土木工程畢業(yè)設計--板式無砟軌道設計計算

1、<p>　　板式無碴軌道結構設計及計算</p><p>　　1. 無砟軌道的介紹</p><p>　　1.1 技術發(fā)展概況</p><p><b>　　1.1.1國內概況</b></p><p>　　我國鐵路曾于20世紀30年代先后在東北牡圖線的北老松嶺隧道和沈丹線的福晉嶺隧道鋪設過長木枕和短木枕式混凝土道

2、床軌道。50年代又在沈吉線水簾洞隧道鋪設了預埋長木枕混凝土道床軌道。60年代以后，隨著山區(qū)鐵路的修建，先后在成昆線、京原線、京通線、南疆線等隧道內鋪設了剛性支承塊式混凝土整體道床軌道，總延長約300km。并于1984年編制了適用于各類圍巖鋪設的通用設計圖。與此同時，還在鐵路站場、港口碼頭等地段土路基上鋪設了經(jīng)改進的整體道床軌道。80年代初，還曾在皖贛線溶口隧道內首次鋪設了類似日本的乳化瀝青水泥砂漿墊層式板式軌道。90年代以來，在京九線九

3、江長江大橋引橋（長7km）上鋪設了無砟無枕軌道。在寶天線白清隧道和西安線秦嶺特長雙線隧道（長18.4km）鋪設了彈性支承塊式混凝土道床軌道。迄今為止，運用效果良好。</p><p>　　本世紀初以來，為適應鐵路運輸行車速度的不斷增長，又相繼在秦沈客運專線雙何曲線特大橋（長740m）和狗河特大橋（長741m）上鋪設了板式軌道，沙河特大橋（長692m）上鋪設了枕式無砟軌道。在西康線秦嶺隧道、蘭武線烏鞘嶺特長隧道（長2

4、0.5km）等修建彈性支承塊式無砟軌道。在渝懷線魚嘴二號碎（長710m）內試鋪了枕式無砟軌道。在贛龍線楓樹排隧道（長790m）內試鋪了減振型板式無砟軌道。</p><p>　　2004年初，國務院批準了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了鐵路網(wǎng)建設的藍圖。為迎接國務院已批準的武廣、鄭西、石太、京津、合寧、合武、溫福、福廈、甬溫9條鐵路客運專線建設高潮的到來，實現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展，到2010年客運專線達到4000km，到20

5、20年達到10000km的目標，必須樹立堅持部黨組提出的“以人為本、服務運輸、強本簡末、系統(tǒng)優(yōu)化、著眼發(fā)展”的建設新理念。以此為契機，目前全路科研、設計、施工、院校的領導、專家、教授和從業(yè)人員正在全力協(xié)同開展有關成區(qū)段鋪設各種類型無砟軌道的前期工作。高速客運專線成區(qū)段鋪設無砟軌道必將成為我國鐵路軌道結構的發(fā)展方向。</p><p>　　1.1.2剛性支承塊整體道床</p><p>　　我國

6、早在五十年代就曾開始鋪設隧道內整體道床，其主要結構形式是隧道內的砼支承塊式整體道床，至今，統(tǒng)計累計鋪設了約300余公里。其特點是結構簡單，便于現(xiàn)場制造和施工。當隧道基底堅實穩(wěn)定時軌道的穩(wěn)定性好，道床美觀整潔，軌道的養(yǎng)護維修工作量可減少50％～70％。 </p><p>　　國內60年代到80年代修建的整體道床至今仍有相當一部份在運營中表現(xiàn)良好。但也有不少隧道內的整體道床在運營中出現(xiàn)了難以修復的病害，較嚴重的不得不

7、拆除改為普通有砟軌道。 </p><p>　　總結以往剛性整體道床的運用過程存在以下問題：</p><p>　　（1）軌道結構強度設計偏弱，剛度偏大，彈性不足，結構動應力增大，易形成疲勞破壞； 如：發(fā)生支承塊松動，支承塊擋肩破壞，扣件斷裂等現(xiàn)象。有些中心水溝式及淺側水溝式整體結構，水浸入道床后在軌道沖擊荷載作用下，形成活塞作用，加速道床砼的破壞；個別的整體道床直接修建在膨脹巖基礎上，發(fā)生道

8、床的變形破壞。在整體道床發(fā)展前期，造成設計強度偏弱和標準偏低的重要原因是對軌道動力作用認識不足和鐵路建設資金缺乏。</p><p>　?。?）道床澆注前或隧道鋪底前，基底浮砟及異物清理不徹底，運營后使道床砼板下不實，產(chǎn)生破壞。</p><p>　　（3）施工機械化水平低，勞動強度大，進度慢，軌道幾何精度不好，質量難以保證。</p><p>　　（4）運營中當結構發(fā)生

