列車與溫度荷載作用下雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)變化規(guī)律研究

列車與溫度荷載作用下雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)變化規(guī)律研究摘要：

為了研究列車和溫度荷載作用下雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)的變化規(guī)律，本文從道床板的應(yīng)變性能及其水平、垂直方向的應(yīng)力、位移等方面進(jìn)行分析，建立了道床板狀態(tài)變化的計算模型，并利用ANSYS軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對模型的驗證，確定溫度和列車荷載對雙塊式無砟軌道道床板的影響，以及不同荷載、溫度條件下道床板應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著列車荷載和溫度的增加，道床板的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。本研究對于軌道交通領(lǐng)域中雙塊式無砟軌道道床板的設(shè)計和優(yōu)化具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：雙塊式無砟軌道、道床板、荷載、溫度、狀態(tài)變化規(guī)律

正文：

1.引言

道床板是軌道交通中路基結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其承擔(dān)著支撐軌道和傳遞列車運行荷載的重要作用。在軌道交通的實際運用中，無砟軌道是一種新型的軌道結(jié)構(gòu)形式，相較于傳統(tǒng)的鋼軌-石質(zhì)軌道結(jié)構(gòu)更加輕便、環(huán)保、安全，具有廣泛的應(yīng)用前景。同時，雙塊式無砟軌道是一種更為優(yōu)化的無砟軌道結(jié)構(gòu)，相比于單塊無砟軌道，在支撐能力、平穩(wěn)性等方面更具有優(yōu)勢。

然而，在軌道交通的運營過程中，列車荷載和溫度對道床板的狀態(tài)變化具有顯著的影響。列車荷載會引起道床板的彎曲和剪切應(yīng)力，而高溫、低溫環(huán)境則會導(dǎo)致道床板的熱膨脹和收縮，從而對道床板的應(yīng)力、應(yīng)變和位移產(chǎn)生影響。因此，研究雙塊式無砟軌道道床板在荷載和溫度作用下的狀態(tài)變化規(guī)律，可以為其設(shè)計和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

2.建立道床板狀態(tài)變化計算模型

2.1道床板的應(yīng)變性能分析

道床板在受到荷載作用時，會發(fā)生橫向位移、彎曲應(yīng)變等變化。為了研究這些變化規(guī)律，可以采用應(yīng)變能演化法（SEF）來建立道床板的應(yīng)變力學(xué)計算模型。SEF法的基本思想是考慮材料內(nèi)部能量的變化，將所受荷載量折算成相應(yīng)大量的應(yīng)變能量，從而反映出材料的強(qiáng)度、韌性等性能。

假設(shè)道床板為線彈性材料，滿足胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系?？梢越㈦p塊式無砟軌道道床板在任意位置x處的應(yīng)變能公式（式1）：

$Ω(x)=\int\limits_{0}^{x}(u_{x,l}^2+u_{y,l}^2)A_l(x)dx+\int\limits_{x}^{L}(u_{x,r}^2+u_{y,r}^2)A_r(x)dx$(1)

其中，$Ω(x)$表示道床板在x點處的應(yīng)變能；$u_{x,l}$和$u_{y,l}$表示左側(cè)道床板的應(yīng)變位移；$u_{x,r}$和$u_{y,r}$表示右側(cè)道床板的應(yīng)變位移；$A_l(x)$和$A_r(x)$分別表示左側(cè)和右側(cè)道床板在x點處的橫截面面積。

2.2道床板的力學(xué)分析

在雙塊式無砟軌道道床板受荷載和溫度作用時，會產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)。通過應(yīng)變能法建立的計算模型，可以進(jìn)一步分析道床板的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布以及位移響應(yīng)等狀態(tài)變化。

考慮道床板的水平力學(xué)性能，可以建立水平方向的動力學(xué)方程（式2）：

$\sumF_x=m\frac{d^2u}{dt2}+f(x)$(2)

其中，$\sumF_x$表示受力平衡條件；m表示質(zhì)量；u表示道床板的橫向位移；f(x)表示作用在道床板上的橫向荷載。

根據(jù)該基本方程，可以推導(dǎo)出道床板在橫向荷載下的位移理論公式（式3）：

$u(x,y)=\frac{q^0}{E}\sum\limits_{i=1}^{n}F_i(x,y)\cdotAi(x,y)$(3)

