摘要本文設計研究的是石長鐵路(K16+000-K19+000)軌道結構設計路段的有砟軌道，以石門至長沙鐵路增建第二線的縱斷面貫通方案為設計資料，按照鐵路無縫線路設計規(guī)范對要求區(qū)域進行無縫線路設計。驗證有限元模型計算結果的正確性完成對所設計軌道結構的強度復核TB10015–2013路軌道設計規(guī)范》（TB10082-2017）關鍵詞：石長鐵路；無縫線路；ANSYS有限元分析；無縫線路結構設計；軌道受力計算

AbstractThispaperfocusesonthedesignandresearchofballasttrackstructuresfortheShiChangRailway(K16+000-K19+000)section,usingthelongitudinalprofileoftheShimentoChangshaRailway'ssecondlineadditionasthedesignbasis.TheseamlesstrackdesignisconductedinaccordancewiththeRailwaySeamlessTrackDesignSpecificationsfortherequiredareas.ThecontinuouslyweldedrailtrackdesignintegratestheoriginaltrackandtrackdesignspecificationstoselecttheappropriatetrackstructureforthespecifiedsectionoftheShiChangRailway.Subsequently,thedesignedtrackstructureisanalyzedusingtheANSYSsoftwarethroughfiniteelementanalysistoobtainthestaticreactionforceandbendingmomentdiagrams.Then,traditionalcalculationmethodslearnedareappliedtoverifytheaccuracyofthefiniteelementanalysisresultsfromANSYS.Iftheresultsfallwithintheallowableerrorrange,thefiniteelementanalysisisconsideredqualified.Afterpassingtheverification,thequasi-staticcalculationofthetrackstructureiscompleted.Followingthis,thestructuralstrengthofthedesignedrailsischeckedusingfiniteelementmethods,andtheresultsarere-verifiedusingtraditionalcalculationmethodstoensuretheaccuracyofthefiniteelementanalysis.Finally,themaincomponentsandquantitiesarecalculatedtocompletetheseamlesstrackdesignforthespecifiedsection.ThisdesignadherestotheRailwaySeamlessTrackDesignSpecifications(TB10015–2013)andthe"RailwayTrackDesignSpecifications"(TB10082-2017)asthestandardsforthedesign.TheShiChangRailwaysection(K16+000-K19+000)isdesignedaccordingtotherequirementsoftheoriginaldesigndata.Keywords:ShichangRailway;seamlesslines;ANSYSfiniteelementanalysis;Seamlesslinestructuredesign;Calculationofrailforces目錄TOC\o"1-3"\h\u3692第1章概述 1147891.1鐵路的發(fā)展簡介 164451.1.1國內(nèi)鐵路發(fā)展歷程與重要性 198661.1.2鐵路等級的劃分 2194251.2軌道構造 3171581.2.1鐵路軌道的定義 3311801.2.2鐵路軌道的結構組成 3194001.3無縫線路 3210201.3.1無縫線路的定義 3278381.3.2無縫線路的分類 4278201.4設計資料 5131391.4.1工程概況 5108101.4.2設計區(qū)段 6190441.5設計思路 627382第2章軌道結構豎向受力計算 758882.1軌道結構選型 7304142.2靜力計算 8174272.2.1計算參數(shù) 833062.2.2基于有限元方法軌道結構豎向力的計算 10318422.2.3基于傳統(tǒng)方法軌道結構豎向力的計算 1831793及誤差分析 20198532.3軌道動力響應的準靜態(tài)計算 22299042.3.1速度系數(shù)的確定 22173882.3.2偏移系數(shù)的計算 227932.3.3橫向水平力系數(shù)f的確定 2337132.4動彎矩和動反力計算 23261622.4.1動彎矩的計算 23131432.4.2動反力計算 24187972.5軌道結構強度檢算 2424585第3章軌道結構強度檢算 26238803.1無縫線路穩(wěn)定允許溫度力和允許溫升計算 26325793.1.1穩(wěn)定允許溫度力計算 26300403.1.2允許溫升計算 27172713.2設計鎖定軌溫的確定 28150283.3鋼軌基本應力檢算 2961773.4軌枕彎矩檢算 