9、病害時，不易修復，影響了行車安全。</p><p>　　1.1.3彈性整體道床</p><p>　　這是一種低振動無砟軌道結構，是由鋼軌及其扣件、塊下膠墊、橡膠靴套、混凝土道床板及混凝土底座等組成。1995年-2000年，由鐵一院主持、鐵科院、大興鐵道建筑設計院、等多家單位參與的“彈性整體軌道結構及施工工藝和機具的研究”科研項目。課題研究的主要內容如下：</p><p&

10、gt;　　課題研究內容主要含有四個子課題和兩個試驗段，四個子課題為：</p><p>　?。?）彈性整體道床結構及施工和鋪設技術條件的研究。</p><p>　?。?）彈性整體道床的彈性可調式扣件研究。</p><p>　?。?）超長無縫線路長鋼軌一次鋪設工藝及機具的研究。</p><p>　?。?）彈性整體道床施工工藝及機具設備的研究。&l

11、t;/p><p><b>　　兩個試驗段為：</b></p><p>　?。?）隴海線寶天段白清隧道彈性整體道床結構試驗段。</p><p>　?。?）西安安康線大瓢溝隧道彈性整體道床施工工藝及機具設備試驗段。</p><p>　　1.1.4長軌枕埋入式無砟軌道</p><p>　　長軌枕埋入式無砟軌

12、道主要是由整體式穿孔混凝土枕和現(xiàn)場灌注的混凝土道床來組成。它包括鋼軌及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。這種無砟軌道結構的特點是堅固、耐久、可靠、幾何形位不易變動，維修工作量小，具有軌道少維修的功能。并已成功鋪設在秦沈客運專線沙河特大橋上和渝懷線魚嘴二號隧道內。</p><p>　　1.1.5土路基上無砟軌道</p><p>　　我國鐵路在土路基上鋪設的無砟軌道結構類型主要有水

13、泥混凝土道床無砟軌道和瀝青混凝土道床無砟軌道，但僅限于于大型客站、客技站、洗涮線、裝卸線、港口碼頭等地段，雖應用效果良好，但這些地段的行車速度、通過運量和行車密度都低于正線標準。</p><p>　　應當指出，在土路基上鋪筑無砟軌道，由于土路基的承載能力較低，又對動載荷和水浸蝕反應敏感，因此，必須特別重視對地基的加強處理和排水設施的良好設置。</p><p>　　近年來，無砟軌道的應用，在

14、國外高速鐵路上發(fā)展很快，特別是在德國新建高速線上連續(xù)長區(qū)段幾乎全線鋪設了Rheda-2000無砟軌道。為此，我國鐵路已擬在遂渝線和武廣線上鋪設連續(xù)成段無砟軌道綜合試驗段，積累工程技術儲備以適應今后時速200km客貨共線和時速300km高速鐵路建設的需要。</p><p>　　（1）支承塊式混凝土道床無砟軌道</p><p>　　這種土路基上混凝土道床軌道的基本特征是，在經(jīng)過碾壓密實的路基上

15、先鋪墊一定厚度（15～25cm）的砂夾碎石墊層加強，或采取樁基加強對策，然后灌注混凝土道床，道床又有單層和雙層之分。單層道床為厚35cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C30混凝土，雙層道床下層為寬350cm、厚30cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C15混凝土，上層為寬250cm、厚27cm的C25混凝土，支承塊采用C40鋼筋混凝土。</p><p>　　（2）寬枕瀝青混凝土道床無砟軌道</p><p>　?。?

16、）承軌臺式混凝土道床板鋪裝無砟軌道</p><p><b>　　1.2 國外概況</b></p><p><b>　　1.2.1日本情況</b></p><p>　　日本自1965年開始研發(fā)新型少維修軌道，在研發(fā)中曾提出過種種結構方案，經(jīng)過方案比選，考慮到預制混凝土板在制造上容易保證精度，又可在板下與下部結構之間設置可供

17、調整的緩沖墊層，又能滿足控制成本、快速施工、可維修性和軌道強度、彈性保持與有砟軌道等同水平等要求，因此，把這種結構形式取名為“板式軌道”。其研發(fā)目的是減少軌道維修，以節(jié)省人力、物力、財力，達到安全、經(jīng)濟和耐用的目標。見圖1.1。</p><p><b>　　圖1.1</b></p><p>　　日本在高架橋上、隧道內等堅固基礎上大量鋪設有標準定型的A型板式軌道，目前正

