有砟轨道基础桥上无缝线路计算软件开发及应用

2010-05-04魏贤奎陈小平

铁道建筑 2010年8期

魏贤奎，陈小平，王平

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

随着跨区间无缝线路的铺设，将会对既有线换铺无缝线路和新建高标准无缝线路，这都将带来大量的轨道结构和桥梁结构的强度和稳定性的检算。以往国内对于桥上无缝线路采用自编算法建立计算模型进行计算，但计算速度慢，效率低，一般的桥要计算十几个小时，甚至几天，已经不能满足大量设计的要求。而采用基于有限元分析方法编制的桥上无缝线路通用计算软件进行求解只要几分钟，大大提高了计算速度，加快了设计工作效率。

1 桥上无缝线路计算原理

1.1 计算模型

采用有限元分析的方法，以轨枕支撑点划分钢轨与桥梁单元，将节点位移及节点纵向力视为变量。计算模型假定:

1)一股道的两股钢轨视为一根钢轨，钢轨视为纵向支承于弹性地基上的有限长梁，能够承受拉、压作用，其拉、压刚度相等，且为常量。

2)钢轨和桥梁产生纵向相对位移，二者通过线路纵向阻力相互作用，线路纵向阻力大小与二者间的相对位移为非线性关系，一般为扣件阻力和道床阻力中的较小值。

3)钢轨节点两端纵向力与线路纵向阻力相平衡，钢轨两相邻节点位移差与该钢轨单元释放的纵向力成正比。

4)桥梁参数输入采用简化算法，普通简支梁直接输入截面计算参数，对于连续梁，边跨输入跨中截面计算参数，非边跨输入1/4跨截面计算参数。

5)考虑桥梁墩台固定支座刚度对桥梁和轨道大系统纵向力的影响，墩台纵向刚度为线性刚度。

6)多股道钢轨纵向受力相互影响，一股道钢轨纵向力通过梁体传递，作用于其他股道上。

1.2 模型示意图

以大型有限元软件ANSYS为计算平台，利用其自有的参数化设计语言进行二次开发，编制有砟轨道基础桥上无缝线路计算软件(以下简称BCWR软件)，实现了各种桥跨布置情况下桥上无缝线路伸缩附加力、挠曲力、制动附加力、断轨力及梁轨相对位移计算分析。以双线中间1跨连续梁两边各1跨简支梁为例，输入控制参数后，建立线、桥及墩一体化计算模型如图1所示。

1.3 模型求解方法

计算模型建立后，就可用有限元软件ANSYS计算求解。有限元法是把一个系统简化为由单元、节点互相连接组成一个单元集合体以代替原来的系统，在节点处用等效节点力代替实际作用在单元上的外力，然后对每个单元进行分析，用位移函数来描述其位移分量分布规律，按照弹性理论中虚功原理建立单元节点力和位移之间关系，最后用最小势能平衡原理建立一组以节点位移为未知函数的方程，解方程即可求出各个节点位移，再由几何方程或者物理方程求出各单元应变和应力。

2 BCWR软件开发过程

2.1 ANSYS参数化设计语言

ANSYS参数化设计语言(以下简称APDL)是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。APDL由类似FORTRAN77的程序设计语言部分和1 000多条ANSYS命令组成。APDL是采用FORTRAN程序语法的方式进行编程，提供一般程序语言功能，如参数、宏、变量、向量及矩阵的一般运算。利用APDL与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、网格划分与控制、材料定义、荷载和边界条件定义、分析控制和求解以及后处理结果显示。从而实现参数化有限元分析的全过程，极大地提高了分析效率。BCWR软件运用APDL编写计算程序，并将程序保存为宏文件以供随时调用。

图1 线桥墩空间一体化计算模型

2.2 BCWR软件设计思路

BCWR软件开发时，利用APDL实现修改参数和嵌入ANSYS环境功能模块的开发，并将程序保存成宏文件bcwr.mac便于调用。运行用FORTRAN语言编制的可执行文件bcwr.exe调用宏文件，实现获取计算参数、传递计算参数、输出数据文件的功能。ANSYS获取计算参数后进行建模、网格划分、计算，最后将计算结果传递给bcwr.exe可执行文件，由bcwr.exe将计算结果文件输出。

2.3 BCWR软件功能

BCWR软件主要用于既有线桥上换铺无缝线路和新线桥上无缝线路的设计检算，计算时分别按照《铁路无缝线路设计规范(送审稿)》(以下简称《送审稿》)和《跨区间无缝线路设计暂行规定》(以下简称《暂规》)中的设计计算方法进行计算。