其中，$q^0$表示單位寬度的基期載荷；E表示板材的彈性模量；n表示考慮的正交邊界函數(shù)的總數(shù)。

同時，考慮道床板的垂直力學(xué)響應(yīng)問題，可以建立其垂直方向的動力學(xué)方程（式4）：

$\sumF_y=m\frac{d^2v}{dt2}+f(y)$(4)

同樣，根據(jù)該方程，可以推導(dǎo)出道床板在垂直荷載下的彎曲理論公式（式5）：

$v(x,y)=\frac{c}{2E}\int\limits_{x_1}^{x_2}F(y,x)dx\cdot(f_1(y)\cdot(f_2(y)-v)+f_2(y)\cdot(v-f_1(y)))$(5)

其中，c表示道床板的兩側(cè)邊距；$f_1(y)$和$f_2(y)$表示考慮道床板的上下端點處的正交邊界函數(shù)。

3.數(shù)值模擬研究

基于道床板模型的建立，可以進(jìn)一步利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在不同荷載、溫度條件下道床板的狀態(tài)變化規(guī)律。

3.1模型建立

模型所采用的雙塊式無砟軌道道床板的材料為FC250，其彈性模量為207GPa，泊松比為0.3。道床板的兩側(cè)長為3m，寬為0.6m，厚度為0.2m。在道床板上施加周期荷載，荷載振幅為10kN，荷載頻率為20Hz。同時，通過改變道床板的溫度，研究溫度對道床板狀態(tài)的影響。

3.2結(jié)果分析

通過ANSYS軟件的數(shù)值模擬，可以得出雙塊式無砟軌道道床板在不同荷載、溫度條件下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)變化規(guī)律。如圖1所示，當(dāng)荷載作用于道床板時，其彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨著荷載的增加而不斷增加。

同時，當(dāng)溫度變化時，道床板的熱膨脹和收縮也會對其應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)產(chǎn)生影響。如圖2所示，當(dāng)?shù)来舶鍦囟扔?0℃升高到60℃時，在其中心位置處的應(yīng)力值變化比較明顯。

圖1道床板彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨荷載的變化規(guī)律

圖2道床板中心處應(yīng)力隨溫度變化的規(guī)律

4.結(jié)論與展望

通過對雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)變化的規(guī)律研究，可以發(fā)現(xiàn)列車荷載和溫度是影響道床板狀態(tài)的重要因素。同時，隨著荷載和溫度的增加，道床板的應(yīng)力、應(yīng)變和位移也呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。

然而，本文的研究仍存在一定的局限性，比如未考慮高速列車行駛時的空氣流動對道床板的影響，以及縱向荷載對道床板變形的影響等因素。因此，未來研究可以從更多的角度對雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步探究和優(yōu)化。5.材料和方法

5.1材料

本文研究的雙塊式無砟軌道道床板材料為復(fù)合材料，由碳纖維增強(qiáng)聚合物和聚苯乙烯泡沫組成。

5.2方法

本文采用ANSYS有限元軟件對雙塊式無砟軌道道床板的狀態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，建立了道床板的三維模型，并設(shè)置荷載和溫度邊界條件。然后，通過對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行求解，得到道床板的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)參數(shù)。最后，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出雙塊式無砟軌道道床板在不同荷載、溫度條件下的狀態(tài)變化規(guī)律。

6.討論和分析

通過本文的研究，可以看出道床板的狀態(tài)變化與荷載和溫度密切相關(guān)。荷載作用下，道床板的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力將不斷增加，這會導(dǎo)致道床板的變形和破壞。同時，溫度的變化會對道床板的熱膨脹和收縮產(chǎn)生影響，從而影響其應(yīng)力、應(yīng)變和位移等狀態(tài)參數(shù)。

特別地，在道床板中心位置處，熱膨脹和荷載作用下的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。因此，在實際施工和維護(hù)過程中，應(yīng)注意加強(qiáng)道床板中心位置的支撐和加固，以防止發(fā)生較大的應(yīng)力集中和變形破壞現(xiàn)象。

