1、1板桩轨道结构静力分析研究ResearchandDesign与设计板桩轨道结构静力分析王翠娟,段树金,任彦茹(石家庄铁道学院土木工程分院,河北石家庄 050043)摘 要:提出了一种简化的板桩轨道结构静力计算模型,得出不同桩刚度、桩距、路基刚度条件下轨道板的最大位移和最大转角及其变化规律,从而为板桩轨道结构的设计应用提供理论依据。关键词:板桩轨道结构;静力分析;计算模型;桩刚度;桩距; 路基刚度中图分类号:U213.24 文献标识码 :A 文章编号:1672-3953(2005)04-0031-04模型。根据 Winkler 模型,弹性支点的反力与连续1 引言2作为无碴轨道结构的一种,板式轨道
2、原则上只用梁的线性位移成比例,反力 R 与位移 y 的依赖关系为(参照图 1(a)R=-Dy式中,D 为弹性支点的刚度系数。Winkler 假设与连续梁的实际反力与位移的关系有如下不相符之处:连续梁向下挠曲和向上挠曲时遵从同一反力)位移特性关系式,这是不符合实际情况的。实际上,连续梁向下挠曲和向上挠曲时,基础反力与位移的依赖关系是迥然不同的。当连续梁向下挠曲时,显然连续梁受到向上的基础反力;当向上挠曲时,弹性基础并不能给连续梁施以向下的拉力,这时的基础反力是等于零的,为此作如下改进,如图 1(b)所示。R=-Dy (y0)R=0(y(1)于隧道、高架桥、混凝土桥面等混凝土基础之上。在一些特殊地
3、段,如在软弱路基、隧道之间或隧道与桥梁之间的较短的土质路基地段需铺设板式轨道时,原有的板式轨道结构形式无法满足其高平顺、少维修的要求,必须提出新的轨道结构体系解决上述问题。国外高速铁路土质路基上的无3碴轨道是通过混凝土道床或沥青混凝土道床来加固路基的。文献1提出了先在土质路基上灌注或打入混凝土桩,然后在上面铺设板式轨道的方案,即板桩轨道结构体系,其目的是利用桩基加固路基给轨道结构建立一个稳固的基础,以取代有碴轨道上的散粒体道床及土质路基基础。本文基于这一方案,提出了一种简化的板桩轨道结构静力计算模型,采用文献2,3所测定的各参数,对板桩轨道结构进行静力分析,得出不同桩刚度、桩距、路基刚度条件下
4、轨道板的最大位移和最大转角及其变化规律,从而为板桩轨道结构的设计应用提供理论依据。(2)22.1建立计算模型Winkler 假设的改进1在土与基础的相互作用中,一般采用 Winkler图 1 反力)位移关系曲线收稿日期:2005-07-19作者简介:王翠娟(1982), 女,硕士研究生2.2 模型的尺寸及边界条件选取文献4中的板式轨道实尺模型进行分析,4研究ResearchandDesign取 9106N/m,桩间距 a 分别取 2.224、2.78、3.336 和3.892m,桩的刚度 kp 分别选取5108、10108、 15108、20108、25108、30108N/m 等 6 种情况
5、 ,其相应板的最大位移 y、最大转角 H 如图3、4 所示(图中 a 为两桩之间沿铁路纵向的距离)。与设计轨道板单元长度为 493cm(沿轨道方向),宽度 240cm,厚度20cm。每个轨道板上设计了 9 个扣压件节点,节点间距为55.6cm。钢轨采用 60kg/m 轨,轨道板是用 C50 混凝土浇筑而成。根据轨道板的形状尺寸及受力特点,模型中桩的布置采用在轨下对称布置方式。空间模型如图 2 所示。图 2 板式轨道空间计算模型图 3 不同桩刚度下板的最大位移图中,将轨道板看作是弹簧点支撑的板,路基土弹簧采用改进的 Winkler 模型 ,其特点是只受压,不受拉,其弹簧刚度系数为 ks,桩则视为
6、刚度更大的弹簧,其弹簧刚度系数为 kp。轨道板两端限位柱处限制其水平方向位移,竖向自由,无转动约束。2.3单元的选取利用大型有限元分析软件 ANSYS 进行计算,参照文献5,5轨道采用 beam4 来模拟,轨道板采用 shell63 模拟,桩采用combin14 模拟,路基土弹簧采用 link10 来模拟。其中,shell63 单元有弯曲和膜性质,允许平面内和法向载荷。单元在每个节点有六个自由度:X、Y 、Z 方向的平移和绕X、Y、Z 轴的转动。可以使用应力刚度和大变形特性。link10 单元同时具有仅轴向受拉和仅轴向受压两个选项,若仅使用受拉选项时,如果单元受压,刚度就消失;同样仅使用受压选
7、项时,如果单元受拉,刚度也会消失。这与改进的Winkler 模型非常吻合 ,所以,link10 可以很好的模拟路基土弹簧。图 4 不同桩刚度下板的最大转角由于地基弹簧采用改进的 Winkler 模型,即使桩距较大时,板的跨中挠度仍小于板边缘的上翘位移,因此计算得到板的最大位移发生在板的边缘处,其值为负;最大转角发生在桩的外侧。由图 3、图 4 可知:在外加荷载不变、a 不变时,板的最大位移 y 随桩刚度 kp 的增大而减小,最大转角 H 则随 kp 的增大而增大。且 a 较小时,最大位移 y 的变化很小。也就是说桩距较小时,桩刚度的变化对最大位移的影响不大。荷载不变、kp 不变,a 较大时,桩
8、离板边缘距离近,最大位移y 随着 a 的增大而减小,最大转角 H 则随着 a 的增大出现先增大后减小的趋势。产生这种现象的原因是 a 在变化时,产6生最大转角 H 的位置也发生改变。在 kp 较小时,板的最大位移 y、最大转角 H3 计算结果分析3.1桩刚度对板桩轨道结构的影响计算中,荷载为轴重 100kN,对称施加于板中心位置的两钢轨上,板式轨道结构路基弹簧刚度系数 ks研究ResearchandDesign在 ks 较小时,板的最大位移 y、最大转角 H 变化较快,之后随着 ks 的增大而逐渐变慢。最大转角 H 的变化较最大位移 y 的变化快。在桩距较大时,最大位移 y 随着 ks 的增大
9、变化很小,也就是说在桩距较大时,ks 的变化对最大位移 y 的影响很小。与设计变化较快,之后随着 kp 的增大两者变化逐渐变慢。3.2路基刚度对板桩轨道结构的影响计算中,荷载为轴重 100kN,对称施加于板中心位置的两钢轨上,kp 选取 15108N/m,a 分别取2.224、2.78、3.336 和 3.892m,路基弹簧刚度系数 ks 取40、60、80、100、130MN/m 时,其相应板的最大位移 y 和最大转角 H 的关系如图 5、图 6 所示。4 结束语7(1)将桩简化为大刚度的弹簧,既考虑了桩的作用,又比桩土板全面建模省略了桩土非常复杂的相互作用,方便了计算。(2)由于地基弹簧采
