變量。計算模型假定:

1)一股道的兩股鋼軌視為一根鋼軌，鋼軌視為縱向支承于彈性地基上的有限長梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量。

2)鋼軌和橋梁產生縱向相對位移，二者通過線路縱向阻力相互作用，線路縱向阻力大小與二者間的相對位移為非線性關系，一般為扣件阻力和道床阻力中的較小值。

3)鋼軌節點兩端縱向力與線路縱向阻力相平衡，鋼軌兩相鄰節點位移差與該鋼軌單元釋放的縱向力成正比。

4)橋梁參數輸入采用簡化算法，普通簡支梁直接輸入截面計算參數，對于連續梁，邊跨輸入跨中截面計算參數，非邊跨輸入1/4跨截面計算參數。

5)考慮橋梁墩臺固定支座剛度對橋梁和軌道大系統縱向力的影響，墩臺縱向剛度為線性剛度。

6)多股道鋼軌縱向受力相互影響，一股道鋼軌縱向力通過梁體傳遞，作用于其他股道上。

1.2 模型示意圖

以大型有限元軟件ANSYS為計算平臺，利用其自有的參數化設計語言進行二次開發，編制有砟軌道基礎橋上無縫線路計算軟件(以下簡稱BCWR軟件)，實現了各種橋跨布置情況下橋上無縫線路伸縮附加力、撓曲力、制動附加力、斷軌力及梁軌相對位移計算分析。以雙線中間1跨連續梁兩邊各1跨簡支梁為例，輸入控制參數后，建立線、橋及墩一體化計算模型如圖1所示。

1.3 模型求解方法

計算模型建立后，就可用有限元軟件ANSYS計算求解。有限元法是把一個系統簡化為由單元、節點互相連接組成一個單元集合體以代替原來的系統，在節點處用等效節點力代替實際作用在單元上的外力，然后對每個單元進行分析，用位移函數來描述其位移分量分布規律，按照彈性理論中虛功原理建立單元節點力和位移之間關系，最后用最小勢能平衡原理建立一組以節點位移為未知函數的方程，解方程即可求出各個節點位移，再由幾何方程或者物理方程求出各單元應變和應力。

2 BCWR軟件開發過程

2.1 ANSYS參數化設計語言

ANSYS參數化設計語言(以下簡稱APDL)是一門可用來自動完成有限元常規分析操作或通過參數化變量方式建立分析模型的腳本語言。APDL由類似FORTRAN77的程序設計語言部分和1 000多條ANSYS命令組成。APDL是采用FORTRAN程序語法的方式進行編程，提供一般程序語言功能，如參數、宏、變量、向量及矩陣的一般運算。利用APDL與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實現參數化建模、網格劃分與控制、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果顯示。從而實現參數化有限元分析的全過程，極大地提高了分析效率。BCWR軟件運用APDL編寫計算程序，并將程序保存為宏文件以供隨時調用。

圖1 線橋墩空間一體化計算模型

2.2 BCWR軟件設計思路

BCWR軟件開發時，利用APDL實現修改參數和嵌入ANSYS環境功能模塊的開發，并將程序保存成宏文件bcwr.mac便于調用。運行用FORTRAN語言編制的可執行文件bcwr.exe調用宏文件，實現獲取計算參數、傳遞計算參數、輸出數據文件的功能。ANSYS獲取計算參數后進行建模、網格劃分、計算，最后將計算結果傳遞給bcwr.exe可執行文件，由bcwr.exe將計算結果文件輸出。

2.3 BCWR軟件功能

BCWR軟件主要用于既有線橋上換鋪無縫線路和新線橋上無縫線路的設計檢算，計算時分別按照《鐵路無縫線路設計規范(送審稿)》(以下簡稱《送審稿》)和《跨區間無縫線路設計暫行規定》(以下簡稱《暫規》)中的設計計算方法進行計算。

在考慮橋上無縫線路溫度、撓曲、制動及斷軌等影響因素和鋼軌伸縮調節器及小阻力扣件的設置情況基礎上，BCWR軟件可以計算橋上無縫線路長軌條縱向溫度力、附加力(伸縮附加力和撓曲附加力)、制(啟)動力;可以計算橋上無縫線路梁軌相互作用下長軌條縱向位移、斷軌力及斷縫值;可以計算橋上無縫線路梁上翼緣縱向位移、梁軌縱向相對位移;可以計算橋上無縫線路梁軌相互作用下墩臺縱向力。