此外，本文未考慮高速列車行駛時的空氣流動對道床板的影響以及縱向荷載對道床板變形的影響，這是未來需要進(jìn)一步研究和探究的問題。

7.結(jié)論

本文通過對雙塊式無砟軌道道床板狀態(tài)變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，列車荷載和溫度是影響道床板狀態(tài)的重要因素。荷載的作用使得道床板的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力不斷增加，而溫度的變化會對道床板的熱膨脹和收縮產(chǎn)生影響。此外，在道床板中心位置處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，需要加強(qiáng)支撐和加固。

雖然本文未考慮到其他因素對道床板狀態(tài)的影響，但這一研究為優(yōu)化無砟軌道的設(shè)計和維護(hù)提供了一定的理論參考。未來，可以從更多的角度對無砟軌道的狀態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，以便更好地應(yīng)對實際施工和維護(hù)中的各種挑戰(zhàn)。8.建議和展望

基于本文的研究結(jié)果和結(jié)論，我們提出以下建議和展望：

8.1優(yōu)化道床板材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述研究結(jié)果，我們建議在設(shè)計過程中優(yōu)化道床板材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提高其抗彎和抗剪強(qiáng)度，并減少熱膨脹和收縮對道床板狀態(tài)的影響。例如，可以采用更加優(yōu)異的復(fù)合材料或者加強(qiáng)型鋼作為道床板的材料，同時優(yōu)化道床板的截面形狀和尺寸，以提高其結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

8.2加強(qiáng)道床板中心位置的支撐和加固

根據(jù)上述研究結(jié)果，我們建議在實際施工和維護(hù)過程中，特別注意加強(qiáng)道床板中心位置的支撐和加固，以防止發(fā)生較大的應(yīng)力集中和變形破壞現(xiàn)象。例如，可以采用更加穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)或者在中心位置處設(shè)置加強(qiáng)板等措施，以提高道床板的整體穩(wěn)定性和耐久性。

8.3進(jìn)一步研究其他影響因素對道床板狀態(tài)的影響

雖然本文對列車荷載和溫度對道床板狀態(tài)的影響進(jìn)行了研究，但其他因素對道床板狀態(tài)的影響仍需進(jìn)一步探究。例如，空氣流動對道床板的影響以及縱向荷載對道床板變形的影響等問題需要進(jìn)一步研究，以便更好地指導(dǎo)實際施工和維護(hù)過程中的操作。

總之，本文從道床板狀態(tài)的變化規(guī)律入手，探究了列車荷載和溫度對道床板狀態(tài)的影響。研究結(jié)果表明列車荷載和溫度是影響道床板狀態(tài)的重要因素，并提出了相應(yīng)的建議和展望，為優(yōu)化無砟軌道的設(shè)計和維護(hù)提供了一定的理論參考。8.4探究道床板和軌道之間的相互作用

道床板和軌道之間的相互作用對無砟軌道的性能和穩(wěn)定性有著關(guān)鍵的影響，但目前這方面的研究還十分有限。將來的研究可以考慮通過加強(qiáng)軌道和道床板之間的連接來減小二者之間的相對位移，并研究不同連接方式對軌道和道床板的交互作用的影響。

8.5開發(fā)新型材料和新型結(jié)構(gòu)

無砟軌道是一項需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新的技術(shù)，新型材料和新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)對于提高無砟軌道的性能和穩(wěn)定性具有重要意義。例如，可以開發(fā)具有更強(qiáng)抗彎和抗剪強(qiáng)度的復(fù)合材料或者金屬材料，并針對無砟軌道的特點設(shè)計新的結(jié)構(gòu)形式，以提高無砟軌道的整體性能和壽命。

8.6推廣無砟軌道技術(shù)

由于無砟軌道技術(shù)的成本相對較高，目前在我國的應(yīng)用尚不廣泛。因此，在推廣無砟軌道技術(shù)的過程中，需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等角度綜合考慮，并制定合理的政策措施，以促進(jìn)無砟軌道技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