18、在研制試鋪各種型式的減振降噪板式軌道，G型防振板式軌道已標準定型。在土路基上試鋪有RA型板式軌道和板式道岔，還試鋪有Cc型板式軌道、B型、E型和C型鋪裝軌道，以及框架軌道和梯型軌道等。</p><p>　　以往，日本高速鐵路土路基上主要鋪設的是瀝青混凝土道床寬枕（LPC枕）無砟軌道。近年來，又在試鋪水泥混凝土道床板式無砟軌道。</p><p>　　1）RA型板式軌道 </p>

19、<p>　　RA型板式軌道結構，它是由鋼軌、鋼軌扣件、軌道板、CAM（水泥瀝青砂漿）填充層和瀝青混凝土基床等部分構成的。 </p><p>　　為能在土路基上或既有高架橋上鋪設，不采用凸形擋臺法阻止板的縱橫向移動，而采用在板底作凹槽的方法，利用其與CAM之間的阻力阻止板的移動。</p><p>　　可見，這種軌道是用瀝青混凝土基床強化路基，與其說是用軌道板不如說是用更寬的軌枕分

20、散列車載荷壓力，從而形成十分穩(wěn)定的路面鋪裝軌道，可以顯著延長軌道養(yǎng)護維修周期。 </p><p>　　2）土路基上混凝土道床板式軌道</p><p>　　為改善RA型板式軌道所用瀝青材料溫度敏感性高和耐久性差的不足，提出了用水泥混凝土道床替代瀝青混凝土道床的結構方案。</p><p>　　它是由砂層、下部鋪裝（由級配碎石層、礦渣層、水泥穩(wěn)定處理層或瀝青中間層組成的強

21、化路基）、鋼筋混凝土底座、乳化瀝青水泥砂漿層（CAM）、Ａ型軌道板、鋼軌扣件和鋼軌等構成的。</p><p><b>　　這種軌道的特點是：</b></p><p>　　(1) 可以使用在高架橋上和隧道內等剛性基礎上廣泛應用的標準Ａ型軌道板。</p><p>　　(2) 由于采用抗彎剛度大的混凝土底座，可以提高荷載的分散傳遞效果。</p&

22、gt;<p>　　(3) 與瀝青系材料相比，溫度敏感性低，耐久性優(yōu)。</p><p>　　(4) 與瀝青鋪裝施工時可采用道路工程鋪裝用的大型施工機械相比，施工效率降低了，并且需要較長的養(yǎng)生時間。</p><p>　　(5) 工程建設費高于瀝青鋪裝軌道。</p><p>　　(6) 應采取防止混凝土因溫度收縮而出現(xiàn)裂紋的技術對策。</p>

23、<p>　　(7) 與有砟軌道相比，噪聲和振動高。</p><p>　　關于工程建設費，如考慮其使用壽命期限內的全部費用（建設費＋維修費＋管理費），未必就不經(jīng)濟。關于噪聲和振動，可根據(jù)地基承載力的情況，視需要采取減振降噪技術對策。關于提高施工效率和混凝土收縮裂紋也可采取相應對策。</p><p>　　3）框架式板式軌道（圖1.2）</p><p><

24、b>　　圖1.2</b></p><p>　　框架式板式軌道結構具有以下優(yōu)點: </p><p>　　(1)可以克服因溫度變化引起的板的翹曲,防止CA砂漿損壞,減少維修量; </p><p>　　(2)減少板的體積和重量及CA砂漿用量,降低生產(chǎn)成本和運費,獲得更好的經(jīng)濟性; </p><p>　　(3)改善施工性能,板下CA

25、砂漿充填質量更加均勻等。</p><p><b>　　(4)緩和溫度應力</b></p><p><b>　　1.2.2德國情況</b></p><p>　　1）Rheda無砟軌道情況</p><p>　　德國是歐洲最熱心研究開發(fā)無砟軌道的國家。為了達到減少維修勞力、適應高速運營和強化軌道的目的，從

26、1959年起就開始研制和試鋪各種類型的少維修無砟軌道。</p><p>　　上世紀70年代，首先在希爾舍特（Hirschaid）車站試鋪了3種類型的無砟軌道。隨后又在雷達（Rheda）車站和厄爾德（Oelde）車站試鋪了2種無砟軌道。1977年在慕尼黑試驗線上又試鋪了6種新型無砟軌道。</p><p>　　自從1972年在比勒費爾德-哈姆間的Rheda車站土路基上鋪設整體式軌枕混凝土道床無

27、砟軌道以來，又相繼試鋪了各種水泥混凝土道床和瀝青混凝土道床無砟軌道。經(jīng)過多年在土路基上、高架橋上和隧道內的試鋪試驗，不斷完善、改進、優(yōu)化，形成了德國鐵路運用較為普遍的無砟軌道系列，并于1989年基本定型并統(tǒng)稱為Rheda軌道。</p><p>　　德國Rheda無砟軌道系統(tǒng)，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)Rheda軌道形式→Rheda Sengeberg軌道形式→Rheda軌道Berlin HST形式→Rheda-2000軌道形式

28、的發(fā)展過程如下圖1.3:</p><p><b>　　圖1.3</b></p><p>　　2）Rheda2000無砟軌道的特點</p><p>　　(1)與普通型軌道相比，軌頂?shù)剿残曰炷辽媳砻娴木嚯x減少到473毫米，軌道板各層的厚度累計減少了177毫米，在軌距不變的前提下，軌枕全長2.6米減少到2.3米。所用混凝土量大大減少了。</

29、p><p>　　(2)埋入長枕優(yōu)化為短枕，后期澆注混凝土與軌枕之間的裂縫減少。</p><p>　　(3)對土質路基、橋梁、高架橋、隧道、道岔區(qū)段以及減振要求區(qū)段，可以采用統(tǒng)一結構類型，技術要求、標準相對單一，施工質量容易控制，更適應于高速鐵路。</p><p>　　(4)槽型板的取消，使得軌道混凝土承載層的灌注混凝土的搗固作業(yè)質量易于保證。</p>&l

30、t;p>　　(5)兩軌枕塊之間用鋼筋桁梁連接，軌距保持穩(wěn)定。</p><p>　　(6)表面簡潔、平整，美觀漂亮。</p><p>　　1972-1988年鋪設無砟軌道25處，延長19km，1989-1997年又鋪設無砟軌道22處，延長188km，遍及土路基、橋梁和隧道工程結構。至1997年，已鋪設Rheda無砟軌道約207km。其中在土路基上鋪設混凝土道床Rheda軌道約86km，

31、瀝青混凝土道床無砟軌道約63km。</p><p>　　新建的漢諾威~柏林高速線鋪設了120km的Rheda-2000軌道，而在新建的科隆~法蘭克福高速線上，從齊格堡開始約150km長的線路上全線鋪設Rheda-2000無砟軌道。紐倫堡-英格爾城高速新線亦鋪設Rheda-2000無砟軌道。 </p><p>　　德國鐵路規(guī)定試鋪的無砟軌道要經(jīng)過5年的運營考驗后經(jīng)批準才能正式使用。</

32、p><p>　　1996年，德國聯(lián)邦鐵路局（EBA）批準：</p><p>　　——5種無砟軌道結構可以使用</p><p>　　——10種無砟軌道結構可進行運營試驗</p><p>　　在已批準可以使用的5種無砟軌道結構中，有3種是水泥混凝土道床承載層（BTS），2種是瀝青混凝土道床承載層（ATS）。10種批準試鋪的無砟軌道結構中，有7種采用B

33、TS，3種采用ATS承載層。</p><p>　　3） ZÜBLIN無砟軌道</p><p>　　它類似Rheda軌道，是在新灌注的混凝土道床層上用特殊施工機械施加振動，以使軌枕被安置在所規(guī)定的位置上。</p><p>　　機械化施工性能雖優(yōu)，但當超高超過150mm時，會引起施工困難。從1977~1996年，ZÜBLIN無砟軌道已鋪設總延長18k

34、m。</p><p><b>　　4）博格板式軌道</b></p><p>　?。?）路基上博格板式軌道結構組成</p><p>　　路基上博格無砟軌道由Vossloh 300型彈性扣件、預制軌道板、砂漿調整層及水硬性材料支承層等部分組成。</p><p>　?。?）長橋上無砟軌道系統(tǒng)結構組成</p>&l

35、t;p>　　由Vossloh 300型彈性扣件、預制軌道板、砂漿調整層、連續(xù)底座板、滑動層、側向擋塊等部分組成，臺后路基上設置摩擦板、端刺及過渡板，梁縫處設置長3m，厚度50mm的硬泡沫塑料板</p><p>　　1.2.3 英國鐵路無砟軌道</p><p>　　PACT（Paved Concrete Track）軌道</p><p>　　為英國1969年研制

36、、試鋪，1973年正式使用的高速、重載少維修無砟軌道，簡稱PACT軌道。</p><p>　　它是在就地灌注的鋼筋混凝土道床上直接聯(lián)結鋼軌，軌底與道床板之間設有連續(xù)帶狀橡膠墊板，連續(xù)支承鋼軌。這種軌道已被英國、西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國廣泛用于大軸重高速客運專線的隧道內和橋梁結構上，鋪設總延長約為80km。 </p><p>　　1.2.4法國鐵路無砟軌道</p><

37、;p>　　STEDEF雙塊式軌枕無砟軌道</p><p>　　為法國雙塊式軌枕混凝土道床無砟軌道，簡稱STEDEF軌道，類似瑞士LVT、英國LVT軌道。主要用于隧道內，特別是地鐵軌道。由于它是在塊枕下設有橡膠襯墊和套靴以提供高彈性，故能有效地降低地鐵軌道的噪聲和振動。</p><p>　　1.3 我國無砟軌道技術再創(chuàng)新概況</p><p>　　1.3.1再創(chuàng)

38、新工作的總體目標</p><p>　　在前期科研成果和引進技術的基礎上，對無砟軌道系統(tǒng)技術進行再創(chuàng)新；</p><p>　　研發(fā)無砟軌道設計、制造、施工等成套技術及裝備，其技術經(jīng)濟指標和施工效率優(yōu)于引進技術，總體性能不低于國外無砟軌道系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.2再創(chuàng)新工作的具體內容</p><p>　　1）國內外無砟軌道系統(tǒng)技術總結

39、及無砟軌道結構選型</p><p>　?。?）Rheda2000型無砟軌道系統(tǒng)技術總結</p><p>　　（2）Zublin型無砟軌道系統(tǒng)技術總結</p><p>　?。?）Bogl型板式無砟軌道系統(tǒng)技術總結</p><p>　?。?）日本板式無砟軌道系統(tǒng)技術總結</p><p>　　（5）我國無砟軌道前期試驗研究成

40、果總結</p><p>　　2）我國客運專線無砟軌道結構選型報告</p><p>　?。?）無砟軌道結構設計理論和方法</p><p>　　（2） 無砟軌道結構設計技術要求及設計圖，包括：路基（含樁板路基）、橋涵、隧道、岔區(qū)、過渡段等基礎上的無砟軌道結構。</p><p>　?。?） 無砟軌道結構對線下基礎的設計要求</p>&

41、lt;p>　?。?） 無砟軌道預制件設計圖、制造技術要求及成套裝備</p><p>　　（5） 無砟軌道施工工藝及成套裝備</p><p>　　3）客運專線無砟軌道系統(tǒng)設計技術</p><p>　?。?） 橋上無砟軌道系統(tǒng)設計技術</p><p>　　（2） 路基上無砟軌道系統(tǒng)設計技術</p><p>　?。?）

42、 隧道內無砟軌道系統(tǒng)設計技術</p><p>　?。?） 岔區(qū)無砟軌道系統(tǒng)設計技術</p><p>　　(5） 過渡段軌道結構設計技術</p><p>　?。?） 無砟軌道結構預制件設計技術</p><p>　　（7） 無砟軌道與站后工程的接口設計技術</p><p>　　4）客運專線無砟軌道無縫線路設計技術</

43、p><p>　　（1） 橋上無砟無縫線路設計技術（含區(qū)間、岔區(qū)）</p><p>　?。?） 無縫線路關鍵部件的設計技術（含伸縮調節(jié)器、絕緣接頭、凍結接頭）</p><p>　?。?） 無砟無縫線路鋪設技術及關鍵設備研制</p><p>　　5）客運專線無砟軌道工程材料的試驗研究</p><p>　?。?） 路基上無砟軌道

44、水硬性支承層材料的研制</p><p>　　（2） 路基面瀝青防水層材料的研制</p><p>　?。?） 無砟軌道吸音板材料的研制</p><p>　?。?） 板式軌道凸形擋臺填充樹脂材料的研制</p><p>　?。?） 過渡段道砟粘結材料的研制</p><p>　?。?） 橋上隔離層及橡膠墊層的研制</p&

45、gt;<p>　　(7） 減振型板式軌道橡膠墊層的研制</p><p>　?。?） 硬質泡沫塑料板的研制</p><p>　?。?） 道床板及底座混凝土配合比設計優(yōu)化</p><p>　?。?0）錨固銷釘及錨固材料的研制</p><p>　　6）客運專線板式軌道CA砂漿及成套裝備的研制</p><p>　

