【正文】 地基上的疊合梁理論 （ 2）彈性地基上的梁－板理論 （ 3）彈性地基上的梁－體有限元計算理論 為消除邊界效應(yīng)，模型選取三塊單元軌道板或相當?shù)拈L度進行計算，以中間單元板作為研究對象，計算的應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)過積分運算得到軌道板所受縱橫向彎矩。 ④附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算中列車橫向荷載按輪載的 ，疲勞檢算時取輪載的 倍。 ②單元式無 砟 軌道以 “ 列車豎向設(shè)計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上） ” 引起的主體結(jié)構(gòu)的彎矩進行配筋設(shè)計及裂縫寬度檢算。 ④支承層在設(shè)計中納入計算，但不進行檢算。在裂縫處，鋼筋確保荷載從一邊轉(zhuǎn)移到另一邊，同時保證了裂縫寬度的在限值之內(nèi) ，以保護鋼筋免受腐蝕。 4） 橋梁接口 （ 1）技術(shù)要求：梁端轉(zhuǎn)角≤ 1? （ 2）長橋上軌道與梁面連接方式：跨度大于 25M 為長橋 無砟軌道結(jié)構(gòu)檢算 國外情況 （ 1） Zublin 無 砟 軌道設(shè)計原理及計算方法 計算模型和假定 : 結(jié)構(gòu)計算模型分為三層，最上面是鋼軌，下面是承載層，由道床板和水硬性承載層共同組成，最下面是防凍層及地基各土層。在軌道板末端或者在工作縫和施工縫等自由邊，底座和無 砟 軌道之間的粘結(jié)必須采用特殊的措施來進行處理。橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應(yīng)大于 3cm。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 無砟軌道的適用范圍 客貨混運線 設(shè)計速度 200km/h 以下，無砟主要考慮鋪設(shè)于長大隧道地段、長橋地段及橋隧相連地段，其余地段以有砟軌道為主。 X=15mm）。由ω型彈條、軌距擋板、絕緣軌距塊、軌下膠墊、預(yù)埋鐵座、 T 型螺栓、平墊圈、蓋型螺母及調(diào)高墊片等組成。 7）特別適合在高速客運專線和長大隧道內(nèi)修建，技術(shù)性先進、節(jié)省維修量，速度目標值可靠。主要用于隧道內(nèi)，特別是地鐵軌道。 機械化施工性能雖優(yōu)，但當超高超過 150mm 時，會引起施工困難。其中在土路基上鋪設(shè)混凝土道床 Rheda 軌道約 86km，瀝青混凝土道床無 砟 軌道約 63km。所用混凝土量大大減少了。 (4)緩和溫度應(yīng)力 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 德國情況 1） Rheda 無 砟 軌道情況 德國是歐洲最熱心研究開發(fā)無 砟 軌道的國家。 (6) 應(yīng)采取防止混凝土因溫度收縮而出現(xiàn)裂紋的技術(shù)對策。 可見，這種軌道是用瀝青混凝土基床強化路基，與其說是用軌道板不如說是用更寬的軌枕分散列車載荷壓力，從而形成十分穩(wěn)定的路面鋪裝軌道，可以顯著延長軌道養(yǎng)護維修周期。其研發(fā)目的是減少軌道維修，以節(jié)省人力、物力、財力，達到安全、經(jīng)濟和耐用的目標。并已成功鋪設(shè)在秦 沈客運專線沙河特大橋上和渝懷線魚嘴二號隧道內(nèi) 。 （ 2）彈性整體道床的彈性可調(diào)式扣件研究。有些中心水溝式及淺側(cè)水溝式整體結(jié)構(gòu)，水浸入道床后在軌道沖擊荷載作用下，形成活塞作用，加速道床砼的破壞；個別的整體道床直接修建在膨脹巖基礎(chǔ)上，發(fā)生道床的變形破壞。以此為契機，目前全路科研、設(shè)計、施工、院校的領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授和從業(yè)人員正在全力協(xié)同開展有關(guān)成區(qū)段鋪設(shè)各種類型無 砟 軌道的前期工作。在寶天線白清隧道和西安線秦嶺特長雙線隧道（長 ）鋪設(shè)了彈性支承塊式混凝土道床軌道。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 板式無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 1. 無砟軌道的介紹 技術(shù)發(fā)展概況 國內(nèi)概況 我國鐵路曾于 20世紀 30年代先后在東北牡圖線的北老松嶺隧道和沈丹線的福晉嶺隧道鋪設(shè)過長木枕和短木枕式混凝土道床軌道。迄今為止，運用效果良好。高速客運專線成區(qū)段鋪設(shè)無 砟 軌道必將成為我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。在整體道床發(fā)展前期，造成設(shè)計強度偏弱和標準偏低的重要原因是對軌道動力作用認識不足和鐵路建設(shè)資金缺乏。 （ 3）超長無縫線路長鋼軌一次鋪設(shè)工藝及機具的研究。 土路基上無砟軌道 我國鐵路在土路基上鋪設(shè)的無 砟 軌道結(jié)構(gòu)類型主要有水泥混凝土道床無 砟 軌道和瀝青混凝土道床無 砟 軌道，但僅限于于大型客站、客技站、洗涮線、裝卸線、港口碼頭等地段，雖應(yīng)用效果良好，但這些地段的行車速度、通過運量和行車密度都低于正線標準。 見圖 。 2） 土路基上混凝土道床板式軌道 為改善 RA 型板式軌道所用瀝青材料溫度敏感性高和耐久性差的不足，提出了用水泥混凝土道床替代瀝青混凝土道床的結(jié)構(gòu)方案。 (7) 與有 砟 軌道相比，噪聲和振動高。為了達到減少維修勞力、適應(yīng)高速運營和強化軌道的目的，從 1959 年起就開始研制和試鋪各種類型的少維修無 砟 軌道。