10、用改进的 Winkler 模型,当板呈现负位移时,这部分路基土就会退出工作,不承担上面的荷载,这样就加重了剩余部分的受力,从而又导致了板负位移区的增大,两种现象相互影响,直图 5 不同路基刚度下板的最大位移到最后稳定。(3)桩距较小时,桩刚度的变化对最大位移的影响不大;桩距较大时,路基弹簧刚度的变化对最大位移 y 的影响不大。(4)在最大转角的变化图中,H 都随着 a 的增大出现先增大后减小的趋势,这说明在荷载、桩刚度、路基刚度一定的条件下,轨道板的最大转角随着桩距的变化会有一个极值。参考文献1梁智垚.轨道结构空间振动分析D.石家庄:石家庄铁道学院硕士论文,2004.68712雷晓燕.铁路轨道
11、结构数值分析方法M.北京:中国铁道出版社,1998.187196图 6 不同路基刚度下板的最大转角3林天健,熊厚金,王利群.桩基础设计指南M.北京:中国建筑工业出版社,1999.19219484江成.高速铁路高架桥上无碴轨道结构整体性能试验报告R.北京:铁道部科学研究院铁道建筑研究所,19985王其昌.高速铁路土木工程M.成都:西南交通大学出版社,1999.8391由图 5、图 6 可知,板的最大位移 y、最大转角 H 都随着ks 的增大而减小。荷载不变、ks 不变时,y 随着 a 的增大而减小,H 则随着 a 的增大出现先增大后减小的趋势。StaticAnalysisofSlab-PileT
12、rackStructuresWANGCu-ijuan,DUANShu-jin,RENYan-ru(SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)(下转第 44 页)研究ResearchandDesign决策系统中几个技术问题的研究J.上海铁道大学学报,2000,21(10):26313刘春煌,桑苑秋,李继先,等.沪宁线行车安全监控信息网络技术方案和管理中心的研究J.中国铁道科学,2002,23(6):152394Hansen.荷兰铁路最新研究成果 J.中国铁道科学,2001,23(6
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14、信息采集与基于 GIS的工务查询系统建立J.工程勘察,2003,(4):455312张金龙,王瑞么.南昌铁路局工务管理信息系统的研究开发J.铁路地理信息系统专集,2001,(8):272810与设计观地对它们进行管理,真正实现线路设备质量状态分析评价。(4)利用 GIS 技术的优势,为修理计划的制定、施工计划的安排提供可视化平台。参考文献1铁道部科技司.线路维修规则S.北京:中国铁道出版社,2001.3153192许玉德,李浩然,李海峰.铁路轨道养护维修计算机辅助OntheEstablishmentoftheUnifiedDatabasefortheCheckupofRailwayLineEq
15、uipmentYUANChang-qing1, HUANGShou-gang2, NIUHong-kai2(1.HeibeiRailwayDesignInstituteoftheBeijingRailwayBureau,Shijiazhuang050051,China;2.SchoolofTrafficEngineeringoftheShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)Abstract:Atpresent,alltherailwayengineeringdepartmentscollect,analyzeandproces
16、sallsortsofdataforcheckupindependently.Thistraditionalmethodhasmanydisadvantages.Thepaperpointsoutthatone11unifieddatabaseshouldbebuilttointegrateandprocessallthedataforcheckup,anditalsosuggestsapracticalmethodtoanalyzeandprocessthedataforcheckupbyusingtheGIStechnology.Keywords:dataforcheckup;databa
17、se;GIS;therailwayengineeringworks(上接第 33 页)Abstract:Asimplifiedanalysismodelisproposedtosolvethestaticanalysisproblemoftheslab-piletrackstructures.Themaximumbendingangleandthedisplacementoftheslabandtheirchangelawsareob-tainedunderdifferentconditions,suchasthedistancebetweentwopiles,thestiffnessofthepiles,andthestiffnessofthefoundation.Thepresentpapermayserveasareferenceforthedesignandapplicationofsimilarslab-piletrackstructures.Keywords:slab-piletrackstructure;pilestiffness;distancebetweentwopiles;foundationstiffness百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆
