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摘要：桥上无砟轨道无缝道岔技术是近年来铁路理论研究和结构设计的热门技术之一，为了满足现代铁路发展要求，这项技术也逐渐被应用于生产实际。运用有限元计算理论，借助ANSYS有限元软件平台，建立桥上无缝道岔的组合模型，进行结构计算，对桥上无砟轨道无缝道岔内外部参数对结构附加力的影响进行分析，为类似结构设计提供技术支持。
关键词：无缝道岔 板式无砟轨道 ANSYS有限元模型
中图分类号：U213.6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-006-02
近年來，随着铁路设计技术水平的不断提高，桥上设置道岔的技术有了一定的发展，但由于道岔结构和梁轨相互作用的复杂性，给这项技术的发展带来了难度，为了解决这一技术难题，许多科研院所和高校做了大量的理论研究，现在铁路运输的发展急需要桥上无缝道岔的研究从理论过渡到生产实际，利用科学有效的计算方法，对桥上无缝道岔的受力情况进行研究，研究道岔和桥梁结构中各参数的变化对结构受力的影响，对桥上无缝道岔的设计有重要的指导意义，从而能推动理论向生产实际的转化。
1 无砟轨道桥上无缝单开道岔有限元模型
本文应用大型ANSYS有限元计算软件建立简支梁桥上单开道岔计算模型，模型中，道岔选择我国12号可动心轨单开道岔，道岔设置在五跨简支梁桥上，钢轨采用梁单元模拟；扣件采用弹簧单元模拟，为了区分小位移和大位移条件下扣件纵向刚度取值的差异，位移较小的基本轨和区间线路钢轨扣件纵向阻力采用线性弹簧单元模拟，位移较大的岔区里轨扣件纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟；间隔铁实测受力-位移曲线近似线性，其阻力可采用线性弹簧单元模拟；限位器要考虑7mm的不受力位移，其阻力可采用非线性弹簧单元模拟；扣件横向位移较小，近似线性，其阻力采用线性弹簧模拟；凸型挡台采用一组线性弹簧模拟；轨道板和混凝土底座用实体单元模拟，不考虑CA砂浆垫层的传力作用，二者之间只通过凸型挡台传递作用力，同时混凝土底座在桥梁板接缝处设置伸缩缝；桥梁板和桥墩采用实体单元模拟，桥梁支座采用固体单元模拟，桥梁板和支座以及支座和桥墩之间均通过接触面节点位移耦合相连。
钢轨位于无缝线路固定区，在受影响区两端钢轨采用固定端约束；假设桥墩底面采用固定端约束，即不考虑桥墩底面位移的影响，具体模型如图1。
2 荷载
本文只计算温度力作用下结构的受力和位移，所加荷载只有温度力荷载，模型中温度荷载是以温变化值的形式施加，本文要考虑轨温变化大小对结构中各部件的影响，因此计算中对钢轨分别施加40℃、50℃、60℃的温差，而混凝土结构对温度的敏感性远小于钢轨，因此不考虑混凝土结构温度变化大小对结构的影响，因此只为混凝土结构施加初始温差，轨道板30℃的温差，底座15℃的温差，桥梁板15℃的温差。
3 参数的选取
3.1 钢轨
钢轨采用60kg/m，截面为77.45cm2，弹性模量为2.1€？011N/m2，线膨胀系数为11.8€？0-6/€癈。
3.2 扣件
本文模型采用弹条型扣件，不考虑扣件扭矩的影响，区间线路和基本轨扣件线性阻力，在5kN/mm～20kN/mm范围内变化取值，而位移较大的岔区里轨扣件采用常阻力，在5kN～20kN范围内变化取值。
3.3 限位器及间隔铁
本模型中，限位器采用非线性弹簧单元模拟，刚度取值采用表1实测数据。间隔铁采用线性弹簧单元模拟，刚度取值50kN/m。在辙跟处设置一组限位器，在心轨跟端设置一组间隔铁，限位器子母块间隙为7mm。
3.4 轨道板
模型采用CRTSⅠ型轨道板，轨道板长4.962m，宽2.4m～5.3m，厚0.19m，板缝70mm，弹性模量为36000MPa，泊松比0.2，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.5 凸型挡台
凸型挡台的纵横向刚度相同，因此，其纵横向刚度不必分开模拟，ANSYS中可以同时设置一个弹簧的纵向和横向刚度，模型中采用线性弹簧单元模拟凸型挡台，并分别将其纵向和横向刚度设置成同一个值。而凸型挡台的刚度一般取决于弹性胶垫的刚度，结合弹性胶垫的刚度范围，模型中弹簧刚度在100 kN/mm～1200 kN/mm范围内变化取值。
3.6 混凝土底座
底座厚度为0.2m，宽度8.6m，弹性模量为34000MPa，泊松比0.21，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.7 桥梁板