30160293.4.1檢算內(nèi)容和模型 30139053.4.2枕下截面負彎矩的檢算 31223843.4.3枕中截面正彎矩的檢算 35159523.5道床及路基頂面應力檢算 4016938第4章無縫線路結構計算 4319464.1軌條長度及緩沖區(qū)的設計 4353804.2伸縮區(qū)長度 4385824.3繪制溫度力分布圖并標注主要位置的數(shù)值 44132954.4預留軌縫設計 454691第5章主要構件及數(shù)量計算 48158685.1鋼軌 4839545.2軌枕 48253285.3道砟 483225.4扣件 4819097總結 4930112致謝 5017305參考文獻 5132754附錄 5224007附錄1：鋼軌彎矩計算表 5215004附錄2：枕上壓力計算表 54概述1.1鐵路的發(fā)展簡介1.1.1國內(nèi)鐵路發(fā)展歷程與重要性上海吳淞鐵路，作為中國的第一條鐵路，英國商人在一八七六年，出于維護自身國家的利益，無視清朝政權的阻撓，堅決進行建設路工作。1876年9月15日，中國第一列火車從上海出發(fā)，開始了中國近代史上的一段重要歷史篇章。隨著時間推移，中國鐵路網(wǎng)絡不斷擴大，鐵路運輸成為中國經(jīng)濟的重要組成部分之一。在中國一個多世紀鐵路的歷史，都深深浸透著中國人的鐵路情懷，同時也見證了中國的鐵路與世界鐵路的關系變遷以及中國鐵路發(fā)展的藍圖。在中日甲午戰(zhàn)爭結束后，清政府的腐敗統(tǒng)治使得八國聯(lián)軍得以在中國大規(guī)模建設鐵路，總長度約為九千四百公里。在這些鐵路中，大約41%是由帝國主義直接建造并從中獲取利潤的，而另外39%則是通過貸款控制的中國國有鐵路。至1949年底，全國鐵路總里程已達到2.1810萬公里，所有游客與商品的周轉(zhuǎn)量也達到了314億噸每公里左右。至1952年底，全國鐵路營業(yè)里程進一步增至2.2876萬公里，旅客和貨物的運輸周轉(zhuǎn)量也大幅增至802.24億噸公里。中國共產(chǎn)黨在1982年9月提出到20世紀末，工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值要實現(xiàn)翻兩番的重大目標。鐵路運輸?shù)陌l(fā)展已成為阻礙國民經(jīng)濟進步的關鍵因素，并制定了“北戰(zhàn)大秦、南攻衡廣、中取華東”的鐵路發(fā)展長遠規(guī)劃，旨在加強鐵路這一國民經(jīng)濟動脈的建設。在2004年1月7日的國務院常務會議上，審議并通過了《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，為中國鐵路網(wǎng)的未來發(fā)展描繪了清晰的藍圖。計劃到2020年關鍵干線實現(xiàn)客車和貨車分線運行。屆時，鐵路網(wǎng)系統(tǒng)將具備充足的運輸能力，以滿足國民經(jīng)濟的增長和社會發(fā)展的需求，并努力與國際先進水平接軌。據(jù)2024年全國鐵路監(jiān)督管理會議通報,截至2023年底，全國鐵路營業(yè)里程達到15.9萬公里，高鐵達到4.5萬公里，地方鐵路營業(yè)里程達到2.4萬公里，其中自主運營里程達到1.17萬公里，專用鐵路、鐵路專用線達到9000余條，路網(wǎng)規(guī)模、質(zhì)量均大幅提升。截至2023年底，經(jīng)行政許可的鐵路運輸企業(yè)達到79家，行業(yè)發(fā)展活力進一步激發(fā)。2023年，中國鐵路客運量約38.5億人次，其中高鐵客運量約為29.4億人次，同比2019年增長約24%。鐵路旅客周轉(zhuǎn)量約為14729.4億人公里，其中高鐵旅客周轉(zhuǎn)量約為9821.9億人公里，同比2019年增長約27%。隨著疫情影響的消退，預計2024年鐵路客運出行將回歸平穩(wěn)增長態(tài)勢，高鐵客運量預計仍將維持15%-20%的增速。鐵路的重要性：鐵路運輸是現(xiàn)代運輸體系中不可或缺的一環(huán)，它不僅作為陸地運輸?shù)闹饕绞街?，在整個運輸行業(yè)中扮演著日益重要的角色。鐵路運輸因其對氣候和自然條件的低敏感性，展示了強大的運輸能力和高效的單車載重能力，確保了運輸過程的連續(xù)性和經(jīng)濟效益。鐵路在國家綜合交通運輸系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用，它作為國家基礎設施，是推動集約化發(fā)展、提高資源能源使用效率的關鍵途徑。隨著全面建設小康社會的不斷推進，鐵路將在促進社會經(jīng)濟發(fā)展中扮演更加關鍵的角色，特別是在應對國民經(jīng)濟快速發(fā)展所帶來的能源和物資運輸挑戰(zhàn)方面。鐵路運輸在確保運輸安全的前提下，實現(xiàn)了客運和貨運量的顯著增長，這對于緩解能源和物資供應的壓力、保障民眾的日常生活以及經(jīng)濟社會的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。1.1.2鐵路等級的劃分中國《鐵路線路設計規(guī)范》中明確指出，新建或改建的鐵路（或特定區(qū)段）的等級，應當基于其在鐵路網(wǎng)絡中的功能定位、性質(zhì)特征以及預期的客貨運量來確定。中國的鐵路建設標準主要分為四個級別，即Ⅰ級鐵路、Ⅱ級鐵路、Ⅲ級鐵路和Ⅳ級鐵路。具體劃分條件如下所列：Ⅰ級鐵路：這類鐵路在網(wǎng)絡中扮演著骨干角色，預期未來每年的客貨運量將超過兩千萬噸；Ⅱ級鐵路：這類鐵路同樣在網(wǎng)絡中擔任骨干角色，但預期未來每年的客貨運量低于兩千萬萬噸。此外，還有一些起聯(lián)絡和輔助作用的鐵路，它們的預期未來每年的客貨運量將超過一千萬噸；Ⅲ級鐵路：這類鐵路主要為某個特定區(qū)域提供服務，具有明顯的地區(qū)運輸特點，預期未來每年的客貨運量低于一千萬噸；Ⅳ級鐵路：這類鐵路同樣主要為某個特定區(qū)域提供服務，具有明顯的地區(qū)運輸特點，預期未來每年的客貨運量低于五百萬噸。1.2軌道構造1.2.1鐵路軌道的定義鐵路軌道，通常被稱為路軌、鋼軌或軌道，是專門為鐵路系統(tǒng)設計的，它與轉(zhuǎn)轍器等設備協(xié)同工作，使火車能夠在不改變方向的情況下沿著預定的路線行駛。鐵路軌道主要由兩條平行排列的鋼軌軌道構成，鋼軌被固定在軌枕之上，而軌枕下方則是由碎石和一些級配礫石所構成的路碴，用于承受各種軌道上的荷載。鐵路軌道的主要材料是由鋼鐵等原材料制做而成，根據(jù)鋼鐵的性質(zhì)，它能夠承受比其他材料更大的荷載。在鐵軌下的材料稱為軌枕，也被稱作枕木、灰枕或路枕等，其主要功能是將鋼軌的重量和受到的荷載壓力通過軌枕向下傳導，同時保持軌道的固定間距，確保軌道的穩(wěn)定性。隨著時間的推移，根據(jù)混凝土技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的木枕逐漸被混凝土枕所取代。1.2.2鐵路軌道的結構組成軌道是由道床、軌枕、鋼軌、連接件、防爬設備和道岔等元件構成的。軌道剛開始出現(xiàn)時，用的鋼軌類型為鑄鋼軌，隨著社會科技的發(fā)展與進步，出現(xiàn)新型的工字形鋼軌。在20世紀末期，世界上多數(shù)國家的鐵路采用的標準軌距為1435毫米。比標準軌距窄的軌道稱為窄軌鐵路，比標準軌道寬的稱為寬軌鐵路。道床直接鋪設在路基表面，通常使用碎石、卵石或礦渣等材料。鋼軌、軌枕和道床的材料力學性質(zhì)不同，將鋼軌和軌枕、道床三個元件用不同的方式組合起來構成完整的軌道結構。道床位于軌道的底部，道床有彈性，可為軌道提供彈性支撐，此外道床還具有排水功能，防止軌道內(nèi)部積水過多影響車輛通行。此外，鋼軌還可以鋪設在由混凝土構成的基座上，橋梁上的鋼軌大多數(shù)都以混凝土為基座，方便施工。有些特殊的鋼軌甚至可以嵌入混凝土中供車輛通行。軌枕鋪設在道床內(nèi)，軌枕的鋪設方式有很多，但一般為更好的承受荷載，都用橫向鋪設的方式。軌枕一般由木材、\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"鋼筋混凝土或鋼材做成。\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"鋼軌以\t"/item/%E9%93%81%E8%B7%AF%E8%BD%A8%E9%81%93/_blank"連接的零部件扣緊在軌枕上，以保證車輛行駛時鋼軌的穩(wěn)定性。1.3無縫線路1.3.1無縫線路的定義無縫線路是一種通過焊接標準長度的鋼軌來形成的長鋼軌線路。這種線路的特點是大大減少了鋼軌接頭和軌縫的數(shù)量，因此被稱為無縫線路。1.3.2無縫線路的分類無縫線路的定義為是將鋼軌焊接起來的線路，用一段段標準長度的鋼軌進行焊接，保證很長一段距離的鋼軌間沒有縫隙，所以也稱為稱焊接長軌線路，無縫線路在實際運用中，在長軌道內(nèi)部會存在很大的溫度力，所以也稱溫度應力式無縫線路。1.根據(jù)長度分類根據(jù)焊接長軌條長度不同分類，可分成普通無縫線路、全區(qū)間無縫線路和\t"/item/%E6%97%A0%E7%BC%9D%E7%BA%BF%E8%B7%AF/_blank"跨區(qū)間無縫線路三種類型。①普通無縫線路：設緩沖區(qū)而使焊接長鋼軌的長度限制在1-2km以內(nèi)的無縫線路。在兩長軌條之間設置2?4根標準軌用普通鋼軌接頭形式與長軌條連起來，形成緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)存在鋼軌接頭。②區(qū)間無縫線路：使焊接長鋼軌的長度由普通無縫線路的1-2km延長至兩個相鄰車站站端道岔之間長度的無縫線路。③跨區(qū)間無縫線路：焊接長軌條貫穿整個區(qū)段，并與車站道岔焊接，橋上鋪設無縫線路，取消了介于長軌條與它們之間緩沖區(qū)和鋼軌接頭，徹底實現(xiàn)了線路的無縫化，從而稱為跨區(qū)間無縫線路。2.根據(jù)處理應力的方式分類無縫線路分溫度應力式和放散溫度應力式兩種，目前世界各國絕大多數(shù)均采用溫度應力式無縫線路。①溫度應力式無縫線路由一根焊接長鋼軌及其兩端的2-4根標準軌組成，并采用普通接頭的形式。這種無縫線路包括伸縮區(qū)、固定區(qū)和緩沖區(qū)三個部分。伸縮區(qū)的長度通常在50到100米之間。固定區(qū)的長度則取決于線路和施工條件，最短不得少于50米。②放散溫度應力式無縫線路有兩種類型：自動放散和定期放散。自動放散型在焊接長軌條的兩端安裝了伸縮調(diào)節(jié)器，可以自動釋放鋼軌中的溫度應力，主要用于高速鐵路和橋梁上的線路。放散溫度應力的過程較為復雜，因此較少采用。1.4設計資料1.4.1工程概況石長鐵路，簡稱石長線，是一條連接湖南省常德市石門縣至長沙市的國鐵Ⅰ級鐵路，全線位于湖南省境內(nèi)，由石長鐵路有限責任公司負責運營與管理。它西起焦柳鐵路的石門縣，東接京廣鐵路，橫穿“魚米之鄉(xiāng)”湖南省境內(nèi)的湘、資、沅、澧四大水系，全長二百余公里，石長鐵路的修建具有重大的戰(zhàn)略意義。2016年，石長鐵路復線正式運營，石長鐵路復線的總長度為二百六十多公里，設計時速可達160公里，沿線共設有14個車站。張家界作為一個以旅游業(yè)為主導的城市，是湖南省旅游業(yè)的領頭羊。建設石張高速鐵路將進一步增強其旅游承載能力，整合優(yōu)質(zhì)旅游資源，實現(xiàn)互利共贏，這對慈利縣乃至整個湘西地區(qū)的發(fā)展都具有極其重要的意義。為了應對旅游旺季的客流高峰，應對核心景區(qū)的突發(fā)事件，以及促進雙通道通行，張家界市在慈利縣的陽和設立了張家界東站，這將有助于推動張家界東線旅游業(yè)的發(fā)展。2003年10月，石長鐵路已經(jīng)擁有了9對定期客車和6對貨物列車，成為了通往張家界的旅游黃金通道。石長鐵路采用了扁平化管理模式，例如，客運事業(yè)部就是將客運和車輛兩個職能部門合并為一個。當復線工程完工后，石長鐵路的貨運能力大大增強，有效地緩解了北煤南運通道的瓶頸問題。同時，年客運能力也將從1000萬人次增加到5000萬人次。石長鐵路完善了湖南省境內(nèi)鐵路“二縱三橫”的路網(wǎng)格局，開辟了一條北煤南運和省內(nèi)煤炭運輸?shù)谋憬萃ǖ?，成為湘西北連接湘中、湘東的重要運輸干線，被譽為運輸?shù)狞S金線和富民的經(jīng)濟線。1.4.2設計區(qū)段石長鐵路還將連通長株潭城市群與湘西北地區(qū)，作為近期\o"渝長客運專線"渝長通道的重要組成部分，實現(xiàn)川渝地區(qū)與中部地區(qū)的快速溝通。本次設計的區(qū)段為石長鐵路(K16+000-K19+000)，石門至長沙鐵路增建第二線可行性研究線路詳細縱斷面貫通方案的設計資料圖如下圖1-1所示： 圖1-1石長鐵路設計資料圖1.5設計思路計標準(等級)，查找相同等級的鐵路線路設計規(guī)范進行軌道結構設計線路類型S無縫線路設計思路流程圖軌道結構豎向受力計算軌道結構選型根據(jù)設計資料已知設計鐵路等級為Ⅰ級，以等級對應的速度為依據(jù)，按照鐵路軌道結構設計規(guī)范，無縫線路設計規(guī)范中的規(guī)定，對本次線路設計的結構進行選型，結構選型見表最小曲線半徑R=1494m，檢算荷載采用SS3的輪載輪距圖，土質(zhì)路基雙層道床（面砟30cm,底砟20cm）。線路橫斷面圖見圖表2-1軌道結構選型III型h由160Km/h設計速度選擇SS3機車，SS3機車的輪載圖見圖2-2。112.8 112.8112.8112.8112.8112.8kN輪1輪2輪3輪4輪5輪62.3m2.0m7.2m2.0m12.3m1靜力計算計算參數(shù)對設計線路進行靜力計算，根據(jù)鐵路軌道設計規(guī)范對計算參數(shù)進行明確，如下表2-2：表2-2各型鋼軌斷面參數(shù)W和慣性矩Ix及軌底寬b鋼軌垂直磨耗(mm)名稱單位鋼軌類型75kg/m60kg/m1501500mm3432000339400mm3509000396000mm444890000321700003mm3420000318000mm3496000385000mn443280000306900006mm3405000291000mm3482000375000mm44089000028790000確定根據(jù)設計資料本文所設計的鐵路為新建鐵路，鋼軌垂直磨耗為0(mm),根據(jù)鐵路軌道設計規(guī)范，對于75kg/m鋼軌對水平中和軸的慣性矩I=44890000(mm4)=448910?8(m4)。彈性模量E=2.06105(MPa)=2.061011(Pa)=2.061011(N/m2)故有鋼軌抗彎剛度：EI=2.061011448910?8=9247340(N/m)2計算彎矩時按照公式（2-1）計算:（2-1）式中—膠墊剛度，依據(jù)鐵路軌道設計規(guī)范取=50(kN/mm)；—道床及路基剛度，依據(jù)鐵路軌道設計規(guī)范取=100(kN/mm)；—軌枕剛度，本文設計的鋼軌軌枕為混泥土枕，取。取D1=33(kN/mm)=33000000(N/m)依據(jù)規(guī)范換算后的總的支承剛度(膠墊+道床+路基)D2=700(kN/cm)=70000000(N/m)根據(jù)上述計算過程可得：計算彎矩時，D1=33000000N/mm=3.3×107N/m計算反力時，D2=70000000N/mm=7×107N/m根據(jù)設計資料和軌道設計規(guī)范得軌枕間距為：a==0.6m式中:——鋼軌基礎彈性模量，單位；——支座剛度，單位；——軌枕間距，取a=0.6m(1)計算彎矩時：(N/m)2(鋼軌)4.剛比系數(shù)k剛比系數(shù)根據(jù)規(guī)范公式（2-3）計算: （2-3）式中:ki-剛比系數(shù)E-鋼軌彈性模量，取E=2.06×1011N/m2I-軸的慣性矩,取I=4489×10-8m4(1)計算彎矩時：(2)計算反力時：基于有限元方法軌道結構豎向力的計算本次有限元分析采用ANSYS15.0進行，采用點支承梁模型進行軌道結構豎向力分析。計算主要步驟為：根據(jù)確定的軌道結構建立軌枕模型；用確定的設計數(shù)據(jù)定義各實常數(shù)；生成彈簧單元；最終進行荷載的及約束的施加；定義單元表并計算出軌道結構豎向力。具體的步驟見流程圖2-3。彎矩單元定義并生成75鋼軌截面，見圖2-4。FINI/CLEAR,START/FILNAME,RAIL-SECT/prep7ET,1,PLANE82k,1,0.10737,0.146,0,k,2,0.11037,0.149,0,k,3,0.109,0.1764,0,k,4,0.0969,0.1904,0,k,5,0.083,0.1919,0,k,6,0.073,0.192,0,k,7,0.063,0.1919,0,k,8,0.0491,0.1904,0,k,9,0.037,0.1764,0,k,10,0.03563,0.149,0,k,11,0.03863,0.146,0,k,12,0.0536,0.1415,0,k,13,0.0577,0.1387,0,k,14,0.0606,0.1308,0,k,15,0.0606,0.0468,0,k,16,0.0426,0.0246,0,k,17,0.0297,0.021,0,k,18,0.0159,0.0175,0,k,19,0.002,0.0139,0,k,20,-0.002,0.0099,0,k,21,-0.002,0.0020,0,k,22,0.000,0.000,0,k,23,0.073,0.000,0,k,24,0.146,0.000,0,k,25,0.148,0.0020,0,k,26,0.148,0.0099,0,k,27,0.144,0.0139,0,k,28,0.1301,0.0175,0,k,29,0.1163,0.021,0,k,30,0.1034,0.0246,0,k,31,0.0854,0.0468,0,k,32,0.0854,0.1308,0,k,33,0.0883,0.1387,0,k,34,0.0924,0.1415,0,BSPLIN,2,3,4,BSPLINE,4,5,6,7,8,BSPLINE,8,9,10BSPLINE,10,11,12,13,BSPLINE,33,34,1,2BSPLINE,13,14,15,16,BSPLINE,30,31,32,33BSPLINE,16,17,18,19BSPLINE,27,28,29,30BSPLINE,19,20,21,22BSPLINE,24,25,26,27BSPLINE,22,23,24BSPLINE,13,33BSPLINE,16,30,AL,1,2,3,4,5,13AL,6,7,13,14AL,8,9,10,11,12預劃分并劃分映射網(wǎng)絡，有限元劃分結果見圖2-5。LSEL,S,LINE,,4,8,4LSEL,S,LINE,,4,5,1LSEL,A,LINE,,13LCCAT,ALLALLSEL,ALLLSEL,S,LINE,,8,9,1LSEL,A,LINE,,14LCCAT,ALLALLSEL,ALLLESIZE,1,,,5LESIZE,3,,,5LESIZE,2,,,12LESIZE,4,,,4LESIZE,13,,,4LESIZE,5,,,4LESIZE,6,,,10LESIZE,7,,,10LESIZE,14,,,4LESIZE,8,,,6LESIZE,9,,,6LESIZE,10,,,2LESIZE,11,,,2LESIZE,12,,,16MSHKEY,1AMESH,ALLSECWRITE,75RAIL,SEC截面數(shù)據(jù)儲存、定義相關參數(shù)并生成彈簧支座，結果見圖2-6。FINI/CLEAR,ALL/FILENAME,RAIL/TITLE,EXAMPLE-RAILBYBINGO/PREP7SECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'75RAIL','SECT','',MESHET,1,188MP,EX,1,2.1E11MP,PRXY,1,0.3K=33000000(定義支承剛度)ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KA=1000/1667定義軌枕間距參數(shù)k,1,0*A,0,0k,2,1*A,0,0k,3,2*A,0,0k,4,3*A,0,0k,5,4*A,0,0k,6,5*A,0,0k,7,6*A,0,0k,8,7*A,0,0k,9,8*A,0,0k,10,9*A,0,0!加載點k,11,10*A,0,0k,12,11*A,0,0k,13,12*A,0,0K,14,12*A+0.20036,0,0!加載點k,15,13*A,0,0k,16,14*A,0,0k,17,15*A,0,0K,18,15*A+0.40072,0,0!加載點k,19,16*A,0,0k,20,17*A,0,0k,21,18*A,0,0k,22,19*A,0,0k,23,20*A,0,0k,24,21*A,0,0k,25,22*A,0,0k,26,23*A,0,0k,27,24*A,0,0k,28,25*A,0,0k,29,26*A,0,0k,30,27*A,0,0k,31,28*A,0,0k,32,29*A,0,0k,33,29*A+0.27240,0,0!加載點k,34,30*A,0,0k,35,31*A,0,0k,36,32*A,0,0K,37,32*A+0.47276,0,0!加載點k,38,33*A,0,0k,39,34*A,0,0k,40,35*A,0,0k,41,36*A,0,0K,42,36*A+0.07324,0,0!加載點k,43,37*A,0,0k,44,38*A,0,0k,45,39*A,0,0K,46,40*A,0,0k,47,41*A,0,0k,48,42*A,0,0k,49,43*A,0,0k,50,44*A,0,0k,51,45*A,0,0L,(1:50:1),(2:51:1)!生成線K,10000,0,1,0!方向點LATT,1,,1,,10000,10000,1LESIZE,ALL,,,7LMESH,ALL/ESHAPE,0EPLOT*DO,I,1,49!生成膠墊彈簧節(jié)點N,100000+I,(I-1)*A,-0.3,0*ENDDOTYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,0.3,,0,ALLSEL,ALL荷載的加載并求解，加載結果見圖2-7。/SOLUNLGEOM,ONESEL,S,TYPE,,1NSLE,S,1NSEL,R,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,-0.3,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALL!施加荷載NSEL,S,,,NODE(9*A,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(12*A+0.20036,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(15*A+0.40072,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(29*A+0.27240,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(32*A+0.47276,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLNSEL,S,,,NODE(36*A+0.07324,0,0)!選擇加載點F,ALL,FY,-112800,!