楊冠嶺，陳小平，王 平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

隨著客運專線、快速鐵路和城市交通建設與發(fā)展，有越來越多的無縫道岔鋪設在橋上，橋上鋪設無縫道岔成為了又一關鍵技術難題，是橋上無縫線路、無縫道岔、橋上縱連板式無砟軌道的綜合應用［1］。此橋上無縫道岔軟件是利用ANSYS軟件開放的體系結(jié)構，基于ANSYS二次開發(fā)技術得來的非線性有限元程序，它可以自動完成建模、荷載的施加以及方程的求解，并且可以適應不同跨度的橋梁，更重要的是它能夠?qū)蛏显O置車站道岔群進行計算求解，是橋上無縫道岔設計的通用軟件，能夠為橋上設置車站、渡線提供設計依據(jù)，為橋上道岔群的鋪設、道床板、橋梁等的設計提供理論指導，對高速軌道的發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

1 橋上無縫道岔的計算理論

1.1 計算模型

橋上鋪設縱連板式無砟軌道無縫道岔存在幾個復雜的相互關系:道岔與道岔板縱向相互作用關系，道岔板與底座板縱向相互作用關系，底座板與橋梁縱向相互作用關系，橋梁與墩臺縱向相互作用關系，相鄰股道底座板縱向相互作用關系等。

軟件對于全橋底座縱連板式無砟軌道無縫道岔進行受力和變形分析時，將道岔、道岔板、底座板、橋梁和墩臺看做一個有機的整體，建立岔—板—橋—墩一體化模型。模型中還考慮扣件縱向阻力，道岔板和底座板的縱向阻力，道岔板與底座板的剛度折減，底座板與滑動層的摩擦阻力，橋梁墩臺頂縱向水平剛度等關鍵因素。

全橋底座板縱連板式無砟軌道無縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型有如下假定:

1)道岔尖軌與可動心軌前端可以自由伸縮，不考慮轍叉角大小的影響;

2)鋼軌為縱向連續(xù)長梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量，鋼軌按支承節(jié)點劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;

3)鋼軌和道岔板間產(chǎn)生縱向相對位移，二者通過扣件相互作用，扣件阻力與鋼軌、道床板的相對位移為非線性關系，作用于鋼軌節(jié)點與道床板節(jié)點上，方向為阻止鋼軌相對道岔板位移方向;

4)考慮間隔鐵阻力對鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌間的位移呈非線性關系;

5)考慮轍跟限位器在基本軌與導軌間所傳遞的作用力，設道岔鋪設時限位器子母塊居中，當子母塊貼靠時，限位器阻力與兩鋼軌間的相對位移呈非線性關系;

6)假設橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動支座抵抗伸縮的阻力可忽略不計，不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳至墩臺上，阻止橋梁縱向變形的剛度就為墩臺頂縱向水平剛度;

7)橋梁墩臺頂縱向水平剛度為線性，包含在支座頂面在縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎傾斜、基礎平移及橡膠支座的剪切變形等引起的支座頂面位移;

8)底座板與橋梁間產(chǎn)生縱向相對位移，二者通過滑動層與剪力齒槽進行縱向相互作用，滑動層的摩擦阻力與二者間的相對位移為非線性關系，剪力齒槽縱向作用力與二者間的相對位移為線性關系;

9)假定瀝青砂漿對道岔板和底座板提供非線性阻力作用，道岔板和底座板間的非線性阻力隨著二者的相對位移呈非線性變化，非線性阻力的最大值依據(jù)相關試驗數(shù)據(jù)確定;

10)底座板與端刺和摩擦板產(chǎn)生縱向相互作用，端刺縱向剛度為線性，摩擦板與底座板的摩擦阻力為非線性;

