土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)板式無砟軌道設(shè)計(jì)計(jì)算

板式無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算1.無砟軌道的介紹1.1技術(shù)發(fā)展概況國內(nèi)概況我國鐵路曾于20世紀(jì)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。50年代又在沈吉線水簾洞隧道鋪設(shè)了預(yù)埋長木枕混凝土道床軌道。60年代以后，隨著山區(qū)鐵路的修建，先后在成昆線、京原線、京通線、南疆線等隧道內(nèi)鋪設(shè)了剛性支承塊式混凝土整體道床軌道，總延長約300km。并于1984年編制了適用于各類圍巖鋪設(shè)的通用設(shè)計(jì)圖。與此同時(shí)，還在鐵路站場、港口碼頭等地段土路基上鋪設(shè)了經(jīng)改進(jìn)的整體道床軌道。80年代初，還曾在皖贛線溶口隧道內(nèi)首次鋪設(shè)了類似日本的乳化瀝青水泥砂漿墊層式板式軌道。90年代以來，在京九線九江長江大橋引橋（長7km）上鋪設(shè)了無砟無枕軌道。在寶天線白清隧道和西安線秦嶺特長雙線隧道（長18.4km）鋪設(shè)了彈性支承塊式混凝土道床軌道。迄今為止，運(yùn)用效果良好。本世紀(jì)初以來，為適應(yīng)鐵路運(yùn)輸行車速度的不斷增長，又相繼在秦沈客運(yùn)專線雙何曲線特大橋（長740m）和狗河特大橋（長741m）上鋪設(shè)了板式軌道，沙河特大橋（長692m）上鋪設(shè)了枕式無砟軌道。在西康線秦嶺隧道、蘭武線烏鞘嶺特長隧道（長20.5km）等修建彈性支承塊式無砟軌道。在渝懷線魚嘴二號(hào)碎（長710m）內(nèi)試鋪了枕式無砟軌道。在贛龍線楓樹排隧道（長790m）內(nèi)試鋪了減振型板式無砟軌道。2004年初，國務(wù)院批準(zhǔn)了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了鐵路網(wǎng)建設(shè)的藍(lán)圖。為迎接國務(wù)院已批準(zhǔn)的武廣、鄭西、石太、京津、合寧、合武、溫福、福廈、甬溫9條鐵路客運(yùn)專線建設(shè)高潮的到來，實(shí)現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展，到2010年客運(yùn)專線達(dá)到4000km，到2020年達(dá)到10000km的目標(biāo)，必須樹立堅(jiān)持部黨組提出的“以人為本、服務(wù)運(yùn)輸、強(qiáng)本簡末、系統(tǒng)優(yōu)化、著眼發(fā)展”的建設(shè)新理念。以此為契機(jī)，目前全路科研、設(shè)計(jì)、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。高速客運(yùn)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。剛性支承塊整體道床我國早在五十年代就曾開始鋪設(shè)隧道內(nèi)整體道床，其主要結(jié)構(gòu)形式是隧道內(nèi)的砼支承塊式整體道床，至今，統(tǒng)計(jì)累計(jì)鋪設(shè)了約300余公里。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于現(xiàn)場制造和施工。當(dāng)隧道基底堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定時(shí)軌道的穩(wěn)定性好，道床美觀整潔，軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量可減少50％～70％。國內(nèi)60年代到80年代修建的整體道床至今仍有相當(dāng)一部份在運(yùn)營中表現(xiàn)良好。但也有不少隧道內(nèi)的整體道床在運(yùn)營中出現(xiàn)了難以修復(fù)的病害，較嚴(yán)重的不得不拆除改為普通有砟軌道?？偨Y(jié)以往剛性整體道床的運(yùn)用過程存在以下問題：（1）軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏弱，剛度偏大，彈性不足，結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力增大，易形成疲勞破壞；如：發(fā)生支承塊松動(dòng)，支承塊擋肩破壞，扣件斷裂等現(xiàn)象。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(gè)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。在整體道床發(fā)展前期，造成設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏弱和標(biāo)準(zhǔn)偏低的重要原因是對軌道動(dòng)力作用認(rèn)識(shí)不足和鐵路建設(shè)資金缺乏。（2）道床澆注前或隧道鋪底前，基底浮砟及異物清理不徹底，運(yùn)營后使道床砼板下不實(shí)，產(chǎn)生破壞。（3）施工機(jī)械化水平低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，進(jìn)度慢，軌道幾何精度不好，質(zhì)量難以保證。（4）運(yùn)營中當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生病害時(shí)，不易修復(fù)，影響了行車安全。彈性整體道床這是一種低振動(dòng)無砟軌道結(jié)構(gòu)，是由鋼軌及其扣件、塊下膠墊、橡膠靴套、混凝土道床板及混凝土底座等組成。1995年-2000年，由鐵一院主持、鐵科院、大興鐵道建筑設(shè)計(jì)院、等多家單位參與的“彈性整體軌道結(jié)構(gòu)及施工工藝和機(jī)具的研究”科研項(xiàng)目。課題研究的主要內(nèi)容如下：課題研究內(nèi)容主要含有四個(gè)子課題和兩個(gè)試驗(yàn)段，四個(gè)子課題為：（1）彈性整體道床結(jié)構(gòu)及施工和鋪設(shè)技術(shù)條件的研究。（2）彈性整體道床的彈性可調(diào)式扣件研究。（3）超長無縫線路長鋼軌一次鋪設(shè)工藝及機(jī)具的研究。（4）彈性整體道床施工工藝及機(jī)具設(shè)備的研究。兩個(gè)試驗(yàn)段為：（1）隴海線寶天段白清隧道彈性整體道床結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段。（2）西安安康線大瓢溝隧道彈性整體道床施工工藝及機(jī)具設(shè)備試驗(yàn)段。長軌枕埋入式無砟軌道長軌枕埋入式無砟軌道主要是由整體式穿孔混凝土枕和現(xiàn)場灌注的混凝土道床來組成。它包括鋼軌及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。這種無砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是堅(jiān)固、耐久、可靠、幾何形位不易變動(dòng)，維修工作量小，具有軌道少維修的功能。并已成功鋪設(shè)在秦沈客運(yùn)專線沙河特大橋上和渝懷線魚嘴二號(hào)隧道內(nèi)。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(yùn)量和行車密度都低于正線標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)指出，在土路基上鋪筑無砟軌道，由于土路基的承載能力較低，又對動(dòng)載荷和水浸蝕反應(yīng)敏感，因此，必須特別重視對地基的加強(qiáng)處理和排水設(shè)施的良好設(shè)置。近年來，無砟軌道的應(yīng)用，在國外高速鐵路上發(fā)展很快，特別是在德國新建高速線上連續(xù)長區(qū)段幾乎全線鋪設(shè)了Rheda-2000無砟軌道。為此，我國鐵路已擬在遂渝線和武廣線上鋪設(shè)連續(xù)成段無砟軌道綜合試驗(yàn)段，積累工程技術(shù)儲(chǔ)備以適應(yīng)今后時(shí)速200km客貨共線和時(shí)速300km高速鐵路建設(shè)的需要。（1）支承塊式混凝土道床無砟軌道這種土路基上混凝土道床軌道的基本特征是，在經(jīng)過碾壓密實(shí)的路基上先鋪墊一定厚度（15～25cm）的砂夾碎石墊層加強(qiáng)，或采取樁基加強(qiáng)對策，然后灌注混凝土道床，道床又有單層和雙層之分。單層道床為厚35cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C30混凝土，雙層道床下層為寬350cm、厚30cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C15混凝土，上層為寬250cm、厚27cm的C25混凝土，支承塊采用C40鋼筋混凝土。（2）寬枕瀝青混凝土道床無砟軌道（3）承軌臺(tái)式混凝土道床板鋪裝無砟軌道1.2國外概況日本情況日本自1965年開始研發(fā)新型少維修軌道，在研發(fā)中曾提出過種種結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)過方案比選，考慮到預(yù)制混凝土板在制造上容易保證精度，又可在板下與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置可供調(diào)整的緩沖墊層，又能滿足控制成本、快速施工、可維修性和軌道強(qiáng)度、彈性保持與有砟軌道等同水平等要求，因此，把這種結(jié)構(gòu)形式取名為“板式軌道”。其研發(fā)目的是減少軌道維修，以節(jié)省人力、物力、財(cái)力，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和耐用的目標(biāo)。見圖1.1。圖1.1日本在高架橋上、隧道內(nèi)等堅(jiān)固基礎(chǔ)上大量鋪設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)定型的A型板式軌道，目前正在研制試鋪各種型式的減振降噪板式軌道，G型防振板式軌道已標(biāo)準(zhǔn)定型。在土路基上試鋪有RA型板式軌道和板式道岔，還試鋪有Cc型板式軌道、B型、E型和C型鋪裝軌道，以及框架軌道和梯型軌道等。以往，日本高速鐵路土路基上主要鋪設(shè)的是瀝青混凝土道床寬枕（LPC枕）無砟軌道。近年來，又在試鋪水泥混凝土道床板式無砟軌道。1）RA型板式軌道RA型板式軌道結(jié)構(gòu)，它是由鋼軌、鋼軌扣件、軌道板、CAM（水泥瀝青砂漿）填充層和瀝青混凝土基床等部分構(gòu)成的。為能在土路基上或既有高架橋上鋪設(shè)，不采用凸形擋臺(tái)法阻止板的縱橫向移動(dòng)，而采用在板底作凹槽的方法，利用其與CAM之間的阻力阻止板的移動(dòng)?？梢?，這種軌道是用瀝青混凝土基床強(qiáng)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(hù)維修周期。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。它是由砂層、下部鋪裝（由級(jí)配碎石層、礦渣層、水泥穩(wěn)定處理層或?yàn)r青中間層組成的強(qiáng)化路基）、鋼筋混凝土底座、乳化瀝青水泥砂漿層（CAM）、Ａ型軌道板、鋼軌扣件和鋼軌等構(gòu)成的。這種軌道的特點(diǎn)是：(1)可以使用在高架橋上和隧道內(nèi)等剛性基礎(chǔ)上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)Ａ型軌道板。(2)由于采用抗彎剛度大的混凝土底座，可以提高荷載的分散傳遞效果。(3)與瀝青系材料相比，溫度敏感性低，耐久性優(yōu)。(4)與瀝青鋪裝施工時(shí)可采用道路工程鋪裝用的大型施工機(jī)械相比，施工效率降低了，并且需要較長的養(yǎng)生時(shí)間。