橋上縱連板式無縫道岔計(jì)算軟件開發(fā)與應(yīng)用

楊冠嶺，陳小平，王 平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著客運(yùn)專線、快速鐵路和城市交通建設(shè)與發(fā)展，有越來越多的無縫道岔鋪設(shè)在橋上，橋上鋪設(shè)無縫道岔成為了又一關(guān)鍵技術(shù)難題，是橋上無縫線路、無縫道岔、橋上縱連板式無砟軌道的綜合應(yīng)用［1］。此橋上無縫道岔軟件是利用ANSYS軟件開放的體系結(jié)構(gòu)，基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù)得來的非線性有限元程序，它可以自動(dòng)完成建模、荷載的施加以及方程的求解，并且可以適應(yīng)不同跨度的橋梁，更重要的是它能夠?qū)蛏显O(shè)置車站道岔群進(jìn)行計(jì)算求解，是橋上無縫道岔設(shè)計(jì)的通用軟件，能夠?yàn)闃蛏显O(shè)置車站、渡線提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為橋上道岔群的鋪設(shè)、道床板、橋梁等的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，對(duì)高速軌道的發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋上無縫道岔的計(jì)算理論

1.1 計(jì)算模型

橋上鋪設(shè)縱連板式無砟軌道無縫道岔存在幾個(gè)復(fù)雜的相互關(guān)系:道岔與道岔板縱向相互作用關(guān)系，道岔板與底座板縱向相互作用關(guān)系，底座板與橋梁縱向相互作用關(guān)系，橋梁與墩臺(tái)縱向相互作用關(guān)系，相鄰股道底座板縱向相互作用關(guān)系等。

軟件對(duì)于全橋底座縱連板式無砟軌道無縫道岔進(jìn)行受力和變形分析時(shí)，將道岔、道岔板、底座板、橋梁和墩臺(tái)看做一個(gè)有機(jī)的整體，建立岔—板—橋—墩一體化模型。模型中還考慮扣件縱向阻力，道岔板和底座板的縱向阻力，道岔板與底座板的剛度折減，底座板與滑動(dòng)層的摩擦阻力，橋梁墩臺(tái)頂縱向水平剛度等關(guān)鍵因素。

全橋底座板縱連板式無砟軌道無縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型有如下假定:

1)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮，不考慮轍叉角大小的影響;

2)鋼軌為縱向連續(xù)長(zhǎng)梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量，鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;

3)鋼軌和道岔板間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過扣件相互作用，扣件阻力與鋼軌、道床板的相對(duì)位移為非線性關(guān)系，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)與道床板節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)樽柚逛撥壪鄬?duì)道岔板位移方向;

4)考慮間隔鐵阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌間的位移呈非線性關(guān)系;

5)考慮轍跟限位器在基本軌與導(dǎo)軌間所傳遞的作用力，設(shè)道岔鋪設(shè)時(shí)限位器子母塊居中，當(dāng)子母塊貼靠時(shí)，限位器阻力與兩鋼軌間的相對(duì)位移呈非線性關(guān)系;

6)假設(shè)橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力可忽略不計(jì)，不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳至墩臺(tái)上，阻止橋梁縱向變形的剛度就為墩臺(tái)頂縱向水平剛度;

7)橋梁墩臺(tái)頂縱向水平剛度為線性，包含在支座頂面在縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)平移及橡膠支座的剪切變形等引起的支座頂面位移;

8)底座板與橋梁間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過滑動(dòng)層與剪力齒槽進(jìn)行縱向相互作用，滑動(dòng)層的摩擦阻力與二者間的相對(duì)位移為非線性關(guān)系，剪力齒槽縱向作用力與二者間的相對(duì)位移為線性關(guān)系;

9)假定瀝青砂漿對(duì)道岔板和底座板提供非線性阻力作用，道岔板和底座板間的非線性阻力隨著二者的相對(duì)位移呈非線性變化，非線性阻力的最大值依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;

10)底座板與端刺和摩擦板產(chǎn)生縱向相互作用，端刺縱向剛度為線性，摩擦板與底座板的摩擦阻力為非線性;