11)相鄰股道鋼軌、道岔板和底座板的縱向受力相互影響，一股道組合板上的縱向力通過道岔板或底座板的橫向連接和梁體傳遞，作用于另一股道上。

圖1 岔—板—橋—墩一體化模型

圖1所示的岔—板—橋—墩一體化模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺、底座板上縱橫向凸臺、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用［2］。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮，使得計算模型更接近實際。

1.2 求解方法

此系統(tǒng)采用桿單元、梁單元、線性彈簧單元和非線性彈簧單元四種類型的單元來模擬，道岔板、底座板用彈簧梁單元模擬，該梁單元是單軸承受拉力、壓力及力矩的單元，每個節(jié)點具有X與Y位移方向及繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度3個自由度，對一個單元來說有6個自由度，由于本模型只考慮單軸拉壓不考慮扭轉(zhuǎn)與剪切。

扣件縱向阻力和滑動層摩擦阻力為非線性彈簧單元，每個節(jié)點都具有1個自由度，彈簧所受拉壓力與彈簧的拉伸與壓縮量呈非線性關系。橋梁墩臺固定支座、剪力齒槽以及端刺為線性彈簧單元，每個點各具有一個沿單元軸向的平動自由度，彈簧所受的拉力或壓力與其伸或壓縮量呈線性關系。根據(jù)上述單元離散結(jié)構，對各節(jié)點進行編號，寫出所有單元剛矩陣，再按照對號入座法則由單剛集成總剛，把非節(jié)點力等效為節(jié)點力，并引入靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件，可得到系統(tǒng)的平衡方程。然后利用稀疏矩陣直接求解法，計算出在給定荷載作用下每一節(jié)點的位移，進而計算所有部件的受力和變形［3］。

2 軟件的開發(fā)過程

2.1 參數(shù)化程序設計語言

APDL是采用 FORTRAN程序語法的方式進行編程，提供一般程序語言功能，如參數(shù)、宏變量、變量、向量及矩陣的一般運算。利用 APDL參數(shù)化設計語言與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分與控制、材料定義、荷載和邊界條件定義、分析控制和求解以及后處理結(jié)果顯示。從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程，極大地提高了分析效率。軟件運用 APDL語言編寫橋上縱連板式無縫道岔計算程序，并將程序保存為宏文件以供隨時調(diào)用。

2.2 軟件設計思路

利用APDL語言實現(xiàn)修改參數(shù)和嵌入ANSYS環(huán)境功能模塊的開發(fā)，并將程序保存成宏文件 qszlbdc.mac便于調(diào)用。宏文件調(diào)用運用 FORTRAN語言編制的qszlbdc.exe，clq.exe執(zhí)行文件，主要實現(xiàn)獲取計算參數(shù)、傳遞計算參數(shù)、輸出數(shù)據(jù)文件的功能;ANSYS獲取計算參數(shù)后進行建模、網(wǎng)格劃分、計算，最后將計算結(jié)果傳遞給qszlbdc.exe執(zhí)行文件，由qszlbdc.exe將計算結(jié)果文件輸出，并且本軟件還引入了 check.dat文件，在將輸入文件qszlbdc_in.dat中的相應數(shù)據(jù)輸入或修改完成后，可以先執(zhí)行 qszlbdc.exe，然后在 check.dat文件中檢查數(shù)據(jù)輸入是否正確，以確保在輸入數(shù)據(jù)正確的基礎上用ANSYS進行計算。