(5)工程建設(shè)費(fèi)高于瀝青鋪裝軌道。(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。(7)與有砟軌道相比，噪聲和振動(dòng)高。關(guān)于工程建設(shè)費(fèi)，如考慮其使用壽命期限內(nèi)的全部費(fèi)用（建設(shè)費(fèi)＋維修費(fèi)＋管理費(fèi)），未必就不經(jīng)濟(jì)。關(guān)于噪聲和振動(dòng)，可根據(jù)地基承載力的情況，視需要采取減振降噪技術(shù)對策。關(guān)于提高施工效率和混凝土收縮裂紋也可采取相應(yīng)對策。3）框架式板式軌道（圖1.2）圖1.2框架式板式軌道結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可以克服因溫度變化引起的板的翹曲,防止CA砂漿損壞,減少維修量;(2)減少板的體積和重量及CA砂漿用量,降低生產(chǎn)成本和運(yùn)費(fèi),獲得更好的經(jīng)濟(jì)性;(3)改善施工性能,板下CA砂漿充填質(zhì)量更加均勻等。(4)緩和溫度應(yīng)力德國情況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。為了達(dá)到減少維修勞力、適應(yīng)高速運(yùn)營和強(qiáng)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。上世紀(jì)70年代，首先在希爾舍特（Hirschaid）車站試鋪了3種類型的無砟軌道。隨后又在雷達(dá)（Rheda）車站和厄爾德（Oelde）車站試鋪了2種無砟軌道。1977年在慕尼黑試驗(yàn)線上又試鋪了6種新型無砟軌道。自從1972年在比勒費(fèi)爾德-哈姆間的Rheda車站土路基上鋪設(shè)整體式軌枕混凝土道床無砟軌道以來，又相繼試鋪了各種水泥混凝土道床和瀝青混凝土道床無砟軌道。經(jīng)過多年在土路基上、高架橋上和隧道內(nèi)的試鋪試驗(yàn)，不斷完善、改進(jìn)、優(yōu)化，形成了德國鐵路運(yùn)用較為普遍的無砟軌道系列，并于1989年基本定型并統(tǒng)稱為Rheda軌道。德國Rheda無砟軌道系統(tǒng)，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)Rheda軌道形式→RhedaSengeberg軌道形式→Rheda軌道BerlinHST形式→Rheda-2000軌道形式的發(fā)展過程如下圖1.3:圖1.32）Rheda2000無砟軌道的特點(diǎn)(1)與普通型軌道相比，軌頂?shù)剿残曰炷辽媳砻娴木嚯x減少到473毫米，軌道板各層的厚度累計(jì)減少了177毫米，在軌距不變的前提下，軌枕全長2.6米減少到2.3(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。(3)對土質(zhì)路基、橋梁、高架橋、隧道、道岔區(qū)段以及減振要求區(qū)段，可以采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)類型，技術(shù)要求、標(biāo)準(zhǔn)相對單一，施工質(zhì)量容易控制，更適應(yīng)于高速鐵路。(4)槽型板的取消，使得軌道混凝土承載層的灌注混凝土的搗固作業(yè)質(zhì)量易于保證。(5)兩軌枕塊之間用鋼筋桁梁連接，軌距保持穩(wěn)定。(6)表面簡潔、平整，美觀漂亮。1972-1988年鋪設(shè)無砟軌道25處，延長19km，1989-1997年又鋪設(shè)無砟軌道22處，延長188km，遍及土路基、橋梁和隧道工程結(jié)構(gòu)。至1997年，已鋪設(shè)Rheda無砟軌道約207km。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。新建的漢諾威~柏林高速線鋪設(shè)了120km的Rheda-2000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)Rheda-2000無砟軌道。紐倫堡-英格爾城高速新線亦鋪設(shè)Rheda-2000無砟軌道。德國鐵路規(guī)定試鋪的無砟軌道要經(jīng)過5年的運(yùn)營考驗(yàn)后經(jīng)批準(zhǔn)才能正式使用。1996年，德國聯(lián)邦鐵路局（EBA）批準(zhǔn)：——5種無砟軌道結(jié)構(gòu)可以使用——10種無砟軌道結(jié)構(gòu)可進(jìn)行運(yùn)營試驗(yàn)在已批準(zhǔn)可以使用的5種無砟軌道結(jié)構(gòu)中，有3種是水泥混凝土道床承載層（BTS），2種是瀝青混凝土道床承載層（ATS）。10種批準(zhǔn)試鋪的無砟軌道結(jié)構(gòu)中，有7種采用BTS，3種采用ATS承載層。3）ZüBLIN無砟軌道它類似Rheda軌道，是在新灌注的混凝土道床層上用特殊施工機(jī)械施加振動(dòng)，以使軌枕被安置在所規(guī)定的位置上。機(jī)械化施工性能雖優(yōu)，但當(dāng)超高超過150mm時(shí)，會(huì)引起施工困難。從1977~1996年，ZüBLIN無砟軌道已鋪設(shè)總延長18km。4）博格板式軌道（1）路基上博格板式軌道結(jié)構(gòu)組成路基上博格無砟軌道由Vossloh300型彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層及水硬性材料支承層等部分組成。（2）長橋上無砟軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成由Vossloh300型彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座板、滑動(dòng)層、側(cè)向擋塊等部分組成，臺(tái)后路基上設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板，梁縫處設(shè)置長3m，厚度50mm的硬泡沫塑料板英國鐵路無砟軌道PACT（PavedConcreteTrack）軌道為英國1969年研制、試鋪，1973年正式使用的高速、重載少維修無砟軌道，簡稱PACT軌道。它是在就地灌注的鋼筋混凝土道床上直接聯(lián)結(jié)鋼軌，軌底與道床板之間設(shè)有連續(xù)帶狀橡膠墊板，連續(xù)支承鋼軌。這種軌道已被英國、西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國廣泛用于大軸重高速客運(yùn)專線的隧道內(nèi)和橋梁結(jié)構(gòu)上，鋪設(shè)總延長約為80km。法國鐵路無砟軌道STEDEF雙塊式軌枕無砟軌道為法國雙塊式軌枕混凝土道床無砟軌道，簡稱STEDEF軌道，類似瑞士LVT、英國LVT軌道。主要用于隧道內(nèi)，特別是地鐵軌道。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(dòng)。1.3我國無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新概況再創(chuàng)新工作的總體目標(biāo)在前期科研成果和引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新；研發(fā)無砟軌道設(shè)計(jì)、制造、施工等成套技術(shù)及裝備，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和施工效率優(yōu)于引進(jìn)技術(shù)，總體性能不低于國外無砟軌道系統(tǒng)。再創(chuàng)新工作的具體內(nèi)容1）國內(nèi)外無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)及無砟軌道結(jié)構(gòu)選型（1）Rheda2000型無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)（2）Zublin型無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)（3）Bogl型板式無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)（4）日本板式無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)（5）我國無砟軌道前期試驗(yàn)研究成果總結(jié)2）我國客運(yùn)專線無砟軌道結(jié)構(gòu)選型報(bào)告（1）無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法（2）無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求及設(shè)計(jì)圖，包括：路基（含樁板路基）、橋涵、隧道、岔區(qū)、過渡段等基礎(chǔ)上的無砟軌道結(jié)構(gòu)。（3）無砟軌道結(jié)構(gòu)對線下基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求（4）無砟軌道預(yù)制件設(shè)計(jì)圖、制造技術(shù)要求及成套裝備（5）無砟軌道施工工藝及成套裝備3）客運(yùn)專線無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)（1）橋上無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)（2）路基上無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)（3）隧道內(nèi)無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)（4）岔區(qū)無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)(5）過渡段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)（6）無砟軌道結(jié)構(gòu)預(yù)制件設(shè)計(jì)技術(shù)（7）無砟軌道與站后工程的接口設(shè)計(jì)技術(shù)4）客運(yùn)專線無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)技術(shù)（1）橋上無砟無縫線路設(shè)計(jì)技術(shù)（含區(qū)間、岔區(qū)）（2）無縫線路關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)技術(shù)（含伸縮調(diào)節(jié)器、絕緣接頭、凍結(jié)接頭）（3）無砟無縫線路鋪設(shè)技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備研制5）客運(yùn)專線無砟軌道工程材料的試驗(yàn)研究（1）路基上無砟軌道水硬性支承層材料的研制（2）路基面瀝青防水層材料的研制（3）無砟軌道吸音板材料的研制（4）板式軌道凸形擋臺(tái)填充樹脂材料的研制（5）過渡段道砟粘結(jié)材料的研制（6）橋上隔離層及橡膠墊層的研制(7）減振型板式軌道橡膠墊層的研制（8）硬質(zhì)泡沫塑料板的研制（9）道床板及底座混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化（10）錨固銷釘及錨固材料的研制6）客運(yùn)專線板式軌道CA砂漿及成套裝備的研制（1）瀝青乳劑的研制（2）CA砂漿原材料要求及配合比設(shè)計(jì)（3）CA砂漿施工工藝及成套設(shè)備的研制（4）CA砂漿注入袋的研制(5）CA砂漿調(diào)整層修補(bǔ)技術(shù)7）客運(yùn)專線無砟軌道制造、檢測技術(shù)及成套裝備的研制（1）混凝土軌道板制造工藝及成套設(shè)備的研制（2）雙塊式軌枕制造工藝及成套設(shè)備的研制（3）桁架式岔枕制造工藝及成套設(shè)備的研制8）客運(yùn)專線無砟軌道施工、檢測技術(shù)及成套裝備的研制（1）板式軌道施工工藝及成套設(shè)備的研制（2）雙塊式無砟軌道施工工藝及成套設(shè)備的研制（3）岔區(qū)無砟軌道施工工藝及成套設(shè)備的研制2.