基于有限元分析的无砟轨道结构通用模型研究

肖艳杰

摘 要 目前，无砟轨道结构已广泛应用于铁路建设中，为了确保轨道结构在运营过程中的安全性及实用性，有必要对其进行合理的结构设计，分析设计结构在荷载作用下的力学数值。在各类工程案例中，对无砟轨道的设计要求不尽相同，本文基于有限元分析法，借助自编有限元计算软件创建出钢轨位移及轨道板弯矩检算通用模型，实现仅通过调整参数可对各类工程项目中不同钢轨类型、不同轨道板宽、不同轨距等形式的无砟轨道结构进行仿真模拟分析。

关键词 无砟轨道;有限元;轨道板;钢轨位移

本文运用有限元原理，基于C语言进行有限元软件编程，针对掌握的无砟轨道结构形式、几何尺寸进行有限元模型的创建，并且对所建模型进行加载求解，在加载下进行力学数值分析，这对轨道板的配筋设计至关重要[1]。

1无砟轨道结构轨道板弯矩检算通用模型的建立

本文依据弹性地基梁-板-板理论计算原理，本模型取相邻的三块轨道板长度的无砟轨道结构来建立有限元模型。考虑到计算模型的通用性，轨距、轨道板长度、底座长度等均设为可变参数[2]。

在本文中通用模型单元类型设计如下：

钢轨为细长构件，用梁单元来模拟;扣件及其轨下胶垫部分利用弹簧连接来进行模拟;轨道板以及底座板均采用四节点非协调矩形薄板来进行模拟;CA砂浆层利用均布弹簧单元进行模拟。

本文无砟轨道结构通用模型中钢轨类型可选择国内铁路设计中普遍采用的标准钢轨，采用命令流的形式在自编有限元软件中绘制钢轨断面图，并对其进行网格划分。

通用模型使用步骤简述如下：

选择具体项目中采用的钢轨类型并进行轨道结构模型的创建，定义材料属性，为保证模型的通用性，对轨道板、底座进行网格划分时，每条边按分段数划分。

如上文所述，钢轨、轨道板利用弹簧形式模拟扣件来进行联结，轨道板和底座板之间也用弹簧联结，但两层弹簧刚度需根据工程实际分别设置，底座板与地基固定联结。

为保障通用模型的准确性，须对此模型进行一定的约束设置：首先应该对轨道板进行纵向位移的约束;其次还应对底座板进行全约束;最后对钢轨进行约束，本模型采用置大数法（×10E10）模拟约束，钢轨在X轴和Y轴方向上的位移是零，并且其不能围绕Y轴作旋转;对CA砂浆下部采用删行删列法模拟约束[3]。

本模型可以通过改变模型参数，选择轨道板长度范围内任意对轮对进行加载，荷载大小可调;加载完成后此计算程序可分别求解得出该研究结构的结果图，其中包括轨道板的变形图、底座板变的形图、应力云图、轨道底板底座板的纵横向弯矩图等。

2通用模型在无砟轨道结构中的应用

2.1 选用无砟轨道参数

钢轨弹性模量2.1×1011 Pa，泊松比0.3，高度0.176m;轨道板弹性模量3.65×1010 Pa，泊松比0.2，厚度0.19m;底座板弹性模量3.4×1010 Pa，泊松比0.2，厚度0.3m;扣件弹性模量2.1×1011 Pa，泊松比0.3。

2.2 钢轨位移及轨道板弯矩计算结果

依据已掌握的无砟轨道结构形式、几何尺寸进行有限元模型的创建，依据已知结构特性、材料参数进行单元定义，结构层间的联结在建立好之后，进行加载求解。轨道板计算结果如下图所示：

轨道最大位移2.315mm，轨道板横向最大弯矩10548.99N·m/m，轨道板纵向最大弯矩38621.54 N·m/m。

3结束语

本文基于无砟轨道力学理论模型建立有限元无砟轨道通用模型，本模型適用于不同轨距、钢轨类型、轨道板宽度等无砟轨道结构形式，其计算结构精确可靠，高效简便，适用性较广，可广泛应用于工程项目中轨道板的制作及其预应力配筋工作。

参考文献

[1] 赵国堂.高速铁路无砟轨道结构[M].北京：中国铁道出版社，2006： 109.

[2] 王其昌，韩启孟.板式轨道设计及施工[M].成都：西南交通大学出版社，2002：27.

[3] 陈希成.板高速铁路板式轨道力学分析[D].成都：西南交通大学出版社，2008.