該軟件能夠快速高效地對橋上縱連板無縫道岔群進行計算，只需要將相應數(shù)據(jù)在指定文件qszlbdc_in.dat中輸入或修改相應數(shù)據(jù)，然后再在 ANSYS命令窗口中輸入相應的宏文件名，之后的所有計算將會由軟件自動完成，所有的計算結(jié)果將保存于ANSYS工作目錄里，計算結(jié)果文件有16個。這些文件的計算結(jié)果包括了鋼軌力、位移，軌道板底座板受力與位移，橋梁、固結(jié)機構、端刺、墩臺的受力與位移，以及道岔各部分的受力與位移，并且可以對某些部件的最大力與最大位移做出統(tǒng)計。運行jgcl.exe可執(zhí)行文件，輸入某一股道、某一鋼軌的編號、某一道岔的編號(道岔從第1股道開始依次編號)，程序?qū)⒆詣由稍摴傻肋@一鋼軌的力和位移文件(res_ggl_nn.dat和 res_ggwy_nn.dat)，同時生成鋼軌力和位移的計算結(jié)果統(tǒng)計，分別為res_ggl_tj.dat和 res_ggwy_tj.dat，其中 res_ggwy_tj.dat用于統(tǒng)計各組道岔尖軌和心軌尖端的最大縱向位移，以判斷轉(zhuǎn)換設備能否適應。軟件使用流程見圖2。

圖2 軟件使用流程

3 應用實例

3.1 計算資料

以某高架站右咽喉為例進行計算，橋梁參數(shù)由設計院圖紙得知，鋼軌最大降溫取46℃，軌道板最大降溫取28℃，底座板最大降溫取58℃，橋梁最大降溫取20℃，道岔為18#道岔，考慮軌道板與底座板完全開裂，滑動層失效的最不利工況。軌道布置與橋梁布置見圖3。

3.2 部分計算結(jié)果(見圖4和圖5)

3.2.1 基本軌受力與位移

由圖4可以看出鋼軌最大溫度力為1 261 kN，距左橋臺690 m處，為8#道岔前端處，經(jīng)計算基本軌動彎應力最大為 120.9 MPa，所以鋼軌總應力為 283.7 MPa，小于鋼軌允許應力363.1 MPa。

3.2.2 道岔各部件位移與受力

由表1可以看出，尖軌最大相對位移為19.809 mm，小于規(guī)定限值30 mm，心軌最大相對位移為5.046 mm，小于最大限值20 mm;經(jīng)計算限位器與間隔鐵受力均小于其螺栓抗剪強度，符合受力要求。

3.2.3 軌道板受力與位移(見圖6和圖7)

由圖6可知，軌道板最大溫度力為1 271 kN，距左橋臺597 m，位于7#、8#道岔之間，經(jīng)計算軌道板受力不超限。

3.2.4 其它部件受力

由表2和圖8、圖9所得數(shù)據(jù)，可以為設計院提供橋梁墩臺、固結(jié)機構以及端刺的設計依據(jù)。

圖3 某高架站右咽喉橋上道岔布置

圖4 基本軌溫度力

圖5 3、4股道基本軌相對下部基礎位移

表1 道岔各部件結(jié)果

圖6 3、4股道軌道板溫度力

圖7 3、4股道軌道板縱向位移

表2 端刺的縱向力 kN

4 結(jié)束語

本文以有限元軟件ANSYS為計算開發(fā)平臺，利用APDL語言進行二次開發(fā)，提供了一種高效實用的橋上縱連板式無縫道岔通用計算軟件。該軟件可以對不同形式的長大橋上無縫道岔群進行計算，使橋上無縫道岔的計算過程變得十分的快捷簡單，為橋上縱連板式無縫道岔的鋪設與設計提供了依據(jù)，更加方便了設計者。從設計院反饋的信息表明，橋上縱連板式無縫道岔計算軟件數(shù)據(jù)分析準確可靠，計算過程高效快捷，可大大提高橋上縱連板式無縫道岔設計的效率。

圖8 橋梁固定支座受力

圖9 固結(jié)機構受力

［1］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007:240-245.

［2］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程 CRTSⅡ型板式無砟軌道技術總結(jié)報告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

［3］翟淼，陳小平，王平.基于有限單元法的轉(zhuǎn)轍器扳動力計算軟件開發(fā)及應用［J］.鐵道建筑，2008(12):74-76.

［4］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［5］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學出版社，2004.

［6］鐵道部第三設計院.道岔設計手冊［M］.北京:人民鐵道出版社，1975.