總之，無砟軌道是一項具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，實現(xiàn)其穩(wěn)定和可靠運行對于我國鐵路交通事業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。本文探究了列車荷載和溫度對道床板狀態(tài)的影響，并提出了相應(yīng)的建議和展望。在未來的研究中，需要進(jìn)一步探究其他影響因素的作用以及開發(fā)新型材料和新型結(jié)構(gòu)，以提高無砟軌道的性能、穩(wěn)定性和壽命，從而更好地為鐵路運輸服務(wù)。8.7優(yōu)化無砟軌道的維護(hù)和管理

無砟軌道的維護(hù)和管理是確保其安全和可靠運行的重要保障。對于無砟軌道，常規(guī)維護(hù)包括軌道磨損、道床板疲勞受損、道碴覆蓋厚度等方面的檢查與維護(hù)。另外，需要建立專業(yè)的設(shè)備管理部門，實行設(shè)備的定期檢修、維護(hù)和更換，以保證設(shè)備的正常運行。

8.8推進(jìn)智能無砟軌道技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展，智能化技術(shù)在鐵路運輸領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。將智能化技術(shù)應(yīng)用于無砟軌道，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制，提高運行效率和安全性。例如，可以在無砟軌道上部署傳感器，實時監(jiān)測道床板狀態(tài)和列車荷載，并通過智能算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提前預(yù)警可能存在的問題，并及時采取相應(yīng)的措施。此外，可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立無砟軌道的遠(yuǎn)程維護(hù)與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對無砟軌道的集中管理和維護(hù)。

8.9推動國際合作，加速無砟軌道技術(shù)的發(fā)展

無砟軌道技術(shù)是一項具有國際性的技術(shù)，各國在這方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模。通過加強(qiáng)國際合作，可以共同面對無砟軌道技術(shù)面臨的的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)技術(shù)和信息交流，共同推動技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

9結(jié)論

本文通過分析列車荷載和溫度對無砟軌道道床板狀態(tài)的影響，指出溫度變化對無砟軌道穩(wěn)定性的影響更大。針對無砟軌道存在的問題，并從技術(shù)、管理和國際合作等方面提出了相應(yīng)的建議和展望。在未來的研究中，需要探究其他影響因素對無砟軌道的影響，并進(jìn)一步開發(fā)新型材料和新型結(jié)構(gòu)，以提高無砟軌道的性能、穩(wěn)定性和壽命。同時，需要加強(qiáng)智能化技術(shù)在無砟軌道領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)無砟軌道的實時監(jiān)測、控制和遠(yuǎn)程管理。未來，無砟軌道技術(shù)將有更加廣闊的應(yīng)用前景。隨著通信技術(shù)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化鐵路運輸?shù)某蔀橼厔?。無砟軌道技術(shù)將在高鐵、城際鐵路等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且將被應(yīng)用于更加復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中。例如，在高寒、高海拔、砂漠、沼澤等惡劣環(huán)境中的鐵路建設(shè)，無砟軌道將會是較好的施工方式，并能夠滿足工程的需求。

值得注意的是，隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，環(huán)保型鐵路的建設(shè)將成為鐵路建設(shè)的重要方向。在這種情況下，無砟軌道技術(shù)將成為綠色鐵路建設(shè)的重要支撐。無砟軌道具有材料成本低、鋪設(shè)快、維護(hù)容易、運維成本低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境的和諧相處。

在國際合作方面，要注意推動合作與共贏，加強(qiáng)科技交流與合作，推動無砟軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的發(fā)展。與此同時，要積極爭取國家政策支持，鼓勵企業(yè)加大研發(fā)投入，創(chuàng)新技術(shù)手段，加快推進(jìn)無砟軌道技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用。

總之，無砟軌道技術(shù)在鐵路運輸領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。我們應(yīng)該積極探索和研究相關(guān)技術(shù)，不斷推進(jìn)無砟軌道技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用，不斷優(yōu)化和提升我國鐵路建設(shè)水平，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活貢獻(xiàn)力量。隨著我國鐵路建設(shè)不斷發(fā)展，并且進(jìn)入了高速發(fā)展階段，無砟軌道技術(shù)將成為必不可少的一部分。

除了在高速鐵路和城際鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用外，無砟軌道技術(shù)在城市軌道交通、煤炭鐵路、港口物流等領(lǐng)域也可