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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 作为无碴轨道结构的一种,板式轨道原则上只用 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) 2 2.1 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, 研究 ResearchandDesign 取9@106N/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5@108、10@108、15@108、20@108、25@108、30@108N/m等6种情况,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],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