桥梁为五跨简支梁结构，模型分别对32m简支梁和24m简支梁进行了计算，简支梁左端为固定支座，右端为滑动支座，不考虑混凝土保护层的影响，梁体厚度为0.5m，宽度为13.4m，弹性模量为34000MPa，泊松比为0.21，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.8 支座
模型采用无孔矩形支座，支座压缩模量在45MPa～125MPa范围内变化取值，泊松比取为0.45。
3.9 桥墩
桥墩高度11.0m，截面宽度2.6m，长11.5m，弹性模量为34000MPa，泊松比为0.21。
4 计算结果
用ANSYS有限元软件对桥上无砟轨道无缝单开道岔模型进行计算，在计算中，当其中一个参数变化时，其余参数均取中间值，计算结果如表2。基本轨位移为岔区基本轨的最大位移，尖轨和心轨位移均指轨道板和钢轨的相对位移。
4 结论
4.1 外部参数
通过计算得出，轨温变化幅度作为结构受力和位移的外因，对结构的受力和位移起着决定性的作用，在进行结构设计时，要充分考虑当地的气温变化情况，结合最大温升和温降，对轨道结构强度进行检算。
4.2 内部参数
从计算结果可以看出，基本轨的扣件刚度对结构受力影响较大，对尖轨和心轨位移影响不大，岔区里轨扣件阻力对结构受力影响较小，扣件阻力增加会使尖轨和心轨位移明显减小，但会使基本轨附加温度力增大，因此，应根据转辙器和钢轨强度的要求综合考虑选择扣件阻力；凸型挡台刚度的增加有利于轨道结构的稳定，能减少无缝道岔各结构的受力和位移，因此，在只考虑静载的情况下，凸型挡台的刚度应取可选范围内的较大值；支座刚度增加能够减小基本轨的附加力和位移，对其余道岔结构的受力和位移无太大影响；桥梁跨度对结构的受力和位移影响较大，桥梁跨度越大越不利于结构的受力和稳定，因此，根据设计需要在桥上设置道岔时，应尽量采用小跨度道岔梁。
参考文献：
[1] 王森荣.板式无砟轨道温度力研究[D].成都：西南交通大学， 2007.
[2] 李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社，2005.
[3] 王平，刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法[M].成都：西 南交通大学出版社，2007.
[4] 杨荣山.桥上无缝道岔纵向力计算理论与试验研究[D].成 都：西南交通大学，2008.
[5] 张世杰.无砟轨道桥上无缝道岔交叉渡线纵向力研究[D].成都：西南交通大学，2008.
关键词：无缝道岔 板式无砟轨道 ANSYS有限元模型
中图分类号：U213.6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-006-02
近年來，随着铁路设计技术水平的不断提高，桥上设置道岔的技术有了一定的发展，但由于道岔结构和梁轨相互作用的复杂性，给这项技术的发展带来了难度，为了解决这一技术难题，许多科研院所和高校做了大量的理论研究，现在铁路运输的发展急需要桥上无缝道岔的研究从理论过渡到生产实际，利用科学有效的计算方法，对桥上无缝道岔的受力情况进行研究，研究道岔和桥梁结构中各参数的变化对结构受力的影响，对桥上无缝道岔的设计有重要的指导意义，从而能推动理论向生产实际的转化。
1 无砟轨道桥上无缝单开道岔有限元模型
本文应用大型ANSYS有限元计算软件建立简支梁桥上单开道岔计算模型，模型中，道岔选择我国12号可动心轨单开道岔，道岔设置在五跨简支梁桥上，钢轨采用梁单元模拟；扣件采用弹簧单元模拟，为了区分小位移和大位移条件下扣件纵向刚度取值的差异，位移较小的基本轨和区间线路钢轨扣件纵向阻力采用线性弹簧单元模拟，位移较大的岔区里轨扣件纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟；间隔铁实测受力-位移曲线近似线性，其阻力可采用线性弹簧单元模拟；限位器要考虑7mm的不受力位移，其阻力可采用非线性弹簧单元模拟；扣件横向位移较小，近似线性，其阻力采用线性弹簧模拟；凸型挡台采用一组线性弹簧模拟；轨道板和混凝土底座用实体单元模拟，不考虑CA砂浆垫层的传力作用，二者之间只通过凸型挡台传递作用力，同时混凝土底座在桥梁板接缝处设置伸缩缝；桥梁板和桥墩采用实体单元模拟，桥梁支座采用固体单元模拟，桥梁板和支座以及支座和桥墩之间均通过接触面节点位移耦合相连。
钢轨位于无缝线路固定区，在受影响区两端钢轨采用固定端约束；假设桥墩底面采用固定端约束，即不考虑桥墩底面位移的影响，具体模型如图1。
