CRTSⅢ型板式无砟轨道静力学模型

CRTSⅢ型板式无砟轨道静力学模型
1.1有限元软件的选择
现在世界上流行的有限元分析软件主要由美国的ANSYS、ADINA、HKC、MSC四个比较知名的公司生产，常用的有：ANSYS公司生产的Ansys软件，ADINA公司生产的Adina软件，HKC公司生产的Abaqus软件和MSC公司生产
的Marc、Nastran、Dytran软件等。

这些有限元分析软件在分析功能上有着自身
独有的特点，Ansys是商业化比较早的软件，在国内知名度高，应用广泛；Adina
是唯一能够独自做到流固耦合的软件，其他软件必须与别的软件搭配进行迭代分
析才能做到结构、流体、热的耦合分析，但是进入中国比较晚，市场没有完全铺开；MSC公司生产的软件是比较老的软件目前更新速度比较慢；Abaqus是结构
分析能力最强的软件。

本文针对所研究的问题所选取的有限元分析软件是Abaqus，现将Abaqus软
件与其他软件进行对比分析，说明Abaqus软件独有的特点与优势：（1）Abaqus
不仅能够解决线性求解问题，还能解决特别复杂的非线性求解问题，Abaqus在
求解非线性问题有着独特的优势；（2）Abaqus具有十分完备的单元库，可以模
拟任意形状的几何体，再加上丰富的材料模型库，基本上
可以模拟典型工程的所有材料，包括钢筋混凝土、金属、
橡胶、复合材料以及地质材料（土壤、岩石）等[51]；（3）
Abaqus不仅能够进行静态和准静态分析、瞬态分析、弹塑
性分析、模态分析、几何分线性分析、断裂分析、疲劳和
耐久性分析等，而且能够进行热固耦合分析、流固耦合分
析、质量扩散分析、声场和声固耦合分析等；（4）在一个
非线性求解问题中，Abaqus不仅能自动选择相应载荷增量
和收敛限度，而且能连续调节参数来保证在分析过程中得
到有效的精确解。

因此，用户通过定义准确的参数就能很
好的控制数值计算的结果[52]。

（5）Abaqus软件针对不收敛
问题的求解能力比其他软件都要强，而且计算速度比较
快。

一个完整的Abaqus分析过程，通常由前处理
图3-1 Abaqus分析步骤（Abaqus/CAE）、分析计算（Abaqus/Standard或Explicit）
和后处理（Abaqus/CAE或Viewer ）三个明确的步骤构成。

前处理阶段主要是生
成物理问题的模型，包括创建部件、创建材料和截面属性、定义装配件、设置分析步、定义边界条件和荷载和划分网格等，并生成一个Abaqus输入文件，提交给Abaqus/Standard或Explicit；在分析计算阶段，通常以后台的方式运行，分析结果以二进制的方式保存在文件中，以便于后处理。

完成一个求解的过程会根据模型的复杂程度和计算机的运算能力来决定，一般从几秒到几天时间不等；后处理模块可以读入分析结果数据，并能够以彩色云图、变形图、动画和XY曲线图等多种方式显示结果。

1.2无砟轨道结构模型
本文运用ABAQUS软件建立了CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型，其主要由钢轨、扣件系统、轨道板、门型钢筋、自密实混凝土、土工布隔离层、底座板、实验室底座等[53,54]组成。

图3-2 CRTSⅢ型轨道板结构组成
图3-3 CRTSⅢ型轨道板横断面
1.2.1钢轨及扣件模型
本模型根据工程实际情况选取了我国高速铁路现行钢轨类型中的60kg/m钢轨，其断面尺寸见图3-4。

图3-4 60kg/m钢轨（单位：mm）
将在CAD软件中建好的钢轨断面图另存为sat格式，并通过Import-Sketch 命令将钢轨断面图导入到Abaqus中，并用实体单元来进行模拟。