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (2)埋入長枕優(yōu)化為短枕，后期澆注混凝土與軌枕之間的裂縫減少。 新建的漢諾威 ~柏林高速線鋪設(shè)了 120km 的 Rheda2020 軌道，而在新建的科隆 ~法蘭克福高速線上，從齊格堡開始約 150km 長的線路上全線鋪設(shè) Rheda2020 無 砟 軌道。從 1977~1996 年，Z220。由于它是在塊枕下設(shè)有橡膠襯墊和套靴以提供高彈性，故能有效地降低地鐵軌道的噪聲和振動。 8）環(huán)保：避免特級道砟開采、水洗破壞環(huán)境和景區(qū)風(fēng)貌。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 設(shè)計參數(shù)： 1. 軌距： 1435mm。 6. 絕緣電阻：扣件系統(tǒng)按 EN131465 進行測試，兩軌間絕緣電阻大于 3Ω 主推無砟軌道類型有： 彈性支承塊無砟軌道 CRTSⅠ型雙塊式 框架式軌道板 客運專線 設(shè)計速度 300km/h~350km/h，原則上全線鋪設(shè)無砟軌道，主推軌道類型有： CRTSⅠ型雙塊式、 CRTSⅡ型雙塊式、 CRTSⅠ型板式、 CRTSⅡ型板式。 ②無砟軌道地段路基在無砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求。 為了確保軌道板混凝土和底座間的粘接，防止橫向荷載和抬升發(fā)生，應(yīng)該在軌枕之間的軌道板的自由邊上安裝直徑為 25mm 的銷釘，每處安裝 4 排， 1 排 5 個銷釘，正常的銷釘是直徑為 25mm 的直螺紋鋼筋，其長度要確保無 砟 軌道內(nèi)有固定的長度，而且要插蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 入隧道內(nèi) 100mm。 計算假定一：軌道結(jié)構(gòu)的上部荷載是通過軌枕以 45176。 德國規(guī)范規(guī)定無 砟 軌道的容許裂 縫寬度為 mm。 （ 2）附屬結(jié)構(gòu) ①連接層應(yīng)進行關(guān)于粘接強度的抗拉、抗剪強度計算和檢算。 ③縱連式無 砟 軌道以 “ 列車豎向設(shè)計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上）＋縱向溫度力 ” 引起的主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，依據(jù)裂紋寬度限值和鋼筋強度限值進行配筋設(shè)計。 ⑤附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算中列車縱向荷載取輪載 的 倍。梁體有限元理論的計算模型如圖所示。這是 Turner, Clough 等人于 1956 年在分析飛機結(jié)構(gòu)時得到的成果。 20 世紀 60 年代早期以前，大多數(shù)有限元工作是處理小應(yīng)變、小位移、彈性材料和靜載荷。 有限元常用術(shù)語簡介 (1)單元 結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格劃分中的每 —— 個小的塊體稱之為單元。例如：在電磁場分析中，載荷是指結(jié)構(gòu)所受的電場和磁場作用；在溫度場分析中，所受的載荷是指溫度本身。通過使用構(gòu)成結(jié)構(gòu)材料已知的應(yīng)力應(yīng)變特性，可以用結(jié)構(gòu)中其他單元的特性確定給定節(jié)點的特性。根據(jù)實際應(yīng)用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點。 步驟 3：定義應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 為了推導(dǎo)每一個有限單元的方程，需要應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 最后得到如下形式的總體矩陣 方程： {F}=[K]{D} 其中 {F}—— 整體節(jié)點力矢量； [K] —— 總體剛度矩陣； {D} —— 總體節(jié)點位移矢量。 在使用有限元程序求解問題時，分析人員必須作出決定的問題是：將結(jié)構(gòu)或連續(xù)體劃分為有限元的問題、選擇單元類型或分析中要使用的單元類型、外加載荷的類型、邊界條件的類型、外加支撐的類型問題，步驟 2— 7 由計算機程序自動完成。 ⑥可處理動態(tài)問題。 ④有限元分析得到的結(jié)果并不是計算機輔助工程的全部，而且一個完整的系統(tǒng)仿真分析不能單獨使用有限元分析來完成，必須結(jié)合其他分析和工程實踐才能完成整個工程仿真設(shè)計。 ④生物力學(xué)工程問題。 (3)增強可視化的前置建橫和后置數(shù)據(jù)處理功能 隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展，整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少，而數(shù)據(jù)準備和運算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。今天，工程師可以在集成的 CAD 和 FEM 軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。 國內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當時 PC 機上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開發(fā)的效果都不甚理想。 該軟件運行于大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng) (如 Windows， UNIX， Linux 和 IRIx 和 HP— UX)。 (2)強大的多場及多場耦合分析求解功能。 (8)具有多層次多框架的產(chǎn)品系列。它為用戶提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，軟件提供了 100 余種單元 類型，用來模擬工程中的各種材料。從網(wǎng)格劃分的功能來講，則包括延伸劃分、映射劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分 4 種方式。載荷步僅僅指可求得解的載荷配置。 完成計算后，可通過后處理模塊將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、云圖顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、 透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可以將結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。用來求解穩(wěn)態(tài)外載荷引起的系統(tǒng)或局部的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和力。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 (6)電磁場分析。 (8)聲場分析?？紤]兩個或多 個物理場之間的相互作用。 3)拓撲優(yōu)化。本功能主要用于鉆 （如 開礦和挖隧道等 )，建筑物施工過程 (如橋梁的建筑過程 )，順序組裝 (如分層的計算機芯片組裝 )和另外一些用戶可以根據(jù)單元位置來方便池激活或不激活它們的一些應(yīng)用中。 (5)用戶蠕變方程 ：允許用戶定義自己的蠕變方程。 (11)用戶載 荷：體載荷如溫度、熱生成和頻率 (中子流 )；面載荷如壓力、對流、熱流和電蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 勢密度等可用子程序定義。它能夠進行結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體動力學(xué)分析，還可以對這四種物理場進行耦合分析，但是不能進行顯式動力學(xué)分析。 (9)ANSYS／ Emag：進行電磁分析。發(fā)展到現(xiàn)在 ,我國常用的無砟軌道有板式軌道、長軌埋入式和彈性支承塊式無砟軌道三種基本型式。 軌道板長 、寬 m、厚 m。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 ANSYS 模型（由于對稱性，采用 1/2 板寬）圖 ANSYS 網(wǎng)格劃分及耦合 荷載作用于板中 和 荷載作用于板端計算結(jié)果 圖 板中受力時縱向及橫向受力圖 圖 板端受力時縱向及橫向受力圖 根據(jù)以上 ANSYS 結(jié)果，計算得到表 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 表 荷載作用于板中和荷載作用于板端計算結(jié)果 項目 荷載作用板中 荷載作用板端 軌道板最大撓度 mm mm 軌道板縱向最大正彎矩 (KN M) 計算結(jié)果分析 有板式軌道力學(xué)計算結(jié)果可知，當荷載作用于板中時，軌道板出現(xiàn)最大縱向正彎矩。當荷載作用于板端時，軌道板出現(xiàn)最大橫向正彎矩。 M) 軌道板縱向最大負彎矩 (KN 鋼軌扣件的支點間距為 m,扣件支點膠墊的彈性系數(shù)為 60 MN/m?，F(xiàn)以普通板式軌道為例 ,把鋼軌、軌道板、扣件、 CA 砂漿層和作用在鋼軌上的荷載視為一個系統(tǒng)。 (10)ANSYS／ LSDYNA：提供顯式計算功能，可解決高度非線性結(jié)構(gòu)動力問題，主要進行模 擬板料成形、碰撞、爆炸、大變形沖擊、材料非線性、多體接觸等計算。 (3)ANSYS／ Structural：可以進行完整的結(jié)構(gòu)分析功能，包括幾何非線性、材料非線性、單元非線性、屈曲分析以及各種動力學(xué)分析?？梢杂盟硭畡恿d荷。程序內(nèi)部沒有熔脹準則。 ANSYS 軟件的開放結(jié)構(gòu)允許連接自己的 FORTRAN 程序和子過程。拓撲優(yōu)化的目標是尋找承受單 荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。例如：在壓電力分析中，需要同時求解電壓分布 (電場分析 )和應(yīng)變 (結(jié)構(gòu)分析 )。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。 (2)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。 (1)通用后處理模塊 (POST1) 通用后處理器可以用于查看整個模塊或選定的部分模塊在某一子步 (時間步 )的結(jié)果。子步是指一個載荷步中增加的步長。求解模塊是程序用來完成對已經(jīng)生成的有限元模型進行力學(xué)分析和有限元求解。 (1)參數(shù)定義 ANSYS 程序在進行結(jié)構(gòu)建模的過程中．首先要對所有被建模的材料進行參數(shù)定義，包括定義單位制、定義所使用單元的類型、定義單元的實常數(shù)、定義材料的持性以及使用材料庫文件，等等。 (9)良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 (3)極為強大的網(wǎng)格處理能力。 ANSYS 是第一個集成計算流體動力學(xué) (CFD)功能，也是唯一包括多物