無砟軌道設(shè)計(jì)2.1無砟軌道的技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)分析1）強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長，有砟軌道20年，無砟軌道60年。2）幾何平順性好，保持能力強(qiáng)，技術(shù)速度更高3）維修量小，養(yǎng)護(hù)人員少，簡化養(yǎng)護(hù)維修體制，無需大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械4）橫向穩(wěn)定性好，可以設(shè)置較大的曲線超高，可減小線路曲線半徑，使線路選線具有較大的靈活性。5）縱向穩(wěn)定性提供更好的防爬能力，可使線路設(shè)計(jì)更大的縱坡，適應(yīng)地形好，節(jié)省工程費(fèi)。6）軌道高度降低，節(jié)省隧道空間，降低橋梁二期恒載，相應(yīng)降低相關(guān)工程費(fèi)。7）特別適合在高速客運(yùn)專線和長大隧道內(nèi)修建，技術(shù)性先進(jìn)、節(jié)省維修量，速度目標(biāo)值可靠。8）環(huán)保：避免特級(jí)道砟開采、水洗破壞環(huán)境和景區(qū)風(fēng)貌。缺點(diǎn)分析1）對路基穩(wěn)定性和沉降值要求高（客專15～20mm），基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高。目前京津城際路基下沉最大47mm，預(yù)測還將發(fā)生30mm。2）造價(jià)是有砟軌道1.5～2.5倍，但全壽命經(jīng)濟(jì)效益仍優(yōu)于有砟軌道。3）軌道一旦破壞，修復(fù)難度較大。2.2國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)確定的無砟軌道種類適用性目前標(biāo)準(zhǔn)參考圖編制種類：彈性支承塊式CRTSⅠ型雙塊式CRTSⅡ型雙塊式CRTSⅠ型板式CRTSⅡ型板式扣件預(yù)埋鐵座式彈性可調(diào)扣件可調(diào)式彈性扣件是為秦嶺特長隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道上使用而研發(fā)的。它是一種預(yù)埋鐵座、無擋肩、不分開、可調(diào)式彈條扣件。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。其主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)參數(shù)：1.軌距：1435mm。2.軌底坡：在鐵墊板上設(shè)置1:40軌底坡。3.鋼軌縱向阻力：一般地段大于9kN（每組扣件），小阻力地段為4kN（每組扣件）。4.節(jié)點(diǎn)剛度：A型：墊板靜剛度為20～30kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)靜剛度為35kN/mm。B型：墊板靜剛度為30～40kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)靜剛度為50kN/mm。5.疲勞性能：扣件系統(tǒng)按EN13146-4進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后零部件無傷損，軌距擴(kuò)大小于6mm，且扣壓力變化≤20%、鋼軌縱向阻力變化≤20%、節(jié)點(diǎn)靜剛度變化≤25%。（試驗(yàn)荷載參數(shù)：Pv/cosα=70kN，L/V=0.50，α=26°，X=15mm）。6.絕緣電阻：扣件系統(tǒng)按EN13146-5進(jìn)行測試，兩軌間絕緣電阻大于3Ω·km，并滿足軌道電路的要求。7.惡劣環(huán)境條件影響：扣件系統(tǒng)經(jīng)EN13146-6所述300h鹽霧試驗(yàn)之后，用手工拆卸工具能順利拆卸。8.鋼軌左右位置調(diào)整量：單股鋼軌左右位置調(diào)整量：-6～+6mm；軌距調(diào)整量：-12～+12mm，連續(xù)無級(jí)調(diào)整。9.鋼軌高低位置調(diào)整量：30mm，調(diào)整級(jí)別為1mm，采用充填式墊板可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整。10.彈條扣壓力及彈程：W1型彈條：扣壓力大于9kN，彈程14mm；X2型彈條：扣壓力6kN，彈程12mm。11.預(yù)埋套管抗拔力：不小于100kN。2.3無砟軌道的適用范圍客貨混運(yùn)線設(shè)計(jì)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。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(yùn)專線設(shè)計(jì)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。其中溫暖地區(qū)CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，寒冷地區(qū)可考慮分塊式單元結(jié)構(gòu)；CRTSⅠ型板式溫暖地區(qū)可采用框架式，寒冷地區(qū)可采用大板，目前不主張?jiān)诤涞貐^(qū)采用CRTSⅡ型連續(xù)板（博格）。城際鐵路設(shè)計(jì)速度250km/h，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，其余路基地段以有砟軌道為主。主推無砟軌道類型有：CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅠ型板式。2.4無砟軌道設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)解決的問題及目標(biāo)值1）軌道強(qiáng)度、材料耐久性指標(biāo)60年、氣候條件——道床厚度、配筋率、道床裂縫寬度、鋼筋保護(hù)層厚度——軌道部件種類2）軌道彈性指標(biāo)：合理范圍20~60kN/mm，主要靠扣件膠墊實(shí)現(xiàn)，板式軌道CAM僅能提供部分緩沖作用。3）施工方法、進(jìn)度指標(biāo)4）維修性指標(biāo)5）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)設(shè)計(jì)選型結(jié)構(gòu)選型原則（1）結(jié)構(gòu)形式與速度、軸重、運(yùn)量匹配（2）技術(shù)成熟（3）可施工性好（4）經(jīng)濟(jì)性好設(shè)計(jì)接口1）線路與超高接口線路曲線半徑與外軌超高關(guān)聯(lián)，由于無砟軌道橫向穩(wěn)定性更好，可以使曲線超高更大些，因此使線路曲線半徑更小。2）路基與排水接口（1）路基沉降：我國時(shí)速300-350公里暫規(guī)：①有砟軌道路基工后沉降量不應(yīng)大于5cm，沉降速率應(yīng)小于2cm/年。橋臺(tái)臺(tái)尾過渡段路基工后沉降量不應(yīng)大于3cm。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。工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15mm；沉降比較均勻、長度大于20m的路基，允許的最大工后沉降量為30mm，并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)能滿足下列要求：Rsh≥0.4沉降值——15mm德國擬合豎曲線理論：德國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)RIL836規(guī)定：無砟軌道結(jié)構(gòu)的總殘余沉降量SR應(yīng)滿足1要求，個(gè)別特殊情況應(yīng)滿足2要求。1、無砟軌道施工以后的最大總殘余沉降量SR應(yīng)不超過軌道的最大調(diào)整余量減去5mm。在長度大于20m的均勻沉降路段，結(jié)構(gòu)的殘余沉降量最大不應(yīng)超過2倍修正調(diào)節(jié)量。該調(diào)節(jié)量最大不超過20mm，修正調(diào)節(jié)量為15mm，其中5mm的差是為了抵消火車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的沉降。2、個(gè)別特殊情況，結(jié)構(gòu)的總殘余沉降量可以調(diào)整至6cm，前提是根據(jù)列車行駛動(dòng)力學(xué)原理Ra0.4ve2，對線路長的落差值采取一定的過渡措施。3）隧道接口沉降縫處理：不同結(jié)構(gòu)縫處軌道設(shè)置斷縫；山區(qū)圍巖穩(wěn)定是可不設(shè)斷縫。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(jìn)行處理。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(gè)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，而且要插入隧道內(nèi)100mm。隧道結(jié)構(gòu)相鄰單元之間的沉降差不能超過3mm。在施工和運(yùn)營過程中都必須嚴(yán)格監(jiān)控有可能產(chǎn)生沉降差的結(jié)構(gòu)縫，以便于及時(shí)調(diào)整沉降差。在特殊情況下，如果隧道結(jié)構(gòu)允許的話，沉降差也可以大于3mm。在此處，混凝土底板和道床板中都要斷開設(shè)置。在結(jié)構(gòu)縫處沒有設(shè)置活動(dòng)連接的軌道結(jié)構(gòu)單元，應(yīng)采取必要的措施，以避免兩層混凝土結(jié)構(gòu)之間互相粘連，以及由于下部結(jié)構(gòu)的變形而加劇上部道床板裂縫的發(fā)展。當(dāng)沉降差在0～3mm范圍時(shí)，需在道床板內(nèi)配附加鋼筋，且在混凝土底板和道床板之間要設(shè)置PE膜作為隔離層；當(dāng)沉降差大于3mm時(shí)，應(yīng)將混凝土底板和道床板斷開設(shè)置，且在混凝土底板和道床板之間設(shè)置PE膜作為隔離層。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2.5無砟軌道結(jié)構(gòu)檢算2.5.1國外情況（1）Zublin無砟軌道設(shè)計(jì)原理及計(jì)算方法計(jì)算模型和假定:結(jié)構(gòu)計(jì)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。計(jì)算假定一：軌道結(jié)構(gòu)的上部荷載是通過軌枕以45°角向下傳遞的。計(jì)算假定二：道床板混凝土處于未開裂狀態(tài)。另外，雙塊式軌枕與道床板整體澆筑在一起，這保證了荷載的橫向傳遞，所以不用額外對結(jié)構(gòu)橫向的抗彎承載力進(jìn)行分析。也就是說，鋼軌下部的混凝土承重結(jié)構(gòu)主要是受沿軌道縱向的彎矩作用，設(shè)計(jì)時(shí)可以簡化成“彈性地基梁”。無砟軌道設(shè)計(jì)是基于德國鐵路要求(AKFF)和Eisenmann教授和Leykauf教授的理論。德國AKFF規(guī)定配筋率為0.8到0.9%，鋼筋須設(shè)在軌道板的中間位置附近。在裂縫處，鋼筋確保荷載從一邊轉(zhuǎn)移到另一邊，同時(shí)保證了裂縫寬度的在限值之內(nèi)，以保護(hù)鋼筋免受腐蝕。