【導(dǎo)讀】蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

　　

【正文】 車(chē)輛以及鐵路下部結(jié)構(gòu)也要有著充分合理的考慮，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移方面的分析來(lái)對(duì)軌道板進(jìn)行配筋，實(shí)際問(wèn)題需要考慮很多復(fù)雜的因素，但是我們研究的是軌道板在輪對(duì)荷載作用下的受力和位移的情況。所以我們可以忽略很多其他影響很小的因素，只考慮對(duì)軌道板受力和變形有比較大的影響的因素?，F(xiàn)有的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)的分析：它在本質(zhì)上是靜力學(xué)分析和適當(dāng)?shù)膭?dòng)力影響的相結(jié)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 合。 軌道系統(tǒng)包含了多種部件，是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并且是通過(guò)彈性單元的元件來(lái) 連接各個(gè)部件的。本文通過(guò)選用大型通用的有限元軟件 ANSYS 來(lái)進(jìn)行 CRTSⅢ 型板式無(wú)砟軌道模型的建立，目的是為了能夠?qū)壍老到y(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系進(jìn)行更好的反映。 圖 實(shí)體模型 圖 單元模型（網(wǎng)格劃分） 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 單元模型劃分網(wǎng)格左視圖 圖 單元模型劃分網(wǎng)格正視圖 一、 單元的定義 （一）鋼軌 鋼軌是軌道上機(jī)車(chē)運(yùn)行必不可少的組成部分。我們建模時(shí)其單元類(lèi)型我們采用的是BEAM4 單元，也就是使用彈性點(diǎn)支承梁模型來(lái)模擬鋼軌。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 （二）扣件 扣件是連接鋼軌和軌道板的組成部分，主要提供軌道的彈性。建立模型時(shí)我們采用COMBIN14 單元對(duì)其進(jìn)行模擬。 （三）軌道板 因?yàn)檐壍腊宓暮穸认鄬?duì)它的長(zhǎng)度和寬度來(lái)說(shuō)微不足道，所以我們建模時(shí)采用SHELL63 板殼單元對(duì)其進(jìn)行模擬，板殼單元有著很大的優(yōu)點(diǎn)，其比較規(guī)則能夠直接得到其彎矩，對(duì)于我們的計(jì)算有很大的便利。 （四）自密實(shí)混凝土層 在軌道板和支撐層之艱難灌注的混凝土層在 CRTSⅢ 型板式無(wú)砟軌道中使用的是自密實(shí)混凝土層。建模時(shí)我們采用 SHELL63 板殼單元對(duì)其進(jìn)行模擬。 （五）支承層 由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建模時(shí)我們?nèi)匀徊捎玫氖?SHELL63 板殼單元對(duì)其進(jìn)行模擬。 （六）地基 對(duì)于地基我們采用的是實(shí)體單元 SOLID45 對(duì)其進(jìn)行模擬。 （七）單元虛擬連接 我們采用的是接觸對(duì) contact pair 來(lái)進(jìn)行虛擬連接。 二、 荷載工況 本文采用一對(duì)輪對(duì)來(lái)模擬加載，車(chē)輪通過(guò)輪軌與鋼軌的接觸面作用于軌道上的豎向力被稱(chēng)作輪重，也叫作 列車(chē)豎向荷載。根據(jù)輪重作用位置的不同，本文采用以一輪對(duì)的輪重均為 300kN 來(lái)模擬豎向的荷載情況。 三、 計(jì)算結(jié)果 利用上面建立的模型對(duì)其施加 動(dòng)力 荷載 值 進(jìn)行有限元分析 ， 通過(guò)有限元軟件對(duì)模型各個(gè)板塊的選擇，分別 對(duì) 鋼軌位移、 軌道板、支承層的縱橫向的彎矩和位移進(jìn)行 計(jì)算得到 了 軌道板、自密實(shí)混凝土層、支承層的橫縱向的應(yīng)力、彎矩和位移。 對(duì)計(jì)算得到的圖形進(jìn)行匯總，得到了如下圖形。鋼軌位移（軌道位移）如圖 ；軌道板橫向位移如圖 ；軌道板縱向位移如圖 ；混凝土支承層橫向位移如圖；混凝土支承層縱向位移如圖 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 鋼軌位移 圖 軌道板 X軸彎矩 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 軌道板 Z軸彎矩 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 混凝土支承層 X軸彎矩 圖 混凝土支承層 Z軸彎矩 對(duì) 整 個(gè)軌道結(jié)構(gòu)組成部分的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)?表 。 表 軌道結(jié)構(gòu)個(gè)組成部分計(jì)算結(jié)果 軌道部件 計(jì)算指標(biāo) 單位 最大值 軌道板 縱向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 橫向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 豎向位移 最大下沉值 mm 最大上翹值 mm 自密實(shí)混凝土 縱向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 橫向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 豎向位移 最大下沉值 mm 最大上翹值 mm 支承層 縱向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 橫向應(yīng)力 壓應(yīng)力 MPa 拉應(yīng)力 MPa 豎向位移 最大下沉值 mm 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 最大上翹值 mm CRTSⅢ 型 板式無(wú)砟軌道軌道板、支承層的縱橫向 彎矩如下表 。 表 3 . CRTSⅢ 板式無(wú)砟軌道軌道板、支承層的縱橫向彎矩 軌道部件 計(jì)算指標(biāo) 單位 最大值 軌道板 橫軸彎矩 N178。 mm 610? 縱軸彎矩 N178。 mm 610? 支承層 橫軸彎矩 N178。 mm 610? 縱軸彎矩 N178。 mm 610? 四、 溫度應(yīng)力計(jì)算 溫度梯度的應(yīng)力只考慮了受陽(yáng)光照射的最上層板或其他的部件，下層板或部件不考慮他們的翹曲應(yīng)力。比如軌道板、道床板需要考慮溫度梯度的應(yīng)力，砂漿層、底座、支承層等就不需要考慮翹曲應(yīng)力。溫度梯度應(yīng)力要求分別計(jì)算 “ 上熱下冷 ” 和 “ 上冷下熱 ”的兩種情況。為了減化計(jì)算，我們認(rèn)為 “ 上熱下冷 ” 和 “ 上冷下熱 ” 的溫度梯度相同，并且近似認(rèn)為溫度梯度在斷面上按線(xiàn)性分布。溫度梯度值參照我國(guó)鐵路規(guī)范的相關(guān)取值。溫度梯度引起的板的最大翹曲應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的單位寬度彎矩按下面兩式計(jì)算： （ ） （ ） 式中 Ec 為混凝土的彈性模量， αt為混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)， Tg 為混凝土的溫度梯度， h為板的厚度。 溫度梯度引起的翹曲應(yīng)力在折算成彎矩時(shí)應(yīng)乘以折減系數(shù) ，并加入荷載引起的彎矩來(lái)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果 見(jiàn)表 。 表 溫度梯度應(yīng)力 Ec αt Tg h бq Mq MQ 軌道板 16000 1E5 45 支承層 15000 1E5 45 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 第四章 軌道板的配筋 第一節(jié) 軌道板配筋的計(jì)算 對(duì)于軌道板的配筋計(jì)算，本文采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中的容許應(yīng)力法及靜力平衡的方法及相應(yīng)的原則來(lái)配筋。并且認(rèn)為在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中受拉區(qū)只有鋼筋承受拉應(yīng)力，認(rèn)為鋼筋和混凝土的彈性模量在加載過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變化。 據(jù) 混凝土 設(shè)計(jì)原理 A得到的 C50 混凝土 和精軋螺紋預(yù)應(yīng)力筋及普通筋 HRB335 的參數(shù)為： sdf = 280 N/mm2 ， cdf = N/mm2 ， pdf = 650 N/mm2 ， pkf =540 N/mm2 。 第二節(jié) 軌道板設(shè)計(jì)荷載彎矩值的確定 可以將軌道板的設(shè)計(jì)彎矩值近似的等于有限元軟件 ANSYS模型模擬軌道板計(jì)算 得到的彎矩值加上溫度梯度引起的彎矩。 軌道板 X軸的彎矩： Qcuxx MMM ?? 666 . 4 9 8 ?????? Nmm 軌道板 Y軸的彎矩： Qcuyy MMM ?? 666 ?????? Nmm 第三節(jié) 軌道板縱向配筋計(jì)算 一、 軌道板采用的混凝土及鋼筋 軌道板采用 C50 高強(qiáng)混凝土，采用精軋螺紋鋼筋配置軌道板的預(yù)應(yīng)力筋，非預(yù)應(yīng)力筋采用 HRB335 配筋。 二、 軌道板預(yù)應(yīng)力筋的配筋 已知： sdf = 280 N/mm2 ， cdf = N/mm2 ， pdf = 650 N/mm2 ， pkf =540 N/mm2 ； 假設(shè) sa =60mm， c =40mm 則 ??? sahh0 190–60=130mm 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 取 ??? 0hbx ? ? 130= mm 取 con? ? ， pkf ??? N/mm2 1? %30%30 ????? c o n? N/mm2 pe sah ?? 2/ = 190/260=35 mm xAA? = 2500? 190 = 475000 mm2 xx AbhI ??? 23 xh12/ ）（ =? 109 mm4 ??? )2//( hIWW xx ? 106 mm3 軌道板的縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足： )1( WeAWMNpspe?? 式中 peN — 使用階段預(yù)應(yīng)力鋼筋永存應(yīng)力的合力； sM — 按作用（或荷載）短期效應(yīng)組合計(jì)算的彎矩值； A 、 W — 構(gòu)件混凝土全截面和對(duì)抗裂邊緣的彈性抵抗矩； pe — 預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力作用點(diǎn)至混凝土截面重心軸的距離。 求得 peN ? ? 106 N 取 peN = 610? 所需要的預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積如下： 1?? ??conpepx NA 求得 pxA = mm2 取預(yù)應(yīng)力筋的直徑 d=18 mm ，則鋼筋的根數(shù)為 4/2dAn px???= 2 為了安全考慮，預(yù)留足夠的應(yīng)力，選取 n = 4 則 pxA = 4? ? ? d2/4 = ? ? 182 = 1018 mm2 預(yù)應(yīng)力筋的布置方式為：混凝土兩側(cè)邊到預(yù)應(yīng)力筋的最小凈間距為 405mm ，預(yù)應(yīng)力筋之間的凈間距分別為 400mm， 818mm 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 三、 縱向非預(yù)應(yīng)力筋的配筋 由 xbfAAfAf cdPpdssd ??????? 式中 sdf — 普通鋼筋 HRB335 抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； sA — 受拉鋼筋面積； pdf — 精軋螺紋鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； pA — 預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積； cdf — C50 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 。 得 sA ? 則 5 5 22/ 1 1 0 42/ ??SA mm2 查表，選取 HRB335 筋為 2215? ，取兩側(cè)的保護(hù)層厚度為 40mm，則鋼筋間的凈間距為： s=(250040? 215? 12)/14=。 并且要求軌道板截面對(duì)稱(chēng)配筋，所以軌道板采用雙筋，上下層的配筋方式相同。 四、 配置箍筋 箍筋按構(gòu)造要求配置，即應(yīng)滿(mǎn)足最大間距及最小直徑的構(gòu)造要求： 查表知， 150＜ h＜ 300，所以選取箍筋最大間距為 150mm， h＜ 800，所以箍筋選擇最小直徑 6d? mm。 第四節(jié) 軌道板橫向配筋計(jì)算 一、 軌道板采用的混凝土及鋼筋 軌道板采用 C50 高強(qiáng)混凝土，采用精軋螺紋鋼筋配置軌道板的預(yù)應(yīng)力筋，非預(yù)應(yīng)力筋采用 HRB335 配筋。 二、 軌道板橫向預(yù)應(yīng)力筋的配筋 查表知： sdf =280 N/mm2， cdf = N/mm2 ， pdf =650 N/mm2 ， pkf = 540 N/mm2 ； 假設(shè) as=60 mm， c =40mm 則 sahh ??0 =19060=130 mm 取 ?x 0hb?? =? 130 = mm 取 ?? pkcon ? ? 540 = 432 N/mm2 1? = 30% con?? =30%? 432 = N/mm2 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 sp ahe ?? 2/ =190/260=35mm yAA? =5350? 190=1016500mm2 ????? yy AxhbhI 23 )(12/ ? 109 mm4 )2//(hIWW xy ?? =? 106 mm3 軌道板的橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足： )1( WeAWMNpspe?? 求得 ?peN ? 10