46、?。?） 瀝青乳劑的研制</p><p>　　（2） CA砂漿原材料要求及配合比設計</p><p>　?。?） CA砂漿施工工藝及成套設備的研制</p><p>　?。?） CA砂漿注入袋的研制</p><p>　　(5） CA砂漿調整層修補技術</p><p>　　7）客運專線無砟軌道制造、檢測技術及成套裝備的研制

47、</p><p>　?。?） 混凝土軌道板制造工藝及成套設備的研制</p><p>　　（2） 雙塊式軌枕制造工藝及成套設備的研制</p><p>　?。?） 桁架式岔枕制造工藝及成套設備的研制</p><p>　　8）客運專線無砟軌道施工、檢測技術及成套裝備的研制</p><p>　?。?） 板式軌道施工工藝及成套設

48、備的研制</p><p>　?。?） 雙塊式無砟軌道施工工藝及成套設備的研制</p><p>　?。?） 岔區(qū)無砟軌道施工工藝及成套設備的研制</p><p>　　2. 無砟軌道設計</p><p>　　2.1 無砟軌道的技術特點</p><p><b>　　2.1.1優(yōu)點分析</b><

49、/p><p>　　1）強度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長，有砟軌道20年，無砟軌道60年。</p><p>　　2）幾何平順性好，保持能力強，技術速度更高</p><p>　　3）維修量小，養(yǎng)護人員少，簡化養(yǎng)護維修體制，無需大型養(yǎng)護機械</p><p>　　4）橫向穩(wěn)定性好，可以設置較大的曲線超高，可減小線路曲線半徑，使線路選線具有較大的靈活性。<

50、;/p><p>　　5）縱向穩(wěn)定性提供更好的防爬能力，可使線路設計更大的縱坡，適應地形好，節(jié)省工程費。</p><p>　　6）軌道高度降低，節(jié)省隧道空間，降低橋梁二期恒載，相應降低相關工程費。</p><p>　　7）特別適合在高速客運專線和長大隧道內修建，技術性先進、節(jié)省維修量，速度目標值可靠。</p><p>　　8）環(huán)保：避免特級道砟開采

51、、水洗破壞環(huán)境和景區(qū)風貌。</p><p><b>　　2.1.2缺點分析</b></p><p>　　1）對路基穩(wěn)定性和沉降值要求高（客專15～20mm），基礎處理費用較高。目前京津城際路基下沉最大47mm，預測還將發(fā)生30mm。</p><p>　　2）造價是有砟軌道1.5～2.5倍，但全壽命經(jīng)濟效益仍優(yōu)于有砟軌道。</p>

52、<p>　　3）軌道一旦破壞，修復難度較大。</p><p>　　2.2 國內標準確定的無砟軌道種類適用性</p><p>　　目前標準參考圖編制種類：</p><p><b>　　彈性支承塊式</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型雙塊式</b></p><

53、p><b>　　CRTSⅡ型雙塊式</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型板式</b></p><p><b>　　CRTSⅡ型板式</b></p><p><b>　　2.2.1扣件</b></p><p>　　預埋鐵座式彈性可調扣件&l

54、t;/p><p>　　可調式彈性扣件是為秦嶺特長隧道內彈性支承塊式無砟軌道上使用而研發(fā)的。它是一種預埋鐵座、無擋肩、不分開、可調式彈條扣件。由ω型彈條、軌距擋板、絕緣軌距塊、軌下膠墊、預埋鐵座、T型螺栓、平墊圈、蓋型螺母及調高墊片等組成。其主要技術參數(shù)如下：</p><p><b>　　設計參數(shù)：</b></p><p>　　1. 軌距：1435m

55、m。</p><p>　　2. 軌底坡：在鐵墊板上設置1:40軌底坡。</p><p>　　3. 鋼軌縱向阻力：一般地段大于9kN（每組扣件），小阻力地段為4kN（每組扣件）。</p><p>　　4. 節(jié)點剛度：A型：墊板靜剛度為20～30kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點靜剛度為35kN/mm。B型：墊板靜剛度為30～40kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點靜剛度為50kN/mm。&

56、lt;/p><p>　　5. 疲勞性能：扣件系統(tǒng)按EN13146-4進行試驗，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后零部件無傷損，軌距擴大小于6mm，且扣壓力變化≤20%、</p><p>　　鋼軌縱向阻力變化≤20%、節(jié)點靜剛度變化≤25%。（試驗荷載參數(shù)：Pv/cosα=70kN，L/V=0.50，α=26°，X=15mm）。</p><p>　　6. 絕緣電阻：扣件系統(tǒng)

