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摘要：短枕型无砟轨道由于其空间占用小、节约材料、易于运输等优点，已经被越来越多应用在轨道交通建设中。尤其在地铁、高架桥中越来越多的使用。本文采用三维建模软件Solidworks对普通短枕型轨道和优化短枕型轨道进行了三维实体建模，并使用有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行了多种工况下的受力分析，得到了应力应变云图，并进行了对比分析。理论上说明了本设计提出的优化短枕型轨道基本满足强度要求。
关键词：短轨枕；无砟轨道；三维建模；受力分析
1 绪论
1.1 短轨型无砟轨道简介
传统的轨道结构型式为碎石道床，其优点是减少地面应力，提高了轨道的弹性和排水性能，便于维修等；其缺点是容易下陷，维修频繁，维修费用较大。
无砟轨道的类型可分为有轨枕的无砟轨道和无轨枕的无砟轨道，目前，短枕型无砟轨道在城市轨道交通中广泛应用。兰州、成都、郑州、深圳、等城市都有采用。在高架桥、隧道等建设条件相对苛刻的情况下，短轨枕的合理使用更是对高架桥自重减轻有较大作用。
2 普通短枕型与优化短枕型轨道仿真设计
2.1 普通短枕型轨道零部件结构仿真及装配
在软件结构仿真过程中，以轨道的两个具有代表性的零部件，轨枕和道床为例来表达其三维仿真过程。利用 Solidworks 中的相应功能进行建模。
2.1.1轨枕
根据尺寸数据，运用SolidWorks软件建立短轨枕三维模型
图3 短枕型轨道完整装配
2.2 优化型短枕型轨道结构设计及分析
由此本设计提出一种改进型短枕型轨道。
其结构改进主要是：
（1）将普通短轨枕的上视截面改造成梯形，靠轨道内侧的截面小，靠轨道外侧的截面大，
（2）将道床上，介于左右两侧轨枕之间的混凝土除去，深度于轨枕底面平齐，
通过改进轨枕和道床的结构形状，得到初步达到预期要求的优化短枕型轨道。根据相对位置关系及装配关系，运用Solidworks装配功能进行虚拟装配，得到其完整结构如下图4。
图4 优化型短轨枕轨道完整装配图
3 两种短枕型轨道的受力分析
3.1 ANSYSworkbench 静力学分析概述
本文所采用的是ANSYS Workbench软件。
3.1.1两种短枕型轨道结构静力分析
3.1.1.1约束与加载
由于轨枕是嵌入道床内，考虑到在日常使用时轨枕在道床中的稳定性和安全性，下文中将分别考虑两种短枕型轨道在受到到垂向拉力、横向载荷、垂向压力和扭转，得出其应力应变等计算结果。
（1）垂向压力
使用ANSYS软件Statics Structural工程中Analysis Setting设置fixed support载荷类型，在道床底面设置一个固定约束，再在Analysis Setting中设置force载荷类型，在短轨枕上表面（受力面为铁垫板矩形轮廓）施加一个大小为700kN的拉力，方向垂直道床表面向下。
（2）扭转载荷
由于被扣件和铁垫板固定的钢轨在列车运行时，会产生由铁垫板对轨枕上表面的扭转。使用ANSYS软件Statics Structural工程中Analysis Setting设置fixed support载荷类型，在道床底面设置一个固定约束，再在Analysis Setting中设置force载荷类型，在短轨枕铁垫板覆盖表面左右两面分别施加大小50kN，竖直方向相反的力。两种短枕型轨道在载荷加载的大小和位置完全相同。
3.1.1.2求解运算结果
（1）垂向压力
利用软件ANSYSworkbench工程中solve模块，分别仿真解出两种短枕型轨道在受到垂向压力时应力应变云图，如下图5所示。
a）普通短枕型轨道 b）优化短枕型轨道
图5两种短枕型轨道等效应变云图对比
计算结果及分析：由上图可以看出，两种轨道在受到横向载荷时，轨枕与道床均出现形变，且等效应力应变最大值分别出现在靠内侧的套筒孔内壁上和靠外侧的套筒孔内壁上。最大应变值分别为0.000292mm和0.00004119mm，由此看出优化短枕型轨道应变较普通型略小，但是都在合理范围内。而，轨枕的通透一端产生了一定的位移，应力值并不大，满足强度要求。
（2）扭转载荷
利用软件ANSYSworkbench工程中solve模块，分别仿真解出两种短枕型轨道在受到扭转载荷时应力应变云图，如下图6所示。
a）普通短枕型轨道 b）优化短枕型轨道
图6 两种短枕型轨道等效应变对比图
计算结果及分析：由图3.13可以看出，当两种轨道受到垂直方向顺时针的扭转时，普通短枕型轨道在外侧套筒孔边缘处出现应力应变最大值，而优化短枕型轨道在内侧套筒孔边缘处出现应力应变最大值，一个在受拉力位置一个在受压力位置，由于应变值较小，满足强度要求，二者的等效最大应力分别为1.9201MPa和1.9426MPa，普通短枕型轨道应力集中点应力略微超过C50混凝土抗拉强度1.89MPa，故在该工况下，普通短枕型轨道受到的最大扭转力大约为50kN，而优化短枕型的应力最大位置是受压力的，且最大应力1.9426MPa也远小于C50抗压强度50MPa，故在该工况下，优化型短枕型轨道在理论上满足强度要求。
在图中还可以看出，在该工况下，轨枕边界棱角处也出现了一定的应力集中情况，为了，但最大值并未超过C50混凝土的抗拉强度或抗压强度。
4几种端部通透的短枕型轨道推广建议
4.1 关于优化短枕型轨道改进
上一章节详细介绍了优化短枕型轨道与普通短枕型轨道的受力特性分析，尽管从理论上其基本满足强度要求，但是，从应力应变图中分析可以看出，在某些位置应力集中现象并没有得到有效避免。另外，在轨枕受到竖直向上的拉力时，轨枕与道床的附着力显得不够，仍存在不可靠的可能性。故为了这些不足之处对整个轨道结构的影响，下面提出几点改进：1）在轨枕上表面边缘处，将棱角改为45度的倒角；2）在轨枕与道床接触的两个侧边做出三条凹槽。将以上改进在三维模型中实现，如图7所示。
b）轨道
图8 椭圆形短枕型轨道三维模型轨道示意图
考虑到现代混凝土强度越来越高，制造工艺的提高，故在普通短枕型轨道的基础上提出一种两端均通透的新型短枕型轨道。对于普通短枕型轨道进行了几点改进：1）将轨枕的上下表面改成圆弧形，并使上表面小于下表面；2）将道床上外侧混凝土去除使轨枕两段均通透。将以上改进在三维模型中实现，如图8所示。
4.2.2 三角形短枕型轨道设计
在普通短枕型轨道的基础上做出以下几点改进：1）将两端面面积大小比增大，其他尺寸保持不变；2）在两端通透的道床上将三角形轨枕交错排列。将以上改进在三维模型中实现，如图9所示。
b）轨道
图9 三角形短枕型轨道三维模型示意图
改进后的轨道，大大减少了混凝土材料的使用的同时，在受横向载荷的情况下能很好地将载荷分散到周围轨枕上，并实现平衡，使得该轨道均有一定的结构强度。
结论
短枕型无砟轨道由于其空间占用小、节约材料等优点，已经被越来越多应用在实际建设中。尤其在地铁、高架桥、隧道等特殊场合下占有越来越重要的地位。本文采用三维建模软件与有限元分析系统集成使用的方法对普通短枕型轨道和优化短枕型轨道进行了多种工况下的受力特性分析，得出了在各工况下应力应变分布情况和数据，并进行了对比分析。本文取得的主要结论有以下几点：
（1）使用三维建模软件Solid works建立各零部件并装配成整体，并根据实际工况给出一种改进方案，并建立出该优化短枕型轨道的三维模型；
（2）通过ANSYS Workbench有限元静力学分析得出：两种短枕型轨道在受到多种载荷时，容易产生应力集中的位置一般为棱角和边缘处，例如轨枕的上表面棱角以及套筒孔边缘处，对比两种轨道的分析结果，在理论上说明了本设计提出的优化短枕型轨道基本满足强度要求，
（3）通过仔细查看对比应力应变云图，根据应力应变的分布和集中位置，给出了相对应解决方案，例如在棱角处改用圆角、采用加固局部强度等方法。从而达到满足应力应变的前提下，最大程度地节省材料，降低建设成本，提高经济适用性。
（4）从两种短枕型轨枕的结构形式及受力特性分析得到启发，大胆提出了几种新型结构形式的轨道，并做了理论分析，对更进一步的短枕型轨道设计提供了一定帮助。
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论文作者:周航
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/26
标签：轨道论文; 轨枕论文; 应力论文; 应变论文; 载荷论文; 两种论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2017年第24期论文;