在考虑桥上无缝线路温度、挠曲、制动及断轨等影响因素和钢轨伸缩调节器及小阻力扣件的设置情况基础上，BCWR软件可以计算桥上无缝线路长轨条纵向温度力、附加力(伸缩附加力和挠曲附加力)、制(启)动力;可以计算桥上无缝线路梁轨相互作用下长轨条纵向位移、断轨力及断缝值;可以计算桥上无缝线路梁上翼缘纵向位移、梁轨纵向相对位移;可以计算桥上无缝线路梁轨相互作用下墩台纵向力。

BCWR软件还带有TS_x.exe可执行文件，可以对无缝线路锁定轨温设计及轨道部件强度检算。对线路检算时，只需在指定数据输入文件ts.in中输入相关参数，再运行TS_x.exe可执行文件，可得到数据文件ts.dat，查看ts.dat文件即可知线路检算结果。

2.4 BCWR软件使用流程

BCWR软件使用简单方便，速度快、精度高。使用时只需在指定的数据文件中输入相关参数，在ANSYS软件命令输入窗口输入相应的宏文件名，其后所有的计算由软件自动完成，所有的计算结果都将保存在ANSYS的工作目录里。计算结果由四部分组成:固定支座墩台纵向力“PD.DAT”文件、桥梁上翼缘纵向位移“BRU.DAT”文件、长轨条纵向位移“RU.DAT”文件及长轨条纵向力“PR.DAT”文件。软件使用流程如图2所示。

3 检算算例

以某新线上桥跨布置为(50+88+88+50)m连续梁+1×24 m简支梁桥上无缝线路设计为例进行计算。全桥共5跨4墩2台，桥梁参数由设计院提供图纸得知，桥上铺设Ⅲ型混凝土桥枕，最高轨温取64℃，最低轨温取－2.5℃，设计锁定轨温暂取34℃。则最大温升35℃，最大温降41.5℃。设计桥梁简图如图3所示。

3.1 方案比较

3.1.1 方案一:全桥铺设常阻力扣件，不设伸缩调节器

最大伸缩附加力发生在连续梁右端，其值为744.06 kN(《送审稿》)和505.31 kN(《暂规》)，即应力分别为 96.07 MPa(《送审稿》)和 62.24 MPa(《暂规》)。

图2 BCWR软件使用流程

图3 桥梁简图

最大挠曲附加压力发生在连续梁左端第二跨跨中附近，其值为165.02 kN(《暂规》)和117.36 kN(《送审稿》)，即压应力分别为 21.31 MPa(《暂规》)和15.15 MPa(《送审稿》);最大挠曲附加拉力发生在连续梁第二跨右端桥墩处，其值为163.34 kN(《暂规》)和114.01 kN(《送审稿》)，即拉应力分别为21.09 MPa(《暂规》)和14.72 MPa(《送审稿》)。钢轨伸缩附加力和挠曲附加力计算结果如图4、图5所示。钢轨强度检算见表1，稳定性检算见表2。

由表1可知，钢轨强度已经满足要求。而在表2中，在按《送审稿》检算时，实际最大温升幅度与允许温升幅度非常接近，安全储备不足，如果实际桥台刚度比计算用桥台刚度大，则桥梁很容易丧失稳定性，且设计桥温度跨度很大，故不宜采用全桥铺设常阻力扣件方案，需改进方案。

3.1.2 方案二:全桥铺设小阻力扣件，不设伸缩调节器

最大伸缩附加力发生在连续梁右端，其值为553.98 kN(《送审稿》)和394.15 kN(《暂规》)，即应力分别为71.52 MPa(《送审稿》)和50.89 MPa(《暂规》)。最大挠曲附加压力发生在连续梁左端第二跨跨中附近，其值为135.32 kN(《暂规》)和137.03 kN(《送审稿》)，即压应力分别为17.47 MPa(《暂规》)和17.69 MPa(《送审稿》);最大挠曲附加拉力值分别为发生在距左桥台40 m处112.47 kN(《暂规》)和距左桥台140 m处157.02 kN(《送审稿》)，即拉应力分别为14.52 MPa(《暂规》)和20.27 MPa(《送审稿》)。钢轨伸缩附加力和挠曲附加力计算结果如图6、图7所示。钢轨强度检算见表3，稳定性检算见表4。

由表3和表4中可知，钢轨强度和轨道稳定性均满足要求，且安全储备充足，故全桥铺设小阻力扣件，不设伸缩调节器方案可行。