图3-5 CAD导入图图3-6 划分网格钢轨钢轨参数见表3-1。

表3-1钢轨设计参数
名称数值单位
质量60.64kg/m
断面积77.45cm2
弹性模量205.9GPa
密度7830kg/m3
热膨胀系数 1.18e-51/℃
泊松比0.3-
横轴惯性矩3217cm4
竖轴惯性矩514cm4
根据工程实际情况，扣件选用WJ-8型扣件。

扣件考虑了纵向、横向和垂向的刚度和阻尼，将钢轨与轨道板之间的单元节点连接起来，采用线性弹簧-阻尼单元进行模拟，间距为0.63m，每个扣件提供的最大纵向阻力为9.0KN。

扣件系统模拟具体参数[55]见表3-2。

表3-2 扣件设计参数
名称扣件系统数值单位
横向刚度50kN/mm
纵向刚度15.12kN/mm
垂向刚度35kN/mm 传统建模方法采用单根弹簧模拟扣件有可能引起下部轨道板应力集中，鉴于此本文建立了扣件垫板模型，使扣件力均布地传到轨道板上，并约束了扣件端部的转动[56]。

图3-7 垫板模拟示意
1.2.2轨道板参数
轨道板是由预制的预应力钢筋混凝土组成的结构，混凝土强度等级取为C60。

单块轨道板的尺寸为长5600mm、宽2500m、厚210mm。

相邻两板之间设置宽为70mm的板缝，轨道板具体布置图如图3-8所示。

图3-8 轨道板平面布置图（单位mm）
轨道板材料参数[57]见表3-3所示：
表3-3 轨道板结构参数
部件名称参数名称数值单位
轨道板尺寸（长×宽×厚） 5.6×2.5×0.21m 密度2500kg/m3弹性模量36.5GPa
泊松比0.2-
热膨胀系数1e-51/℃
1.2.3门型钢筋参数
门型钢筋采用三维梁单元进行模拟，并通过embed功能连接轨道板和自密实混凝土。

其空间位置示意图如图3-9所示，在轨道板上共布置了40组门型钢筋，如图（b）以虚线为分界线，虚线以上部分锚固于轨道板、虚线以下部分锚固于自密实混凝土[58]。

图3-9 门型钢筋示意图
门型钢筋材料参数如表3-4所示：
表3-4 门型钢筋结构参数
部件名称参数名称数值单位
门型钢筋
截面尺寸0.006m 密度7851kg/m3弹性模量200GPa 泊松比0.3-热膨胀系数 1.2e-51/℃
1.2.4自密实混凝土参数
自密实混凝土的混凝土强度等级为C40，其尺寸为长5600mm、宽2500mm、厚100mm。

并在其下部区域设置两块尺寸为长700mm、宽1000mm、深100mm 的凸台与底座板凹槽相连。

并且自密实混凝土与底座板之间铺设了4mm的土工布。

其外形图如图3-10所示。

图3-10 自密实混凝土双凹槽外形尺寸图（单位：mm）自密实混凝土的材料参数如表3-5所示：
表3-5 自密实混凝土结构参数
部件名称参数名称数值单位
自密实混凝土上部尺寸（长×宽×厚） 5.6×2.5×0.1m 凸台尺寸（长×宽×厚） 1.0×0.7×0.1m 密度2450kg/m3
弹性模量32.5GPa
泊松比0.2-
热膨胀系数1e-51/℃
1.2.5底座板模型
底座板的混凝土强度等级取C40，其尺寸为长16.99m、宽3.1m、厚0.3m。