為加載點施加荷載ALLSEL,ALLSOLVE后處理、定義單元表并繪制彎矩圖，彎矩圖如圖2-8所示。ETABLE,,SMISC,1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0反力表2-3彎矩分析及反力分析命令流的不同處K000K000PLLSSMISSMIS,0圖2-9有限元分析得到的反力云圖2.2.3基于傳統(tǒng)方法軌道結構豎向力的計算傳統(tǒng)方法運用連續(xù)支承梁模型計算。連續(xù)支承梁模型如圖2-10所示：圖2-10連續(xù)彈性基礎無限長梁（1）計算靜彎矩計算彎矩參數(shù)見表2-4：表2-4計算彎矩參數(shù)DN/m)軌枕間距鋼軌基礎彈性模量N/m2)剛比系數(shù)1/m)計算每個輪的彎矩值總和見下表2-5：表25計算表計算輪196372.519278134.067396359.058496359.058578134.067696372.519X96372.519由表2-7可知，96372.519·（2-4）(2)計算靜反力計算反力參數(shù)見表2-6：表2-6計算反力參數(shù)鋼軌支座剛度D2(N/m)軌枕間距a(m)鋼軌基礎彈性模量u2(N/m2)08剛比系數(shù)k2計算每個輪的反力值總和見下表2-7：表STYLEREF1\s27計算表計算輪1109294.4252106045.7053109292.8004109292.8005106045.7056109294.425X109294.425由表2-8可知，109294.425及誤差分析根據(jù)連續(xù)支承梁模型求得靜彎矩值和用ANSYS計算出的彎矩值做M—連續(xù)支承梁模型求得靜彎矩值；S根據(jù)連續(xù)支承梁模型求得靜反力值和用ANSYS計算出的靜反力值做反力R—連續(xù)支承梁模型求得靜反力值；S靜反力值2。2ANSYSR軟件有限元分析得出的靜彎矩數(shù)值和靜反力數(shù)值與傳統(tǒng)方法計算出的靜彎矩和靜反2.3軌道動力響應的準靜態(tài)計算軌道動力的準靜態(tài)計算需要計算以下參數(shù)。2.3.1速度系數(shù)的確定列車在直線軌道上行駛時，由于車輪與軌道間的動力效應，致使作用在軌道上的動輪載要大于靜輪載，動輪載與靜輪載的差值與靜輪載的比值就是速度系數(shù)。隨行車速度增加，速度系數(shù)α隨之增大。設計速160(km/h)200(km/h),SS3機車計算鋼軌軌底彎曲應力時，速度系數(shù)據(jù)表2-8計算： 表2-8速度系數(shù)計算表速度系數(shù)速度范圍(km/h)速度差牽引種類電力內(nèi)燃——————根據(jù)設計資料，設計速度為160km/h，則速度系數(shù)α：2.3.2偏移系數(shù)的計算 （2-5）式中：—欠超高H—車體重心高度（從軌面算起）S1—兩股鋼軌中心距，取1500mm則偏載系數(shù)β：2.3.3橫向水平力系數(shù)f的確定2.橫向分布系數(shù)f查《鐵路無縫線路設計規(guī)范》（TB10015-2013）可知橫向分布系數(shù)如表2-9所示：表2-9橫向水平力系數(shù)f線路平面直線曲線半徑(m)300400500600≥800橫向水平力系數(shù)f1.252.001.801.701.601.45本設計區(qū)段曲線地段最小曲線半徑R=1494m,有=1.45，直線地段有=1.25。2.4動彎矩和動反力計算2.4.1動彎矩的計算設計速度為160km/h，動彎矩Md據(jù)公式（2-6）計算。（2-6）式中Md—動彎矩；M1—靜彎矩；；曲線地段：=直線地段:Md=M1(1+a+)(1+a1)fz2.4.2動反力計算動反力Rd據(jù)公式（2-7）計算：Rd=R1(1+a+)(1+a1)（2-7）式中Rd—動反力。=89895.8368（N）式中為用ANSYS計算出的靜反力值2。22.5軌道結構強度檢算軌底動彎應力： 軌頭動彎應力： 式中W1,W2—鋼軌下部和上部的斷面系數(shù)，—軌底最外纖維拉應力和軌頭最外纖維壓應力(MPa)根據(jù)鐵路軌道設計規(guī)范各種鋼軌類型的相關參數(shù)如下表2-10所示：表2-9各種鋼軌類型的相關參數(shù)新建鐵路75kg/m鋼軌，=49188.649(N.m),由上表鐵路設計規(guī)范可得=509000(mm3),=432000(mm3)。軌道結構強度檢算無縫線路穩(wěn)定允許溫度力和允許溫升計算由于無縫線路的長軌受到鋼軌接頭阻力、扣件阻力和道床阻力的限制，當軌溫發(fā)生變化時，會在長鋼軌中產(chǎn)生軸向溫度力。如果軌溫升高，長軌條中會產(chǎn)生軸向壓力；如果軌溫降低，長軌條中會產(chǎn)生軸向拉力。在高溫條件下，無縫線路容易在橫向上產(chǎn)生位移，這種橫向位移對線路的影響非常大，會導致鋼軌偏離原來的方向，從而使道路的方向變得不穩(wěn)定。在這種情況下，列車行駛的平穩(wěn)性會受到很大影響，甚至有可能發(fā)生脫軌的危險。因此，無縫線路額穩(wěn)定性是軌道結構強度中必須處理的問題。無縫線路穩(wěn)定性應滿足最大溫升幅度小于或等于允許溫升的要求。3.1.1穩(wěn)定允許溫度力計算允許溫度力按下列公式（3-1）計算： （3-1） 式中：[P]—允許溫度壓力；P—計算溫度壓力；K—安全系數(shù)，取K=1.3。計算溫度壓力P通過無縫線路穩(wěn)定性計算的簡化公式來計算。 式中：K-安全系數(shù)，K=0.3-軌道框架剛度系數(shù)，有砟軌道為2.0-鋼軌對豎直軸慣性矩，75軌取665l-軌道彎曲變形半波長(cm),f-軌道彎曲變形矢度,查資料為2mm-軌道原始彈性彎曲矢度,查資料為3mm-軌道原始塑性彎曲合成曲率-鋼軌原始塑性彎曲半徑,道床橫向阻力(N/cm),查規(guī)范取87N/cm，Q=8.7N/mm=3.1415鋼的彈性模量，取E=2.1×105MPaR為最小曲線半徑，R=1494m=1494000mm3.1.2允許溫升計算穩(wěn)定條件下確定允許溫升按照下列公式（3-2）計算： （3-2） 式中：α—鋼軌的線性膨脹系數(shù)。