11)相鄰股道鋼軌、道岔板和底座板的縱向受力相互影響，一股道組合板上的縱向力通過道岔板或底座板的橫向連接和梁體傳遞，作用于另一股道上。

圖1 岔—板—橋—墩一體化模型

圖1所示的岔—板—橋—墩一體化模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺(tái)、摩擦板、端刺、底座板上縱橫向凸臺(tái)、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用［2］。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮，使得計(jì)算模型更接近實(shí)際。

1.2 求解方法

此系統(tǒng)采用桿單元、梁?jiǎn)卧⒕€性彈簧單元和非線性彈簧單元四種類型的單元來模擬，道岔板、底座板用彈簧梁?jiǎn)卧M，該梁?jiǎn)卧菃屋S承受拉力、壓力及力矩的單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X與Y位移方向及繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度3個(gè)自由度，對(duì)一個(gè)單元來說有6個(gè)自由度，由于本模型只考慮單軸拉壓不考慮扭轉(zhuǎn)與剪切。

扣件縱向阻力和滑動(dòng)層摩擦阻力為非線性彈簧單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有1個(gè)自由度，彈簧所受拉壓力與彈簧的拉伸與壓縮量呈非線性關(guān)系。橋梁墩臺(tái)固定支座、剪力齒槽以及端刺為線性彈簧單元，每個(gè)點(diǎn)各具有一個(gè)沿單元軸向的平動(dòng)自由度，彈簧所受的拉力或壓力與其伸或壓縮量呈線性關(guān)系。根據(jù)上述單元離散結(jié)構(gòu)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，寫出所有單元?jiǎng)偩仃嚕侔凑諏?duì)號(hào)入座法則由單剛集成總剛，把非節(jié)點(diǎn)力等效為節(jié)點(diǎn)力，并引入靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件，可得到系統(tǒng)的平衡方程。然后利用稀疏矩陣直接求解法，計(jì)算出在給定荷載作用下每一節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算所有部件的受力和變形［3］。

2 軟件的開發(fā)過程

2.1 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

APDL是采用 FORTRAN程序語(yǔ)法的方式進(jìn)行編程，提供一般程序語(yǔ)言功能，如參數(shù)、宏變量、變量、向量及矩陣的一般運(yùn)算。利用 APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、網(wǎng)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(jié)果顯示。從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程，極大地提高了分析效率。軟件運(yùn)用 APDL語(yǔ)言編寫橋上縱連板式無縫道岔計(jì)算程序，并將程序保存為宏文件以供隨時(shí)調(diào)用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思路

利用APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)修改參數(shù)和嵌入ANSYS環(huán)境功能模塊的開發(fā)，并將程序保存成宏文件 qszlbdc.mac便于調(diào)用。宏文件調(diào)用運(yùn)用 FORTRAN語(yǔ)言編制的qszlbdc.exe，clq.exe執(zhí)行文件，主要實(shí)現(xiàn)獲取計(jì)算參數(shù)、傳遞計(jì)算參數(shù)、輸出數(shù)據(jù)文件的功能;ANSYS獲取計(jì)算參數(shù)后進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果傳遞給qszlbdc.exe執(zhí)行文件，由qszlbdc.exe將計(jì)算結(jié)果文件輸出，并且本軟件還引入了 check.dat文件，在將輸入文件qszlbdc_in.dat中的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入或修改完成后，可以先執(zhí)行 qszlbdc.exe，然后在 check.dat文件中檢查數(shù)據(jù)輸入是否正確，以確保在輸入數(shù)據(jù)正確的基礎(chǔ)上用ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