57、按EN13146-5進行測試，兩軌間絕緣電阻大于3Ω·km，并滿足軌道電路的要求。</p><p>　　7. 惡劣環(huán)境條件影響：扣件系統(tǒng)經(jīng)EN13146-6所述300h鹽霧試驗之后，用手工拆卸工具能順利拆卸。</p><p>　　8. 鋼軌左右位置調整量：單股鋼軌左右位置調整量：-6～+6mm；軌距調整量：-12～+12mm，連續(xù)無級調整。</p><p>

58、;　　9. 鋼軌高低位置調整量：30mm，調整級別為1mm，采用充填式墊板可實現(xiàn)無級調整。</p><p>　　10. 彈條扣壓力及彈程：W1型彈條：扣壓力大于9kN，彈程14mm；X2型彈條：扣壓力6kN，彈程12mm。</p><p>　　11. 預埋套管抗拔力：不小于100kN。</p><p>　　2.3 無砟軌道的適用范圍</p><

59、p>　　2.3.1客貨混運線</p><p>　　設計速度200km/h以下，無砟主要考慮鋪設于長大隧道地段、長橋地段及橋隧相連地段，其余地段以有砟軌道為主。主推無砟軌道類型有：</p><p><b>　　彈性支承塊無砟軌道</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型雙塊式</b></p>&l

60、t;p><b>　　框架式軌道板 </b></p><p><b>　　2.3.2客運專線</b></p><p>　　設計速度300km/h~350km/h，原則上全線鋪設無砟軌道，主推軌道類型有：CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式。</p><p>　　其中溫暖地區(qū)CRTS

61、Ⅰ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式采用連續(xù)結構，寒冷地區(qū)可考慮分塊式單元結構；CRTSⅠ型板式溫暖地區(qū)可采用框架式，寒冷地區(qū)可采用大板，目前不主張在寒冷地區(qū)采用CRTSⅡ型連續(xù)板（博格）。</p><p><b>　　2.3.3城際鐵路</b></p><p>　　設計速度250km/h，無砟主要考慮鋪設于長大隧道地段、長橋地段及橋隧相連地段，其余路基地段以有砟軌道為主。

62、主推無砟軌道類型有：CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅠ型板式。</p><p>　　2.4 無砟軌道設計</p><p>　　2.4.1設計解決的問題及目標值</p><p>　　1）軌道強度、材料耐久性指標60年、氣候條件——道床厚度、配筋率、道床裂縫寬度、鋼筋保護層厚度——軌道部件種類</p><p>　　2）軌道彈性指

63、標：合理范圍20~60kN/mm，主要靠扣件膠墊實現(xiàn)，板式軌道CAM僅能提供部分緩沖作用。</p><p>　　3）施工方法、進度指標</p><p><b>　　4）維修性指標</b></p><p><b>　　5）經(jīng)濟性指標</b></p><p><b>　　2.4.2設計選型&l

64、t;/b></p><p><b>　　結構選型原則</b></p><p>　?。?）結構形式與速度、軸重、運量匹配</p><p><b>　?。?）技術成熟</b></p><p><b>　?。?）可施工性好</b></p><p><

65、;b>　?。?）經(jīng)濟性好</b></p><p><b>　　2.4.3設計接口</b></p><p><b>　　1）線路與超高接口</b></p><p>　　線路曲線半徑與外軌超高關聯(lián)，由于無砟軌道橫向穩(wěn)定性更好，可以使曲線超高更大些，因此使線路曲線半徑更小。</p><p&g

66、t;<b>　　2）路基與排水接口</b></p><p><b>　?。?）路基沉降：</b></p><p>　　我國時速300-350公里暫規(guī)：</p><p>　?、儆许能壍缆坊ず蟪两盗坎粦笥?cm，沉降速率應小于2cm/年。橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應大于3cm。</p><p>

67、　　②無砟軌道地段路基在無砟軌道鋪設完成后的工后沉降應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15mm；沉降比較均勻、長度大于20m的路基，允許的最大工后沉降量為30mm，并且調整軌面高程后的豎曲線半徑應能滿足下列要求：</p><p>　　Rsh≥0.4 沉降值——15mm </p><p>　　德國擬合豎曲線理論：</p

68、><p>　　德國設計標準RIL836規(guī)定：無砟軌道結構的總殘余沉降量SR應滿足1要求，個別特殊情況應滿足2要求。</p><p>　　1、無砟軌道施工以后的最大總殘余沉降量SR應不超過軌道的最大調整余量減去5 mm。在長度大于20m的均勻沉降路段，結構的殘余沉降量最大不應超過2倍修正調節(jié)量。該調節(jié)量最大不超過20 mm，修正調節(jié)量為15mm，其中5mm的差是為了抵消火車經(jīng)過時產(chǎn)生的沉降。&l