取α=11.8×10-6/℃設計鎖定軌溫的確定強度條件下允許溫降計算式中：—鋼軌容許應力(MPa)；—軌底下緣動彎應力(MPa)，經(jīng)計算σ1d=96.6378；σc—鋼軌承受的制動應力(MPa)，查規(guī)范取σcK—安全系數(shù),取K=1.3；σs—鋼軌鋼的屈服強度，由表知U71Mn鋼軌的屈服強度σs=α—鋼軌的線性膨脹系數(shù)。查資料取α=11.8×10-6/℃。表31我國主要鋼種鋼軌屈服強度鋼種U71Mn、U71MnGU75V、U75VGσs(MPa)457472設計鎖定軌溫記為Te，根據(jù)無縫線路的穩(wěn)定性和強度求得允許溫升[?ts]和允許溫降[?td]，再根據(jù)當?shù)氐淖罡哕墱豑max和最低軌溫Tmin(如表3-2所示查閱資料式中：?tk—中和溫度修正值，取?t表3-2長沙地區(qū)氣溫地區(qū) 最高氣溫最低氣溫最高軌溫Tmax最低軌溫Tmin長沙 43.0-11.363.0-11.3以長沙地區(qū)氣溫為本節(jié)設計依據(jù)，取。無縫線路的設計鎖定軌溫鎖定上下限也要滿足以下條件。設計鎖定軌溫上限：設計鎖定軌溫下限：穩(wěn)定性檢算條件：根據(jù)上述計算結果表明，本文設計路段設計軌溫范圍為38.425℃~48.425℃鋼軌基本應力檢算鋼軌溫度應力按σt按公式（3-3）計算： （3-3） 式中：σt—溫度應力；?t根據(jù)檢算結果，得知設計鋼軌檢算合格。軌枕彎矩檢算3.4.1檢算內(nèi)容和模型檢算下截面正彎矩時，采用圖3-1所示的支承模型：圖3-1枕下截面正彎矩支承模型檢算軌枕中間截面負彎矩時，采用圖3-2所示的支承模型：圖3-2軌枕中間截面負彎矩支承模型3.4.2枕下截面負彎矩的檢算(1)基于有限元方法檢算枕下截面負彎矩：中間無支承時命令流的編制：FINI/CLEAR,START/FILNAME,SLEEPERSECT/prep7et,1,PLANE82HEIGHT=0.23WIDTH=0.3k,1,0,0,0k,2,WIDTH,0,0k,3,WIDTH,HEIGHT,0,k,4,0,HEIGHT,0,l,1,2l,2,3l,3,4l,4,1AL,ALLLSEL,ALLLESIZE,ALL,,,4AMESH,ALLSECWRITE,SLEEPER1,SECTFINI/CLEAR,/FILENAME,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/TITLE,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/PREP7ET,1,188MP,EX,1,3.5e10MP,PRXY,1,0.2K=100000000/86ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KSECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'SLEEPER1','SECT','',MESHD1=-0.2FORCE=-89895.8368/5D=1.435WT=0.073WD=0.15L=2.6SZ=D+WTE=L-SZK,1,0,0,0K,2,(L-D-WT-WD)/2,0,0K,3,(L-D-WT+WD)/2,0,0,K,4,E,0,0,K,5,SZ,0,0,K,6,(L+D+WT-WD)/2,0,0,K,7,(L+D+WT+WD)/2,0,0K,8,L,0,0！L,(1:7:1),(2:8:1)K,100,0,1,0LATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,2,6,4LESIZE,ALL,,,5LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,1,7,6LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,3,5,1LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALL/ESHAPE,1EPLOTNSEL,S,LOC,Y,0,,,,NGEN,2,1000,all,,,0,D1,0,1NSEL,S,LOC,Y,D1,,0,NSEL,A,LOC,Y,0,,0,TYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,D1,,0,ALLSEL,ALL/SOLUNSEL,S,LOC,Y,D1,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,X,(L-D-WT-WD)/2,(L-D-WT+WD)/2,0.001,NSEL,A,LOC,X,(L+D+WT-WD)/2,(L+D+WT+WD)/2,0.001,NSEL,R,LOC,Y,0,,0,F,ALL,FY,FORCE,ALLSEL,ALLSOLVE/POST1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0ANSYS軟件分析結果，見圖3-3：圖3-3枕下截面負彎矩結果(2)基于傳統(tǒng)方法檢算枕下截面負彎矩支承形式為中間不支承，枕下截面負彎矩按公式（3-4）檢算： （3-4） 枕下Rd=89.896KNANSYS和傳統(tǒng)算法誤差：，在允許誤差范圍內(nèi)。ANSYS的計算值與傳統(tǒng)算法值都在允許誤差范圍內(nèi)，所以此次檢算合格。