采用三块纵连的单元式方案[59]，即在其中部共设有6个凹槽，与上部自密实混凝土凸台相咬合，凹槽四周填充弹性垫层。

底座板布置图如3-11所示，凹槽弹性垫层示意图如3-12所示。

图3-11 底座板平面尺寸图（单位mm）
图3-12 凹槽弹性垫层示意图
底座板材料参数如表3-6所示：
部件名称参数名称数值单位
底座板
尺寸（长×宽×厚）16.99×3.1×0.3m 凹槽尺寸（长×宽×厚） 1.0×0.7×0.1m 密度2500kg/m3
弹性模量32.5GPa
泊松比0.2-
热膨胀系数1e-51/℃
1.2.6 实验室底座模型
由于实际实验室设置时，需要在轨道结构底部设置一弹性底座，根据第二章设计的温度实验室规模，初步将其尺寸设为长24m 、宽3.4m 、厚0.35m ，布置形式见2.2.1模型内部示意。

实验室底座参照路基的材料参数进行设置[36]，其材料参数如表3-7所示：
表3-7 实验室底座结构参数
部件名称
参数名称 数值 单位 实验室底座
尺寸（长×宽×厚）
24×3.4×0.35
m 密度
2100 kg/m 3 弹性模量 0.13 GPa 泊松比 0.3 - 热膨胀系数
1e-5
1/℃
1.2.7 轨下模型的建立
轨下基础由轨道板、门型钢筋、自密实混凝土、底座板、实验室底座等组成。

本文为了更好的贴近工程实际情况，显示各个部分的受力情况，全部部件选用空间实体单元进行模拟。

图3-13 轨道板模型图 图3-14
自密实混凝土层模型
图
图3-15 底座板模型图图3-16 实验室底座模型图
图3-17 CRTSⅢ板式轨道整体模型示意图
本文研究的是在无砟轨道温度实验室内各种复杂温度荷载作用下轨道板的力学特征。

为了消除边界效应，取三块轨道板纵连来建立有限元模型，研究对象为中间部分。

为了取得更加精确的结果，并保证模型的收敛性，从最上的轨道板到最下的实验室底座进行网格细化并完全对齐。

1.2.8 接触及约束定义
1）钢轨两端采用对称约束。

2）轨道板和自密实混凝土间粘接良好，采用tie 连接模拟。

3）自密实混凝土和底座板的水平接触面上铺设土工布隔离层，采用接触单元来模拟，摩擦系数取0.7；自密实混凝土凸台四周与底座板凹槽处填充着弹性橡胶垫层，也采用接触单元模拟，接触刚度为0.1GPa 。

4）由于实验时，考虑到轨道结构固定于实验室底座上，故底座板和实验室底座之间采用tie 连接模拟。

5）实验室底座横断面采用对称约束，底部完全固结。

1.3 模型分析验证
以盘锦、营口等寒冷地区为例，考虑最大升温45℃，底座板底部约束改用接地弹簧来模拟，不考虑钢轨自重，温度荷载仅作用与轨道板和自密实混凝土部件，进行本文模型试算。

将计算结果同以沈阳市为例的温度工况仿真模拟结果[60]进行对比，见表3-8。

表3-8 升温条件下部件受力与变形
本文模型扣件的纵向刚度参考铁四院试验结果取为15.12kN/mm ；以实验室底座来代替路基；采用垫板传力。

可见与参考模型有一些不同。

但总体来看，在整体升温45℃工况下的计算结果同参照的结果较为接近，故所建立的模型可以应用于下一步的理论分析。

模型 部件 纵向应力/MPa 横向应力/MPa 纵向位移/mm 横向位移/mm 参考模型
轨道板 0.013/-0.498 0.120/-0.137 1.300/-1.829 0.619/-0.651 自密实混凝土 0.714/-0.390 0.165/-0.279 1.319/-1.844 0.618/-0.649 底座板 0.303/-4.600 0.399/-0.459 3.220/-3.249 0.732/-0.730 本文模型
轨道板 0.021/-0.423 0.146/-0.067 1.253/-1.253 0.566/-0.566 自密实混凝土 0.726/-0.310 0.114/-0.195 1.254/-1.254 0.563/-0.563。