德國規(guī)范規(guī)定無砟軌道的容許裂縫寬度為0.5mm。（2）橋上無砟軌道設(shè)計(jì)原理及計(jì)算方法設(shè)計(jì)原理同路基上無砟道岔與長橋上無砟軌道，特別考慮了下列因素的影響：橋梁撓曲變形的影響；橋上無縫線路附加縱向力的影響；2.5.2國內(nèi)檢算方法概況1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算使用年限（1）無砟軌道的設(shè)計(jì)與檢算采用容許應(yīng)力法。（2）按我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，設(shè)計(jì)壽命為50年的稱為半永久性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命為100年的稱為永久結(jié)構(gòu)，并沒有與設(shè)計(jì)壽命60年(如德國采用的設(shè)計(jì)使用壽命)對應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)要求。因此我國無砟軌道在設(shè)計(jì)中建議按使用壽命50年考慮，以方便在耐久性設(shè)計(jì)中參照有關(guān)規(guī)范。2）計(jì)算檢算范圍（1）主體結(jié)構(gòu)①軌道板、道床板、底座應(yīng)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)及強(qiáng)度、裂紋、疲勞等檢算。②砂漿層應(yīng)進(jìn)行抗拉壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度檢算。③彈性墊層應(yīng)進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)度檢算并依據(jù)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的老化特性進(jìn)行選材。④支承層在設(shè)計(jì)中納入計(jì)算，但不進(jìn)行檢算。（2）附屬結(jié)構(gòu)①連接層應(yīng)進(jìn)行關(guān)于粘接強(qiáng)度的抗拉、抗剪強(qiáng)度計(jì)算和檢算。②凸形擋臺(tái)、底座上的凸形限位臺(tái)、底座側(cè)面的限位器等應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和檢算。③限位銷釘應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和檢算，還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度檢算。④道床板與底座間的隔離層、底座板與橋梁面板間的滑動(dòng)層應(yīng)依據(jù)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行選材或檢算。⑤縱連式無砟軌道的端部限位臺(tái)座及與橋梁連接的傳力結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和檢算。⑥其他附屬結(jié)構(gòu)根據(jù)需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算或檢算，必要時(shí)進(jìn)行疲勞檢算。3）結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容與荷載組合（1）主體結(jié)構(gòu)中的軌道板、道床板、底座①所用材料的性能應(yīng)按設(shè)計(jì)壽命50年，依據(jù)國標(biāo)GB50010-2002中關(guān)于耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。②單元式無砟軌道以“列車豎向設(shè)計(jì)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(jìn)行配筋設(shè)計(jì)及裂縫寬度檢算。③縱連式無砟軌道以“列車豎向設(shè)計(jì)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(qiáng)度限值進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。④以“列車豎向準(zhǔn)靜態(tài)檢算荷載＋溫度梯度＋縱向溫度力＋基礎(chǔ)變形＋混凝土收縮”進(jìn)行強(qiáng)度檢算。⑤以“列車豎向疲勞檢算荷載＋溫度梯度”按50年內(nèi)荷載作用次數(shù)進(jìn)行疲勞檢算。⑥以運(yùn)輸、吊裝、施工、維修中可能出現(xiàn)的臨時(shí)荷載進(jìn)行強(qiáng)度檢算，給出限制條件或施工維護(hù)指導(dǎo)意見。（2）列車豎向荷載計(jì)算方法①列車豎向設(shè)計(jì)荷載供設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用，為列車運(yùn)行在線路上的最大可能輪載值再考慮一定的安全裕量，取靜輪載的3倍或單輪300kN。②列車豎向準(zhǔn)靜態(tài)檢算荷載供靜力檢算中的計(jì)算使用，為列車運(yùn)行在線路上的最大可能輪載值，單輪取為2.0倍靜輪載。③列車豎向疲勞檢算荷載供疲勞檢算中的計(jì)算使用，為列車運(yùn)行在線路上經(jīng)常出現(xiàn)的輪載值，單輪取為倍靜輪載循環(huán)荷載。④附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算中列車橫向荷載按輪載的0.8倍，疲勞檢算時(shí)取輪載的0.4倍。⑤附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算中列車縱向荷載取輪載的0.164倍。⑥進(jìn)行平板溫度翹曲應(yīng)力計(jì)算時(shí)，參照公路規(guī)范《（JTGD40-2002）公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的溫度梯度取值，將取值除以2，再取不同地區(qū)的平均值，建議我國無砟軌道設(shè)計(jì)中溫度梯度的取值暫定為45℃/m。則對于190mm厚的軌道板，溫度梯度取為8.6℃。⑦縱向溫度力計(jì)算中的年最高最低氣溫按我國無縫線路設(shè)計(jì)中相關(guān)規(guī)范取值。⑧收縮按降溫處理，降溫幅度參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范（TB10002.1-2005）》第條規(guī)定選用。⑨路基沉降暫按15mm/20m取值。⑩橋梁撓曲變形、墩臺(tái)沉降、梁端轉(zhuǎn)角按所在線路的橋梁設(shè)計(jì)暫規(guī)取值。3）無砟軌道列車荷載彎矩計(jì)算理論（1）彈性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(jì)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(dāng)?shù)拈L度進(jìn)行計(jì)算，以中間單元板作為研究對象，計(jì)算的應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)過積分運(yùn)算得到軌道板所受縱橫向彎矩。梁體有限元理論的計(jì)算模型如圖所示。4）比較分析的初步結(jié)論（1）建議采用梁板理論進(jìn)行列車荷載作用下的彎矩計(jì)算（2）疊合梁理論修正后也可用于設(shè)計(jì)計(jì)算（3）梁體有限元計(jì)算理論宜作為研究中使用圖2.1疊合梁模型圖2.2梁-板模型圖2.3梁-體模型3有限元介紹3.1有限元方法的發(fā)展歷史早在1941年，Hrennikoff用線單元網(wǎng)絡(luò)求解連續(xù)體中的應(yīng)力，從而在20世紀(jì)40年代便開始了有限元方法的現(xiàn)代發(fā)展。1943年，Courant嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題，將此作為一種得到近似數(shù)值解的方法。1953年，Levy和Kelsey提出采用剛度法或位移法可用來分析靜不定飛機(jī)結(jié)構(gòu)?？墒欠匠烫^復(fù)雜，無法手工處理，因此隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這種方法才普及起來。1954年，Argyris和Kelsey利用能量原理建立了矩陣結(jié)構(gòu)分析方法。這說明了能量原理在有限元方法中有著重要的作用。現(xiàn)代有限元方法第一個(gè)成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題。這是Turner,Clough等人于1956年在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確解答。三角形單元的單元特性是由彈性理論方程來確定的，采用的是直接剛度法。他們的研究工作打開了利用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。第一次提出“有限單元法”的名稱是在1960年，Clough進(jìn)—步處理了平面彈性問題，使人們認(rèn)識(shí)到了有限元法的功效。1963—1964年，Besseling，Melosh和Jons等人證明了有限單元法是基于變分原理的里茲法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎(chǔ)都適用于有限單元法。確認(rèn)了有限單元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。利用變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是，有限單元法假設(shè)的近似函數(shù)不是在全求解域而是在單元上規(guī)定的，而且事先不要求滿足任何邊界條件，因此可以用來處理很復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問題。20世紀(jì)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。60年代以后，在有限元法中主要利用的是伽遼金(Galerkin)法，采用加權(quán)余量方式來確定單元特性和建立有限元求解方程。它可以用于已經(jīng)知道問題的微分方程和邊界條件、但是變分的泛函尚未找到或者根本不存在的情況，因而進(jìn)一步擴(kuò)大了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，有限元法的應(yīng)用已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定向題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。分析的對象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、黏彈性、黏塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核發(fā)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)技術(shù)相結(jié)合。在工程應(yīng)用上，有限元法在航空航天工程、機(jī)械工程、建筑工程、海洋工程、地質(zhì)工程、生物力學(xué)工程等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具，必將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身亦將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。