3.4.3枕中截面正彎矩的檢算(1)基于有限元方法檢算枕中截面正彎矩命令流的繪制FINI/CLEAR,START/FILNAME,SLEEPERSECT/prep7et,1,PLANE82HEIGHT=0.23WIDTH=0.3k,1,0,0,0k,2,WIDTH,0,0k,3,WIDTH,HEIGHT,0,k,4,0,HEIGHT,0,l,1,2l,2,3l,3,4l,4,1AL,ALLLSEL,ALLLESIZE,ALL,,,6AMESH,ALLSECWRITE,SLEEPER1,SECTFINI/CLEAR,/FILENAME,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/TITLE,SLEEPER-ZHONGJIANYOUZHICHENG/PREP7FOR=89895.8368ET,1,188MP,EX,1,3.5e10MP,PRXY,1,0.2K=70000000/86ET,2,COMBIN14,0,2,0R,2,KSECTYPE,1,BEAM,MESHSECOFFSET,CENTSECREAD,'SLEEPER1','SECT','',MESHD1=-0.2FORCE=-89895.8368/7D=1.435WT=0.073WD=0.15L=2.6SZ=D+WTE=L-SZK,1,0,0,0K,2,(L-D-WT-WD)/2,0,0K,3,(L-D-WT+WD)/2,0,0,K,4,E,0,0,K,5,SZ,0,0,K,6,(L+D+WT-WD)/2,0,0,K,7,(L+D+WT+WD)/2,0,0K,8,L,0,0L,(1:7:1),(2:8:1)K,100,0,1,0LATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,2,6,4LESIZE,ALL,,,5LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,1,7,6LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALLLATT,1,,1,,100,100,1LSEL,S,LINE,,3,5,1LESIZE,ALL,,,15LMESH,ALLLSEL,ALL/ESHAPE,1EPLOTNSEL,S,LOC,Y,0,,,,NGEN,2,1000,all,,,0,D1,0,1NSEL,S,LOC,Y,D1,,0,NSEL,A,LOC,Y,0,,0,TYPE,2REAL,2EINTF,0.00001,,LOW,,,D1,,0,ALLSEL,ALL!/SOLUNSEL,S,LOC,Y,D1,,0,D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UZ,,,,,UX,ROTX,ALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,X,(L-D-WT-WD)/2,(L-D-WT+WD)/2,0.001,NSEL,A,LOC,X,(L+D+WT-WD)/2,(L+D+WT+WD)/2,0.001,NSEL,R,LOC,Y,0,,0,F,ALL,FY,FORCE,ALLSEL,ALLSOLVE/POST1ETABLE,,SMISC,2ETABLE,,SMISC,15PLLS,SMIS2,SMIS15,1,0ANSYS運行結果見圖3-4：圖3-4枕中截面正彎矩結果(2)基于傳統(tǒng)方法檢算枕中截面正彎矩支承形式為中部，枕中截面正彎矩根據(jù)規(guī)范按下列公式（3-5）檢算： （3-5） Rd=89.896KN計算有限元軟件與傳統(tǒng)法的誤差：，誤差百分比在合適的限制范圍。經(jīng)過上述比較，ANSYS有限元計算的結果與傳統(tǒng)算法的結果都小于允許的范圍，因此檢算合格。道床及路基頂面應力檢算(1)道床應力檢算：在列車正常運行的情況下，在鋼軌中心線與軌枕中心線相交點的應力相對較大，位于軌枕邊緣的應力相對較小，如下圖3-5所示:圖3-5道床頂面受力圖道床頂面最大壓應力按公式（3-6）進行檢算： （3-6） 式中:σb軌枕地面寬度，混泥土枕取平均寬度b=275一股鋼軌下的軌枕有效支承長度，Ⅲ型枕取枕長的一半，e,=1300(MPa)結合鐵路設計規(guī)范，將本文所設計的鋼軌、軌枕的相應數(shù)值代入公式：道床頂面最大壓力小于道砟允許壓應力，根據(jù)上述公式得道床頂面壓力檢算合格。(2)路基頂面應力檢算：計算路基頂面應力常用近似計算法進行計算。本文所設計的模型與實際情況有一定偏差，所以進行路基頂面應力檢算時做出如下理想化假設：1.荷載對軌枕產(chǎn)生的壓力從道床頂面向下以擴散角φ按擴散規(guī)律傳遞到路基;2.忽略軌枕之間的相互影響;3.荷載產(chǎn)生對路基產(chǎn)生的壓應力,在路基面上呈均勻分布。道床內(nèi)部受力示意圖根據(jù)設計材料給出如下圖3-6：圖3-6道床內(nèi)部受力圖按(3-7)進行道床臺體高度的計算： （3-7）式中φ—壓力擴散角,φ=35根據(jù)所選參數(shù)，道床為一級碎石道砟，道床厚度為h=500mm，道床頂面寬度為3.60m，道床邊坡為1：1.75。道床厚度h=500mm，在、之間，路基頂面應力按式(3-8)檢算： （3-8）式中:—路基表面允許承壓應力，新建線路路基根據(jù)上述計算，本文路基頂面應力小于路基表面允許承壓應力，所以路基頂面應力檢算符合強度要求。無縫線路結構計算軌條長度及緩沖區(qū)的設計(1)軌條長度設計在設計軌條長度時，需要考慮線路的平面和縱面條件，以及道岔、道口、橋梁和隧道的位置。原則上，軌條長度應按照閉塞區(qū)的長度進行設計，一般長度為1000到2000米。在本設計中，選擇的軌條長度為1000米。軌節(jié)的最短長度通常為200米，但在特殊情況下，不應短于150米。(2)緩沖區(qū)設計設計鋼軌時，為保證行車安全，在長軌之間、道岔與長軌之間、絕緣接頭處，需設置緩沖區(qū),緩沖區(qū)一般設置2-4根25m長標準軌。本設計緩沖區(qū)設置3根標準軌，具體結構如圖41所示：圖