BCWR軟件還帶有TS_x.exe可執行文件，可以對無縫線路鎖定軌溫設計及軌道部件強度檢算。對線路檢算時，只需在指定數據輸入文件ts.in中輸入相關參數，再運行TS_x.exe可執行文件，可得到數據文件ts.dat，查看ts.dat文件即可知線路檢算結果。

2.4 BCWR軟件使用流程

BCWR軟件使用簡單方便，速度快、精度高。使用時只需在指定的數據文件中輸入相關參數，在ANSYS軟件命令輸入窗口輸入相應的宏文件名，其后所有的計算由軟件自動完成，所有的計算結果都將保存在ANSYS的工作目錄里。計算結果由四部分組成:固定支座墩臺縱向力“PD.DAT”文件、橋梁上翼緣縱向位移“BRU.DAT”文件、長軌條縱向位移“RU.DAT”文件及長軌條縱向力“PR.DAT”文件。軟件使用流程如圖2所示。

3 檢算算例

以某新線上橋跨布置為(50+88+88+50)m連續梁+1×24 m簡支梁橋上無縫線路設計為例進行計算。全橋共5跨4墩2臺，橋梁參數由設計院提供圖紙得知，橋上鋪設Ⅲ型混凝土橋枕，最高軌溫取64℃，最低軌溫取－2.5℃，設計鎖定軌溫暫取34℃。則最大溫升35℃，最大溫降41.5℃。設計橋梁簡圖如圖3所示。

3.1 方案比較

3.1.1 方案一:全橋鋪設常阻力扣件，不設伸縮調節器

最大伸縮附加力發生在連續梁右端，其值為744.06 kN(《送審稿》)和505.31 kN(《暫規》)，即應力分別為 96.07 MPa(《送審稿》)和 62.24 MPa(《暫規》)。

圖2 BCWR軟件使用流程

圖3 橋梁簡圖

最大撓曲附加壓力發生在連續梁左端第二跨跨中附近，其值為165.02 kN(《暫規》)和117.36 kN(《送審稿》)，即壓應力分別為 21.31 MPa(《暫規》)和15.15 MPa(《送審稿》);最大撓曲附加拉力發生在連續梁第二跨右端橋墩處，其值為163.34 kN(《暫規》)和114.01 kN(《送審稿》)，即拉應力分別為21.09 MPa(《暫規》)和14.72 MPa(《送審稿》)。鋼軌伸縮附加力和撓曲附加力計算結果如圖4、圖5所示。鋼軌強度檢算見表1，穩定性檢算見表2。

由表1可知，鋼軌強度已經滿足要求。而在表2中，在按《送審稿》檢算時，實際最大溫升幅度與允許溫升幅度非常接近，安全儲備不足，如果實際橋臺剛度比計算用橋臺剛度大，則橋梁很容易喪失穩定性，且設計橋溫度跨度很大，故不宜采用全橋鋪設常阻力扣件方案，需改進方案。

3.1.2 方案二:全橋鋪設小阻力扣件，不設伸縮調節器

最大伸縮附加力發生在連續梁右端，其值為553.98 kN(《送審稿》)和394.15 kN(《暫規》)，即應力分別為71.52 MPa(《送審稿》)和50.89 MPa(《暫規》)。最大撓曲附加壓力發生在連續梁左端第二跨跨中附近，其值為135.32 kN(《暫規》)和137.03 kN(《送審稿》)，即壓應力分別為17.47 MPa(《暫規》)和17.69 MPa(《送審稿》);最大撓曲附加拉力值分別為發生在距左橋臺40 m處112.47 kN(《暫規》)和距左橋臺140 m處157.02 kN(《送審稿》)，即拉應力分別為14.52 MPa(《暫規》)和20.27 MPa(《送審稿》)。鋼軌伸縮附加力和撓曲附加力計算結果如圖6、圖7所示。鋼軌強度檢算見表3，穩定性檢算見表4。

由表3和表4中可知，鋼軌強度和軌道穩定性均滿足要求，且安全儲備充足，故全橋鋪設小阻力扣件，不設伸縮調節器方案可行。