2 荷载
本文只计算温度力作用下结构的受力和位移，所加荷载只有温度力荷载，模型中温度荷载是以温变化值的形式施加，本文要考虑轨温变化大小对结构中各部件的影响，因此计算中对钢轨分别施加40℃、50℃、60℃的温差，而混凝土结构对温度的敏感性远小于钢轨，因此不考虑混凝土结构温度变化大小对结构的影响，因此只为混凝土结构施加初始温差，轨道板30℃的温差，底座15℃的温差，桥梁板15℃的温差。
3 参数的选取
3.1 钢轨
钢轨采用60kg/m，截面为77.45cm2，弹性模量为2.1€？011N/m2，线膨胀系数为11.8€？0-6/€癈。
3.2 扣件
本文模型采用弹条型扣件，不考虑扣件扭矩的影响，区间线路和基本轨扣件线性阻力，在5kN/mm～20kN/mm范围内变化取值，而位移较大的岔区里轨扣件采用常阻力，在5kN～20kN范围内变化取值。
3.3 限位器及间隔铁
本模型中，限位器采用非线性弹簧单元模拟，刚度取值采用表1实测数据。间隔铁采用线性弹簧单元模拟，刚度取值50kN/m。在辙跟处设置一组限位器，在心轨跟端设置一组间隔铁，限位器子母块间隙为7mm。
3.4 轨道板
模型采用CRTSⅠ型轨道板，轨道板长4.962m，宽2.4m～5.3m，厚0.19m，板缝70mm，弹性模量为36000MPa，泊松比0.2，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.5 凸型挡台
凸型挡台的纵横向刚度相同，因此，其纵横向刚度不必分开模拟，ANSYS中可以同时设置一个弹簧的纵向和横向刚度，模型中采用线性弹簧单元模拟凸型挡台，并分别将其纵向和横向刚度设置成同一个值。而凸型挡台的刚度一般取决于弹性胶垫的刚度，结合弹性胶垫的刚度范围，模型中弹簧刚度在100 kN/mm～1200 kN/mm范围内变化取值。
3.6 混凝土底座
底座厚度为0.2m，宽度8.6m，弹性模量为34000MPa，泊松比0.21，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.7 桥梁板
桥梁为五跨简支梁结构，模型分别对32m简支梁和24m简支梁进行了计算，简支梁左端为固定支座，右端为滑动支座，不考虑混凝土保护层的影响，梁体厚度为0.5m，宽度为13.4m，弹性模量为34000MPa，泊松比为0.21，混凝土线膨胀系数1.0€？0-5。
3.8 支座
模型采用无孔矩形支座，支座压缩模量在45MPa～125MPa范围内变化取值，泊松比取为0.45。
3.9 桥墩
桥墩高度11.0m，截面宽度2.6m，长11.5m，弹性模量为34000MPa，泊松比为0.21。
4 计算结果
用ANSYS有限元软件对桥上无砟轨道无缝单开道岔模型进行计算，在计算中，当其中一个参数变化时，其余参数均取中间值，计算结果如表2。基本轨位移为岔区基本轨的最大位移，尖轨和心轨位移均指轨道板和钢轨的相对位移。
4 结论
4.1 外部参数
通过计算得出，轨温变化幅度作为结构受力和位移的外因，对结构的受力和位移起着决定性的作用，在进行结构设计时，要充分考虑当地的气温变化情况，结合最大温升和温降，对轨道结构强度进行检算。
4.2 内部参数
从计算结果可以看出，基本轨的扣件刚度对结构受力影响较大，对尖轨和心轨位移影响不大，岔区里轨扣件阻力对结构受力影响较小，扣件阻力增加会使尖轨和心轨位移明显减小，但会使基本轨附加温度力增大，因此，应根据转辙器和钢轨强度的要求综合考虑选择扣件阻力；凸型挡台刚度的增加有利于轨道结构的稳定，能减少无缝道岔各结构的受力和位移，因此，在只考虑静载的情况下，凸型挡台的刚度应取可选范围内的较大值；支座刚度增加能够减小基本轨的附加力和位移，对其余道岔结构的受力和位移无太大影响；桥梁跨度对结构的受力和位移影响较大，桥梁跨度越大越不利于结构的受力和稳定，因此，根据设计需要在桥上设置道岔时，应尽量采用小跨度道岔梁。
参考文献：
[1] 王森荣.板式无砟轨道温度力研究[D].成都：西南交通大学， 2007.
[2] 李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社，2005.
[3] 王平，刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法[M].成都：西 南交通大学出版社，2007.
[4] 杨荣山.桥上无缝道岔纵向力计算理论与试验研究[D].成 都：西南交通大学，2008.
[5] 张世杰.无砟轨道桥上无缝道岔交叉渡线纵向力研究[D].成都：西南交通大学，2008.