該軟件能夠快速高效地對(duì)橋上縱連板無縫道岔群進(jìn)行計(jì)算，只需要將相應(yīng)數(shù)據(jù)在指定文件qszlbdc_in.dat中輸入或修改相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再在 ANSYS命令窗口中輸入相應(yīng)的宏文件名，之后的所有計(jì)算將會(huì)由軟件自動(dòng)完成，所有的計(jì)算結(jié)果將保存于ANSYS工作目錄里，計(jì)算結(jié)果文件有16個(gè)。這些文件的計(jì)算結(jié)果包括了鋼軌力、位移，軌道板底座板受力與位移，橋梁、固結(jié)機(jī)構(gòu)、端刺、墩臺(tái)的受力與位移，以及道岔各部分的受力與位移，并且可以對(duì)某些部件的最大力與最大位移做出統(tǒng)計(jì)。運(yùn)行jgcl.exe可執(zhí)行文件，輸入某一股道、某一鋼軌的編號(hào)、某一道岔的編號(hào)(道岔從第1股道開始依次編號(hào))，程序?qū)⒆詣?dòng)生成該股道這一鋼軌的力和位移文件(res_ggl_nn.dat和 res_ggwy_nn.dat)，同時(shí)生成鋼軌力和位移的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，分別為res_ggl_tj.dat和 res_ggwy_tj.dat，其中 res_ggwy_tj.dat用于統(tǒng)計(jì)各組道岔尖軌和心軌尖端的最大縱向位移，以判斷轉(zhuǎn)換設(shè)備能否適應(yīng)。軟件使用流程見圖2。

圖2 軟件使用流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 計(jì)算資料

以某高架站右咽喉為例進(jìn)行計(jì)算，橋梁參數(shù)由設(shè)計(jì)院圖紙得知，鋼軌最大降溫取46℃，軌道板最大降溫取28℃，底座板最大降溫取58℃，橋梁最大降溫取20℃，道岔為18#道岔，考慮軌道板與底座板完全開裂，滑動(dòng)層失效的最不利工況。軌道布置與橋梁布置見圖3。

3.2 部分計(jì)算結(jié)果(見圖4和圖5)

3.2.1 基本軌受力與位移

由圖4可以看出鋼軌最大溫度力為1 261 kN，距左橋臺(tái)690 m處，為8#道岔前端處，經(jīng)計(jì)算基本軌動(dòng)彎應(yīng)力最大為 120.9 MPa，所以鋼軌總應(yīng)力為 283.7 MPa，小于鋼軌允許應(yīng)力363.1 MPa。

3.2.2 道岔各部件位移與受力

由表1可以看出，尖軌最大相對(duì)位移為19.809 mm，小于規(guī)定限值30 mm，心軌最大相對(duì)位移為5.046 mm，小于最大限值20 mm;經(jīng)計(jì)算限位器與間隔鐵受力均小于其螺栓抗剪強(qiáng)度，符合受力要求。

3.2.3 軌道板受力與位移(見圖6和圖7)

由圖6可知，軌道板最大溫度力為1 271 kN，距左橋臺(tái)597 m，位于7#、8#道岔之間，經(jīng)計(jì)算軌道板受力不超限。

3.2.4 其它部件受力

由表2和圖8、圖9所得數(shù)據(jù)，可以為設(shè)計(jì)院提供橋梁墩臺(tái)、固結(jié)機(jī)構(gòu)以及端刺的設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖3 某高架站右咽喉橋上道岔布置

圖4 基本軌溫度力

圖5 3、4股道基本軌相對(duì)下部基礎(chǔ)位移

表1 道岔各部件結(jié)果

圖6 3、4股道軌道板溫度力

圖7 3、4股道軌道板縱向位移

表2 端刺的縱向力 kN

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以有限元軟件ANSYS為計(jì)算開發(fā)平臺(tái)，利用APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，提供了一種高效實(shí)用的橋上縱連板式無縫道岔通用計(jì)算軟件。該軟件可以對(duì)不同形式的長(zhǎng)大橋上無縫道岔群進(jìn)行計(jì)算，使橋上無縫道岔的計(jì)算過程變得十分的快捷簡(jiǎn)單，為橋上縱連板式無縫道岔的鋪設(shè)與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，更加方便了設(shè)計(jì)者。從設(shè)計(jì)院反饋的信息表明，橋上縱連板式無縫道岔計(jì)算軟件數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確可靠，計(jì)算過程高效快捷，可大大提高橋上縱連板式無縫道岔設(shè)計(jì)的效率。

圖8 橋梁固定支座受力

圖9 固結(jié)機(jī)構(gòu)受力

［1］王平，劉學(xué)毅.無縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007:240-245.

［2］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程 CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

［3］翟淼，陳小平，王平.基于有限單元法的轉(zhuǎn)轍器扳動(dòng)力計(jì)算軟件開發(fā)及應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(12):74-76.

［4］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2004.

［6］鐵道部第三設(shè)計(jì)院.道岔設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:人民鐵道出版社，1975.