3.2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(gè)小的塊體稱之為單元。常見的單元類型有線段單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元幾種。由于單元是組成有限元模型的基礎(chǔ)，因此單元類型對于有限元分析是至關(guān)重要的。一個(gè)有限元程序提供的單元種類越多，它的功能就越強(qiáng)大。(2)節(jié)點(diǎn)確定單無形狀的點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)，例如：線段單元只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形單元中有3個(gè)或6個(gè)節(jié)點(diǎn)，四邊形至少有4個(gè)節(jié)點(diǎn)等。(3)載荷工程結(jié)構(gòu)所受到的外在施加的力稱為載荷。包括集中力和分布力等。在不同的學(xué)科中，載荷的含義也不同。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。(4)邊界條件邊界條件就是指結(jié)構(gòu)邊界上所受到的外加約束。在有限元分析中，邊界條件的確定是非常重要的因素。錯(cuò)誤的邊界條件的選擇往往使有限元中的剛度矩陣發(fā)生奇異，使程序無法正常運(yùn)行。施加正確的邊界條件是獲得正確的分析結(jié)果和較高的分析精度的重要條件。3.3有限元方法的一般步驟有限無法用相互連接的單元模擬結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元都有一個(gè)位移函數(shù)與之相關(guān)。相互聯(lián)結(jié)的單元通過共同(或共享)的界面，與其他單元聯(lián)結(jié)起來。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(diǎn)的特性。描述每一節(jié)點(diǎn)特性的整組方程得出一系列用矩陣符號(hào)最佳表示的代數(shù)方程。具體說，進(jìn)行有限元分析，主要可分為如下幾步。步驟1：離散結(jié)構(gòu)和選擇單元類型將給定的物體劃分為具有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的等價(jià)的有限無系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠碜罱咏啬M系統(tǒng)實(shí)際的物理性能。所用的單元總數(shù)和給定物體內(nèi)單元大小和類型的變化是需要工程判斷的主要問題。單元必須小到可以給出有用的結(jié)果，又必須足夠大以節(jié)省計(jì)算費(fèi)用。一般來說，一維結(jié)構(gòu)的有限單元可以為線段；二維連續(xù)體的有限單元為三角形、四邊形；三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長方體和六面體。各種類型的單元有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)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(diǎn)。分析人員必須要決定單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。步驟2：選擇位移函數(shù)假設(shè)的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實(shí)的位移分布。通常假設(shè)位移函數(shù)為多項(xiàng)式，最簡單的情況為線性多項(xiàng)式。在實(shí)際應(yīng)用中，沒有一種多項(xiàng)式可以與實(shí)際位移完全一致。用戶所要做的是選擇多項(xiàng)式的階次、以使多項(xiàng)式在可以承受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。此外．還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，它們通常是節(jié)點(diǎn)的位移，但也有可能包括節(jié)點(diǎn)的位移函數(shù)。所選擇的位移函數(shù)是用單元的節(jié)點(diǎn)值在單元內(nèi)部定義的，并且每個(gè)單元可以重復(fù)使用同一個(gè)通用的位移函數(shù)。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(gè)有限單元的方程，需要應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。此外，應(yīng)力和應(yīng)變必須通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(通常叫做本構(gòu)關(guān)系)聯(lián)系起來。在獲取可接受的結(jié)果時(shí)，精確定義材料行為的能力是最重要的。最簡單的應(yīng)力／應(yīng)變定律即是虎克定律。步驟4：推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚭头匠虇卧獎(jiǎng)偠染仃囀歉鶕?jù)最小位能原理或其他原理，由單元材料和幾何性質(zhì)導(dǎo)出的平衡方程系數(shù)構(gòu)成的。單元?jiǎng)偠榷剃噷⒐?jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來，物體受到的分布載荷變換為節(jié)點(diǎn)處的等價(jià)集中力。剛度矩陣K、節(jié)點(diǎn)力矢量F和節(jié)點(diǎn)位移矢量D的平衡關(guān)系表示為矩陣形式為{F}=[K]{D}步驟5：組裝單元方程得出總體方程并引進(jìn)邊界條件可以便用疊加法將步驟4得到的單個(gè)單元方程組裝在一起得出整個(gè)結(jié)構(gòu)的總體方程。疊加法中所隱含的是連續(xù)和協(xié)調(diào)概念，要求結(jié)構(gòu)保持完整，在結(jié)構(gòu)任何一處都不發(fā)生撕開。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(diǎn)力矢量；[K]——總體剛度矩陣；{D}——總體節(jié)點(diǎn)位移矢量。步驟6：解未知自由度即是求解上面得到的矩陣方程。步驟7：求解單元應(yīng)變和應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析來說，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變可以用步驟6確定的位移直接表達(dá)。因此應(yīng)力應(yīng)變是第二批得到的重要的量?？梢允褂玫湫偷膽?yīng)變和位移關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如上面所述。步驟8：解釋結(jié)果最后的目標(biāo)是解釋和分析用于應(yīng)力應(yīng)變分析過程的結(jié)果。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析決策時(shí)，通常需要確定結(jié)構(gòu)中位移最大和應(yīng)力最大的位置。后處理計(jì)算機(jī)程序用圖形顯示的方式幫助用戶解釋結(jié)果。在使用有限元程序求解問題時(shí)，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(jì)算機(jī)程序自動(dòng)完成。3.4有限元方法的優(yōu)缺點(diǎn)(1)有限元法的優(yōu)點(diǎn)①有限元法不需要適用于整個(gè)物體的插值闡述，而是對每個(gè)單元各自插值，故此可以很容易地模擬具有不規(guī)則復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。②整個(gè)系統(tǒng)離散為有限個(gè)單元，并將整個(gè)系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程。從而可以用多種方法對其求解。③可以毫無困難地處理一般的載荷。④邊界條件不進(jìn)入單個(gè)有限單元的方程，而是在得到整體方程后再加入邊界條件，這樣，內(nèi)部和邊界單元都能采用相同的場變量模型。而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，內(nèi)部場變量模型不需要改變。⑤因?yàn)閱卧匠淌菃蝹€(gè)建立的，所以可以模擬由幾種不同材料構(gòu)成的物體，處理非線性問題，求解非均勻介質(zhì)。⑥可處理動(dòng)態(tài)問題。⑦單元的尺寸大小可以變化，而且改變有限元模型也比較容易。⑧處理大變形和非線性材料帶來的非線性問題。(2)有限元法的不足之處①有限元計(jì)算。尤其是在對復(fù)雜問題的分析上，所耗費(fèi)的計(jì)算資源是驚人的。計(jì)算資源包括計(jì)算時(shí)間、內(nèi)存和硬盤空間。②對于無限區(qū)域問題，有限元法很難處理。③盡管現(xiàn)在的有限元軟件提供了自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)，但到底采用何種單元、網(wǎng)格密度選取多大才合適等問題，需要依賴于經(jīng)驗(yàn)。④有限元分析得到的結(jié)果并不是計(jì)算機(jī)輔助工程的全部，而且一個(gè)完整的系統(tǒng)仿真分析不能單獨(dú)使用有限元分析來完成，必須結(jié)合其他分析和工程實(shí)踐才能完成整個(gè)工程仿真設(shè)計(jì)。3.5有限元方法的應(yīng)用有限元方法可用于分析結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)問題。(1)結(jié)構(gòu)問題①應(yīng)力分析，包含桁架和框架分析，與孔、凸起式其他物體幾何形狀改變相關(guān)的應(yīng)力集中問題。②屈曲分析。③振動(dòng)分析和模態(tài)分析。(2)非結(jié)構(gòu)問題①熱傳遞問題。②流體流動(dòng)，包括通過多孔材料的滲流。③電位或磁位分布。④生物力學(xué)工程問題。3.6有限元發(fā)展方向及重大進(jìn)展國際上的發(fā)展當(dāng)今國際上有限元方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢待征。(1)從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場問題近年來，有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解交叉學(xué)科的問題。例如當(dāng)氣流流過一個(gè)很高的鐵塔時(shí)就會(huì)使鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動(dòng)……這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂“流固耦合”的問題。(2)由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此，近年來國外一些公司花費(fèi)大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC，ABQUS和ADINA等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。(3)增強(qiáng)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(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個(gè)包含10萬個(gè)方程的有限元模型只需用幾十分鐘。