过渡段刚度变化对枕上压力的影响.doc

过渡段刚度变化对枕上压力的影响 1 计算模型和参数 轨道模型为连续弹性点支承梁模型，其中钢轨的受力和变形用铁木辛柯梁模拟，轨下基础支承用线性弹簧模拟，过渡段的钢轨变化通过设置不同的弹簧刚度实现，采用有限单元法求解，并通过ansys实现，图1为计算模型在ansys中的显示。 钢轨为60kg/m标准钢轨，弹性模量为Pa，泊松比为0.3。 假定线路运营条件为开行25t轴重的货物列车，速度为120km/h，考虑1.5倍的动载系数，则作用在轨头的动轮载为187.5kN。 图1 计算模型 为了比较过渡段刚度变化对枕上压力的影响，假定过渡段两侧钢轨的支座刚度分别为30kN/mm和40kN/mm，分析表中所列五种工况的枕上压力，以确定最佳的过渡段刚度设置方式。表中，直接过渡度是指不采取任何措施，相邻两轨枕的钢轨支点刚度直接从30kN/mm增加到40kN/mm。线性过渡指钢轨支点刚度以某一数值逐渐线性增加或减小，如工况B，从刚度较低一侧开始，一跨轨枕刚度增加1kN/mm，逐渐过渡到40kN/mm，过渡段长6m。分级过渡是台阶式的过渡方式，几跨轨枕采用相同的支点刚度，然后逐渐增加或减小，每级设三跨轨枕。 表1 计算工况 过渡方式 直接过渡 线性过渡 分级过渡 变化值 / 1kN/mm 0.5kN/mm 3级 5级 工 况 A B C D E 2 过渡方式比较 图1至图6为各工况下枕上压力分布，表2为各工况下的最大、最小枕上压力值。从图2~图6和表2可看出： 若线路钢轨支点刚度保持为30kN/mm不变，枕上压力将保持在66.762kN不变；若线路钢轨支点刚度保持为40kN/mm不变，则枕上压力保持在71.81kN不变。 工况A直接过渡，在一跨轨枕范围内，枕上压力从63.063kN增大至75.607kN，增幅达12.554kN，并且在较大刚度一侧，出现一个枕上压力峰，压力峰的幅值为3.797kN。 工况A在刚较小度一侧的最后一个支承点，枕上压力最小，这是由于轮载作用在该点时，有一侧的支点刚度相对较大，承受了更多的轮载，使该点的位移和轮载均有所减小，对比图7中的上、下两图，位移减小值约0.123mm。 另外，工况A在刚度较大一侧起始支承点，枕上压力最大，这是由于轮载作用在该点，有一侧的支点刚度较小，分担的轮载也小，其本身承受的轮载增加，位移也增加，图8显示位移增加约0.095mm。 对比工况B和工况C，过渡段相邻轨枕刚度差从1kN减小至0.5kN时，枕上压力峰的幅值从0.376kN减至0.186kN，表明过渡段刚度变化越小，枕上压力峰值越小。 图5为3级过渡的计算结果，图示表明，采用分级过渡的方式，枕上压力峰的个数与刚度分级数相同。 工况D的压力峰幅值为1.384kN，工况E为0.676kN，表明压力峰的幅值主要取决于相邻两级的刚度差。 综合上述分析，可以得出以下结论： （1）过渡段两侧刚度相差较大，若不采取任何措施直接过渡，过渡段的枕上压力将发生突变，在较小刚度一侧的最后支点上产生最小的枕上压力，在刚度较大一侧的钢轨起始支点上产生最大的枕上压力，致使该点出现一个枕上压力峰，其幅值取决于过渡段刚度差的大小。 （2）采用线性过渡方式，即从刚度较小一侧，每跨轨枕刚度增大一常量。这种过度方式不仅可以使枕上压力变化比较平缓，而且可以有效降低较大刚度一侧的枕上压力峰。 （3）采用分级过渡方式，将出现与分级数相同的枕上压力峰，其值大小取决于相邻两级的刚度差，并且刚度差越小，压力峰越小。 （4）虽然线性过渡可以获得满意的效果，但该方式在过渡段的每跨轨枕上的支点刚度都不同，在设计扣件系统时需要将其刚度设置成很多级，并且在铺设和使用中也极为不方便，因此实际工程中应采用分级过度方式。 （5）根据工况E的计算结果，若仅考虑减小枕上压力峰，过度段可按以下方式设置： 刚度分级数N： （1） 过渡段长度L： （2） 式中为过渡段两侧刚度差；a为轨枕间距。 表2 计算结果比较 工况 A B C D E 最大值（kN） 75.607 72.186 71.996 73.193 72.486 最小值（kN） 63.063 66.27 66.513 65.524 65.919 图2 工况A计算结果 图3 工况B计算结果 图4 工况C计算结果 图5 工况D计算结果 图6 工况E计算结果 图7 工况A位移比较（较小刚度） 图8 工况A位移比较（较大刚度） 3 结论 （1）过渡段不采取任何措施直接过渡，在刚度较大一侧的钢轨起始支点上产生最大的枕上压力，致使该点出现一个枕上压力峰，其幅值取决于过渡段刚度差的大小。 （2）工程中可采用分级方式过渡，设置方式如下： 刚度分级