但是如果用手工方來建立這個(gè)模型，然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時(shí)間?？梢院敛豢鋸埖卣f，工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問題時(shí)有80％以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強(qiáng)調(diào)“可視化”的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUI(GraphicsUserInterface)，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)。并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。(4)與CAD軟件的無縫集成當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。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(gè)在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以，當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了與著名的CAD軟件(例如Pro／ENGINEER，Unigraphics，SolidEdge，SolidWorks,IDEAS,Bentley和AutoCAD等）的接口。國內(nèi)發(fā)展情況和前景對國內(nèi)FEM程序開發(fā)者來說，應(yīng)該從下面幾方面加以努力。(1)研究開發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的FEM程序。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在研究的前沿問題是流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)等非固體力學(xué)相交叉學(xué)科的問題。由于國內(nèi)沒有類似功能軟件，從國外引進(jìn)具有這種功能的軟件的費(fèi)用又特別昂貴。為此，我們必須發(fā)展有自主版權(quán)、用于分析流體等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的軟件。(2)開發(fā)具有中國持色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI開發(fā)建模技術(shù)和GUI的投入比前述課題要少得多，但卻可以大大提高FEM軟件的性能和用戶接受程度，從而起到事半功倍的效果。國內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時(shí)PC機(jī)上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開發(fā)的效果都不甚理想。需要開發(fā)能直觀地通過對“菜單”“窗口”“對話框”和“圖標(biāo)”等可視圖形畫面相符號(hào)的操作，自動(dòng)建立有限元分析模型，并以交互方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化處理，提高有限元分析的效率相精確性，也便于用于學(xué)習(xí)和掌握。(3)與具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAD軟件集成當(dāng)今有限元方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是與CAD軟件的無縫集成。作為我國自行開發(fā)的FEM程序。首先要考慮和我國自主版權(quán)的CAD軟件集成。因?yàn)橛邢拊治鲋饕糜谛螤畋容^復(fù)雜的零部件，所以要與具有三維造型功能的CAD軟件集成，使設(shè)計(jì)和分析緊密結(jié)合、融為一體。4.ANSYS軟件基本介紹4.1概述ANSYS(AnalysisSystem)是20世紀(jì)70年代由美國ANSYS公司研制開發(fā)的工程分析軟件。它是一種融結(jié)構(gòu)學(xué)、熱學(xué)、流體學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元軟件，可以廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電工、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利，以及日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件運(yùn)行于大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)(如Windows，UNIX，Linux和IRIx和HP—UX)。從PC機(jī)到工作站，直至巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列及工作平臺(tái)上均兼容。ANSYS是第一個(gè)集成計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)功能，也是唯一包括多物理場分析功能的軟件。4.2ANSYS軟件的特點(diǎn)和組成軟件特點(diǎn)ANSYS將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)成為解決現(xiàn)代工程問題必不可少的工具。它在功能、性能、易用、可靠性以及對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，滿足了用戶的當(dāng)前需求，幫助用戶解決了許多工程實(shí)際問題，為科研盡心服務(wù)。ANSYS軟件技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。(1)與CAD軟件的無縫集成。可以與著名CAD軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用戶在用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到ANSYS中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，有效地提高分析效率。(2)強(qiáng)大的多場及多場耦合分析求解功能。用戶不但可以利用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些類型的相互影響研究。(3)極為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力。是實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型有限元分析軟件。(4)強(qiáng)大的非線性分析功能。(5)唯一具有多物理場優(yōu)化功能的有限元分析軟件。(6)具有多種求解器，可以適用于不同的問題和配置。(7)支持個(gè)人PC機(jī)、工作站及大型機(jī)的所有硬件平臺(tái)，兼容其平臺(tái)上的全部數(shù)據(jù)文件，并具有統(tǒng)一的用戶界面。(8)具有多層次多框架的產(chǎn)品系列。產(chǎn)品系列由一整套可擴(kuò)展的、靈活集成的、具有一定功能的各模塊組成，用戶只需購買自己需要的模塊即可。(9)良好的用戶開發(fā)環(huán)境。ANSYS綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入、圖形化輸出等多種方式，應(yīng)用更加方便。方便的二次開發(fā)功能。應(yīng)用宏、參數(shù)設(shè)計(jì)語言、用戶可編程特性、用戶自定義界面語言、外部命令等功能，可以開發(fā)出適合自己特點(diǎn)的應(yīng)用程序。NSYS軟件組成ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊、后處理模塊。1)前處理模塊。它為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)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。前處理模塊主要實(shí)現(xiàn)三種功能；參數(shù)定義、實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分。(1)參數(shù)定義ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中．首先要對所有被建模的材料進(jìn)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(shí)常數(shù)、定義材料的持性以及使用材料庫文件，等等。(2)實(shí)體建模在此過程中，ANSYS提供了兩種方法：從上到下和從下到上的建模。對于一個(gè)有限元模型，圖元等級(jí)從下到上依次是：點(diǎn)、線、面和體。用戶可以先定義點(diǎn)、線、面，然后由所定義的圖元生成體(由下到上建模)；也可以先建立起實(shí)體，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的下級(jí)圖元(由上到下建模)。無論采用何種方法建模都需要進(jìn)行布爾操作來組合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)．同時(shí)還可以來用拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、蒙皮、倒角等操作，構(gòu)建符合用戶需要的模型。(3)網(wǎng)格劃分ANSYS系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分系統(tǒng)十分強(qiáng)大，從使用選擇的角度來說，可分為系統(tǒng)智能劃分和人工選擇劃分兩種。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。2)求解模塊。求解模塊是程序用來完成對已經(jīng)生成的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和有限元求解。在此階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)。(1)定義分析類型和分析選項(xiàng)用戶可以根據(jù)所施加的載荷條件和所要計(jì)算的響應(yīng)來選擇分析類型。(2)載荷所謂的載荷應(yīng)該包括邊界條件(約束、支承、邊界場的參數(shù))和其他外部或內(nèi)部作用載荷。在ANSYS中，載荷分為六類，即，DOF約束；力；表面分布載荷；體積載荷；慣性載荷；耦合場載荷。同時(shí)必須清楚與載荷相關(guān)的兩個(gè)術(shù)語：載荷步和子步。載荷步僅僅指可求得解的載荷配置。載荷步對于將一個(gè)瞬態(tài)載荷歷程曲線劃分成幾段是有用的。子步是指一個(gè)載荷步中增加的步長。主要是為了瞬態(tài)分析或非線性分析中提高分析精度和收斂。子步也稱時(shí)間步，代表一段時(shí)間。(3)制定載荷步載荷步選項(xiàng)用于更改載荷步的選項(xiàng)，如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時(shí)間和輸出控制。根據(jù)所作分析的類型，載荷步選項(xiàng)可有可無。3)后處理模塊。完成計(jì)算后，可通過后處理模塊將計(jì)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。ANSYS的后處理模塊分為兩部分：通用后處理模塊(POST1)和時(shí)間歷程后處理模塊(POST26)。(1)通用后處理模塊(POST1)通用后處理器可以用于查看整個(gè)模塊或選定的部分模塊在某一子步(時(shí)間步)的結(jié)果?？梢酝ㄟ^上述方式顯示。POST1還提供誤差估計(jì)、載荷工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算和路徑操作等功能。(2)時(shí)間歷程后處理模塊(POST26)POST26可用于查看模型特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果。此外，POST26還可以：進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算，變量之間的加減乘除運(yùn)算以產(chǎn)生新的曲線；進(jìn)行絕對值、平方根、對數(shù)、指數(shù)、最大值及最小值運(yùn)算；求曲線的微積分運(yùn)算；從時(shí)間歷程中生成譜響應(yīng)等。4.3ANSYS軟件的功能NSYS的基本功能(1)結(jié)構(gòu)靜力分析。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。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題；ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析。(2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。(3)結(jié)構(gòu)非線性分析。結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或局部的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。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。(4)動(dòng)力學(xué)分析。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。(5)熱分析。ANSYS軟件可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析能力。(6)電磁場分析。主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。(7)流體動(dòng)力學(xué)分析。ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分折，分析類型可以分為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱—流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。(8)聲場分析。軟件的聲學(xué)功能用來研究合流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。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(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。(9)壓電分析。用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC(交流)、DC(直流)或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及他電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分楊：靜態(tài)分析、模態(tài)分橋、諧波響分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。4.3.2ANSYS軟件的高級(jí)功能1)多物理場耦合分析(絕大多數(shù)的工程分析都要用到耦合場的功能)?？紤]兩個(gè)或多個(gè)物理場之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場是不可得到正確結(jié)果的。例如：在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布(電場分析)和應(yīng)變(結(jié)構(gòu)分析)。耦合場分析適用于下列類型的相互作用：熱—應(yīng)力分析(壓力容器)熱—結(jié)構(gòu)分析熱—電分析熱—流體分析磁—熱分析(感應(yīng)加熱)磁—結(jié)構(gòu)分析(磁體成形)感應(yīng)加熱分析感應(yīng)震蕩分析電磁—電路分析電—結(jié)構(gòu)分析電—磁分析電—磁—熱分析電—磁—熱—結(jié)構(gòu)分析壓力—結(jié)構(gòu)分析速度—溫度—壓力分析穩(wěn)態(tài)—流—固分析2)優(yōu)化設(shè)計(jì)。它是一種尋找確定最優(yōu)方案的技術(shù)。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的。如：尺寸(如厚度)、形狀(如過渡圓角的大小)、支撐位置、制造費(fèi)用、自然頻率、材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。3)拓?fù)鋬?yōu)化。是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外形優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)(材料特性、模型、載荷等)和要省去的材料百分比，程序就能自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。4)單元的生死。如果模型中加入(或刪除)材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在“(或“消亡”)。單元生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活單元。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(jì)算機(jī)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)用戶可擴(kuò)展功能(UPF)。ANSYS軟件的開放結(jié)構(gòu)允許連接自己的FORTRAN程序和子過程。當(dāng)前UPF支持如下特性：(1)用戶單元坐標(biāo)系定位：適用于下列單元類型：“SHELL43”，“SHELL63”，“SHELL91”，“SHELL93”，“SHELL99”，“SHELL181”，“(2)用戶實(shí)參：單元“COMBIN7”和“COMBIN37(3)用戶摩擦系數(shù)：適用于接觸單元“CONTAC48”和“CONTAC49(4)用戶塑性屈服準(zhǔn)則：允許用戶定義自己的塑性屈服準(zhǔn)則計(jì)算塑性應(yīng)變并在積分處生成切向應(yīng)力應(yīng)變矩陣。(5)用戶蠕變方程：允許用戶定義自己的蠕變方程。(6)用戶熔脹準(zhǔn)則：如果在分析中計(jì)入熔脹(如中子爆炸)，可自定義合適的熔脹準(zhǔn)則。程序內(nèi)部沒有熔脹準(zhǔn)則。(7)用戶濕熱生成：允許計(jì)入由潮濕成分引起的熱膨脹，限于單元“SHELL91”(8)用戶超彈性：適用于超彈性單元。(9)用戶失效準(zhǔn)則：適用于層單元“SOLID46”和“SHELL99”?？梢远x不超過(10)用戶黏彈性：對于單元“FLUID141”和“FLUIDl42(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、熱流和電勢密度等可用子程序定義。(12)用戶載荷向量：對于單元“PIPE59”(13)ANSYS作為子程序：可以在自己的程序中將ANSYS程序作為于程序調(diào)用。(14)用戶優(yōu)化：可以用自己的算法和中斷準(zhǔn)則替換ANSYS優(yōu)化過程。4.4ANSYS主要系列產(chǎn)品介紹ANSYS產(chǎn)品系列是由一套可自由選配集成的功能模塊組成的，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要選擇集成某些模塊以便滿足行業(yè)工程需求。下面分別對這些產(chǎn)品或模塊作以介紹。(1)ANSYS／Multiphysics：是最完整、最強(qiáng)大的產(chǎn)品，是一個(gè)多物理場耦合的分析程序包。它能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)分析，還可以對這四種物理場進(jìn)行耦合分析，但是不能進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析。(2)ANSYS／Mechanical：該產(chǎn)品能夠進(jìn)行所有的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)分析以及壓電和聲學(xué)分析，但是不能進(jìn)行電磁學(xué)、CFDFLORTRAN和顯式動(dòng)力學(xué)分析。(3)ANSYS／Structural：可以進(jìn)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(dòng)力學(xué)分析。(4)ANSYS／Linearplus：從ANSYS／Structural中派生出來的．僅提供線性結(jié)構(gòu)分析，只能用線性的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及屈曲分析，非線性分析僅包括間隙元和板／梁大變形分析。(5)ANSY5／Th：從ANSYS／Mechanical中派生出來的，僅可進(jìn)行熱分析。(6)ANSYS／PrepPost：提供前處理階段的建模功能以及后處理階段的結(jié)果分析處理。(7)ANSYS／ED：具有ANSYS／Multiphysics全部功能，但規(guī)模限制在極小的級(jí)別內(nèi)，用于教學(xué)目的。(8)ANSYS／FLORTRAN：進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析(CFD)，包括層流、可壓縮流和不可壓縮流等。(9)ANSYS／Emag：進(jìn)行電磁分析。可模擬電磁場、靜電學(xué)、電路及電流傳導(dǎo)分析。(10)ANSYS／LS-DYNA：提供顯式計(jì)算功能，可解決高度非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題，主要進(jìn)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(jì)算。(11)AN5YS／LS—DYNAPrepPost：提供ANSYS／LS-DYNA前后處理的功能，涉及實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、加載、邊界條件、等值線顯示、計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)及動(dòng)畫。(12)ANSYSWorkbench系列：是ANSYS公司推出的繼承多項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)品系列，具有開放性的開發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)與CAD集成及雙向參數(shù)化，定制用戶化的完整CAE解決方案。5.板式軌道設(shè)計(jì)5.1板式軌道設(shè)計(jì)總體概述引言無砟軌道是一種新型的軌道結(jié)構(gòu),相對于有砟軌道而言,無砟軌道是以混凝土或?yàn)r青混合料等取代散粒道砟道床而組成的軌道結(jié)構(gòu)型式。由于無砟軌道具有軌道平順性高、剛度均勻性好、軌道幾何形位能持久保持、以及維修工作量可顯著減少等特點(diǎn),在世界各國鐵路上得到了程度不同的發(fā)展,而在高速鐵路上應(yīng)用無砟軌道,尤以日本、德國最為廣泛。國內(nèi)對無砟軌道的研究始于20世紀(jì)60年代,與國外的研究幾乎同時(shí)起步。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。我國無砟軌道結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算水平發(fā)展還不夠成熟,現(xiàn)在基本上采用疊合梁的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì),該方法計(jì)算簡單,但是精確度不夠?，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(gè)系統(tǒng)。采用有限元的方法對板式軌道的鋼軌、軌道板的縱向在外荷載作用下的豎向變形和內(nèi)力進(jìn)行了分析計(jì)算,為板式軌道結(jié)構(gòu)的分析提供了一種數(shù)值方法?；炯僭O(shè)(1)扣件、CA砂漿層的變形符合文克爾(Winkler)假定;(2)未考慮鋼軌、軌道板等結(jié)構(gòu)的自重;(3)不考慮凸型擋臺(tái)對軌道板的橫向作用,未考慮混凝土基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)沉降的影響,同時(shí)忽略相鄰軌道板之間作用的相互影響;計(jì)算參數(shù)鋼軌為60kg/m;軌道板長4.95m、寬2.4m、厚0.19m;鋼軌的彈性模量為2.1×MPa,鋼軌的截面慣性矩為3.217×;鋼軌扣件的支點(diǎn)間距為0.625m,扣件支點(diǎn)膠墊的彈性系數(shù)為60MN/m;CA砂漿層的彈性系數(shù)為900MN/m;軌道板的彈性模量為4.12×Mpa;荷載選用德國ICE軸重195kN,取動(dòng)載系數(shù)為3.0,則計(jì)算中每個(gè)動(dòng)輪重取(軸重/2)×3.0≈300kN。表5.1板式無砟軌道設(shè)計(jì)參數(shù)部件項(xiàng)目單位數(shù)值備注鋼軌彈性模量MPa2.1e-5泊松比—0.3轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.217e-5斷面積7.745e-3軌高0.176扣件剛度60扣件間距0.625軌道板彈性模量MPa36000泊松比—0.2長度×寬度×厚度4.95×2.4×0.19CA砂漿彈性模量MPa0.05板下布滿泊松比—100厚度0.3混凝土地板彈性模量MPa32500泊松比—0.2寬度×厚度3.2×0.3土路基彈性模量MPa190泊松比—0.27厚度3采用有限元分析軟件ANSYS建模計(jì)算時(shí)，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模型求解。應(yīng)用有限元理論建立無砟軌道結(jié)構(gòu)的梁板模型：鋼軌采用Beam3單元模擬，軌道板采用Shell63單元模擬,用Combination14單元模擬扣件表示的離散彈簧，其他各層采用Sliod45實(shí)體單元模擬。圖5.1ANSYS模型（由于對稱性，采用1/2板寬）圖5.2ANSYS網(wǎng)格劃分及耦合荷載作用于板中和荷載作用于板端計(jì)算結(jié)果圖5.3板中受力時(shí)縱向及橫向受力圖圖5.4板端受力時(shí)縱向及橫向受力圖根據(jù)以上ANSYS結(jié)果，計(jì)算得到表5.2表5.2荷載作用于板中和荷載作用于板端計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目荷載作用板中荷載作用板端軌道板最大撓度0.280mm0.307mm軌道板縱向最大正彎矩16.5(KN·M)14.9(KN·M)軌道板縱向最大負(fù)彎矩16.5(KN·M)14.9(KN·M)軌道板橫向最大正彎矩17.0(KN·M)17.8(KN·M)軌道板橫向最大負(fù)彎矩17.0(KN·M)17.8(KN·M)計(jì)算結(jié)果分析有板式軌道力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)荷載作用于板中時(shí)，軌道板出現(xiàn)最大縱向正彎矩。當(dāng)荷載作用于板端時(shí)，其它力學(xué)響應(yīng)值較大。當(dāng)荷載作用于板端時(shí)，軌道板出現(xiàn)最大橫向正彎矩。在無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該綜合這兩種荷載作用下的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)語把鋼軌、軌道板、鋼軌扣件、CA砂漿和作用在鋼軌上的荷載視為一個(gè)系統(tǒng)，用有限元方法分析板式無砟軌道在荷載作用下鋼軌和軌道板的變形和內(nèi)力，該計(jì)算方法理論清晰、步驟明確、計(jì)算簡單，并且可以通過有限元軟件ANSYS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析，能滿足設(shè)計(jì)、施工要求，對不同工況有很好的通用性。5.2板式軌道配筋計(jì)算過程設(shè)計(jì)條件5.2.1.15.2.1.1.15.2.1.1.25.2.1.1.35.2.1.1.45.2.1.1.5材料的強(qiáng)度和容許應(yīng)力5.2.2.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度預(yù)加應(yīng)力時(shí)的壓強(qiáng)容許彎壓應(yīng)力預(yù)加應(yīng)力時(shí)設(shè)計(jì)輪重作用時(shí)容許彎拉應(yīng)力疲勞檢算時(shí)容許剪切應(yīng)力容許粘著應(yīng)力容許沖剪應(yīng)力鋼軌扣件扣著處保持螺栓處橫向力作用下容許剪應(yīng)力不進(jìn)行鋼筋計(jì)算時(shí)進(jìn)行鋼筋計(jì)算時(shí)容許邊緣應(yīng)力受拉側(cè)制造時(shí)受壓側(cè)制造時(shí)受拉側(cè)運(yùn)輸施工時(shí)受壓側(cè)運(yùn)輸施工時(shí)5.2.2.2鋼筋（HRB335容許拉應(yīng)力，無論是軌道縱向還是軌道橫向（寒冷地區(qū)用）5.2.2.3PC圓鋼13mm拉應(yīng)力屈服點(diǎn)應(yīng)力容許拉應(yīng)力張拉作業(yè)時(shí)預(yù)加應(yīng)力之際設(shè)計(jì)輪重作用時(shí)松弛3%5.2.2圖5.5軌道的尺寸形狀設(shè)計(jì)彎矩.1外力矩由于模型采用shell63，上下側(cè)應(yīng)力大小相等，根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果，其外力矩見表5.3表5.3外力矩（）方方向外力矩狀態(tài)軌道橫向（）軌道縱向（）疲勞檢算時(shí)下側(cè)上側(cè)0.830.830.890.89設(shè)計(jì)時(shí)下側(cè)上側(cè)1.651.651.781.78注：包括橫向力作用下的彎矩假定板端以外沿軌道縱向的彎矩的作用寬度為軌道板寬度的1／2，則外力矩如表5.4所示。表5.4外力矩M(d·M／板寬一半)方方向外力矩狀態(tài)軌道橫向()軌道縱向疲勞檢算時(shí)下側(cè)上側(cè)0.830.831.071.07設(shè)計(jì)時(shí)下側(cè)上側(cè)1.651.652.142.14外力矩的計(jì)算假定使用吊環(huán)插入裝置時(shí)，外力矩的計(jì)算假定如下。.2.1軌道縱向軌道縱向的荷裁按團(tuán)5.6所示的斜線部分進(jìn)行計(jì)算。外力矩的作用寬度為板寬的1/2。圖5.6軌道板縱向計(jì)算荷載.2.2軌道橫向軌道橫向的荷載按圖5.7所示的斜線部分進(jìn)行計(jì)算。圖5.7軌道橫向計(jì)算荷載外力矩的有效寬度——距吊環(huán)插孔的距離(＝1.120M)．——l／2板寬＝1.200m。=0.903+1.200=2.103m<=2.475m由此，按以往的算式進(jìn)行計(jì)算/2-0.225=0.903+1.200×1/2-0.225=1.278m.3軌道板外力矩.3.1制造時(shí)(1)軌道縱向軌道縱向軌道板外力矩計(jì)算見圖5.8。圖5.8軌道縱向輸軌道板外力矩計(jì)算圖(制造時(shí))在制造時(shí)，由于考慮到軌道板的翻轉(zhuǎn)，無論在上例還是下側(cè)，均為0.472(tf·m)=0.47(tf·m)(2)軌道橫向軌道橫向軌道板外力矩計(jì)算見圖5.9。圖5.9圖5.9軌道橫向軌道板外力矩計(jì)算圖基于同上的理由，上下側(cè)均為0.847tf·m.3.2運(yùn)輸時(shí)（插入吊環(huán)支撐）（1）軌道縱向下側(cè)=0.472(tf·m)(制造時(shí))=3×=3×0.472=1.416(tf·m)上側(cè)=0.232(tf·m)(制造時(shí))=2×=2×0.232=0.464(tf·m)(2)軌道橫向在軌道橫向上，因?yàn)槭窃诘醐h(huán)插孔附近放置軌道板、系為全面支承．即使發(fā)生了，推想也不會(huì)超過制造時(shí)的彎短，從而省略計(jì)算。.3.3施工時(shí)（1）軌道縱向下側(cè)（圖5.10），P0=1.0(tf)(為進(jìn)行作業(yè)，人員和器具的重量)=0.704-0.232+0.786=1.258（tf·m）上側(cè)(圖5．11)圖5.10軌道縱向軌道板下側(cè)圖5.11軌道縱向軌道板上側(cè)外力矩計(jì)算圖（施工時(shí)）外力矩計(jì)算圖（施工時(shí)）（2）軌道橫向（圖5.12）,圖5.12軌道橫向軌道板外力矩計(jì)算圖（施工時(shí)）.4使用吊環(huán)插入裝置時(shí)的外力矩匯總表使用吊環(huán)插入裝置時(shí)的外力矩匯總見表5.5表5.5外力矩匯總表（單位：tf·m）外力矩方向狀態(tài)位置軌道縱向（tf·m/0.5寬）軌道橫向(tf·m/1.278m)制造時(shí)下側(cè)上側(cè)0.4720.4720.8470.847運(yùn)輸時(shí)下側(cè)上側(cè)1.4160.464施工時(shí)下側(cè)上側(cè)1.2580.6841.147---所需圓鋼及鋼筋數(shù)量的計(jì)算對軌道縱向和軌道橫向進(jìn)行疲勞檢算時(shí)，是以令預(yù)應(yīng)力為條件，計(jì)算所需的預(yù)加的應(yīng)力量。.1斷面各元素?cái)嗝嬖匾姳?.6（1）軌道縱向1900cm29.5cm-9.5cm57158cm46017cm3-6017cm3(2)軌道橫向1900cm29.5cm-9.5cm57158cm46017cm3-6017cm3表5.6斷面各元素（斷面尺寸均為1000mm×190mm）.2疲勞檢算時(shí)的彎曲應(yīng)力（由于模型采用shell63，上下側(cè)應(yīng)力大小相等，故只算一側(cè)即可）.2.1軌道縱向彎矩下側(cè)=0.89(tf·m/m)彎曲應(yīng)力下側(cè).2.2軌道橫向彎矩下側(cè)=0.83(tf·m/m)彎曲應(yīng)力下側(cè)5.2.4.3PC圓鋼的計(jì)算.3.1軌道縱向PC圓鋼采用SBPR95/110Φ13mm=133.0(mm2)=12（根）鋼筋（HRB335）==Φ12×10根（假定）=1.131×10=11.31(cm2)鋼筋換算截面=240×19+(6-1)×2×11.31=4673.1(cm2)假設(shè)計(jì)算截面的PC圓鋼早期拉應(yīng)力為σpi=72(kgf/mm2)（試算而確定的值）因彈性變形而引起的PC圓鋼應(yīng)力的損失Δ=式中Δ-PC圓鋼拉應(yīng)力的損失值-彈性模量比==6.15-由于預(yù)應(yīng)力，PC