69、t;/p><p>　　2、個別特殊情況，結構的總殘余沉降量可以調整至6 cm，前提是根據(jù)列車行駛動力學原理 Ra 0.4 ve2 ，對線路長的落差值采取一定的過渡措施。 </p><p><b>　　3）隧道接口</b></p><p>　　沉降縫處理：不同結構縫處軌道設置斷縫；山區(qū)圍巖穩(wěn)定是可不設斷縫。在軌道板末端或者在工作縫和施工縫等自由邊

70、，底座和無砟軌道之間的粘結必須采用特殊的措施來進行處理。</p><p>　　為了確保軌道板混凝土和底座間的粘接，防止橫向荷載和抬升發(fā)生，應該在軌枕之間的軌道板的自由邊上安裝直徑為25mm的銷釘，每處安裝4排，1排5個銷釘，正常的銷釘是直徑為25mm的直螺紋鋼筋，其長度要確保無砟軌道內有固定的長度，而且要插入隧道內100mm。 </p><p>　　隧道結構相鄰單元之間的沉降差不能超過3

71、mm。在施工和運營過程中都必須嚴格監(jiān)控有可能產(chǎn)生沉降差的結構縫，以便于及時調整沉降差。</p><p>　　在特殊情況下，如果隧道結構允許的話，沉降差也可以大于3 mm。在此處，混凝土底板和道床板中都要斷開設置。</p><p>　　在結構縫處沒有設置活動連接的軌道結構單元，應采取必要的措施，以避免兩層混凝土結構之間互相粘連，以及由于下部結構的變形而加劇上部道床板裂縫的發(fā)展。當沉降差在0～

72、3 mm范圍時，需在道床板內配附加鋼筋，且在混凝土底板和道床板之間要設置PE膜作為隔離層；當沉降差大于3 mm時，應將混凝土底板和道床板斷開設置，且在混凝土底板和道床板之間設置PE膜作為隔離層。</p><p><b>　　4）橋梁接口</b></p><p>　?。?）技術要求：梁端轉角≤1‰</p><p>　　（2）長橋上軌道與梁面連接方

73、式：跨度大于25M為長橋</p><p>　　2.5 無砟軌道結構檢算</p><p><b>　　2.5.1國外情況</b></p><p>　?。?）Zublin無砟軌道設計原理及計算方法</p><p><b>　　計算模型和假定:</b></p><p>　　結構計

74、算模型分為三層，最上面是鋼軌，下面是承載層，由道床板和水硬性承載層共同組成，最下面是防凍層及地基各土層。</p><p>　　計算假定一：軌道結構的上部荷載是通過軌枕以45°角向下傳遞的。</p><p>　　計算假定二：道床板混凝土處于未開裂狀態(tài)。</p><p>　　另外，雙塊式軌枕與道床板整體澆筑在一起，這保證了荷載的橫向傳遞，所以不用額外對結構橫向

75、的抗彎承載力進行分析。也就是說，鋼軌下部的混凝土承重結構主要是受沿軌道縱向的彎矩作用，設計時可以簡化成“彈性地基梁”。</p><p>　　無砟軌道設計是基于德國鐵路要求(AKFF)和Eisenmann 教授和Leykauf教授 的理論。</p><p>　　德國AKFF規(guī)定配筋率為0.8 到 0.9 %，鋼筋須設在軌道板的中間位置附近。在裂縫處，鋼筋確保荷載從一邊轉移到另一邊，同時保證了

76、裂縫寬度的在限值之內 ，以保護鋼筋免受腐蝕。 德國規(guī)范規(guī)定無砟軌道的容許裂縫寬度為0.5 mm。</p><p>　?。?）橋上無砟軌道設計原理及計算方法</p><p>　　設計原理同路基上無砟道岔與長橋上無砟軌道，特別考慮了下列因素的影響：</p><p>　　橋梁撓曲變形的影響；</p><p>　　橋上無縫線路附加縱向力的影響；<

77、;/p><p>　　2.5.2國內檢算方法概況</p><p>　　1）結構設計檢算使用年限</p><p>　　（1）無砟軌道的設計與檢算采用容許應力法。</p><p>　　（2）按我國結構設計體系，設計壽命為50年的稱為半永久性結構，設計壽命為100年的稱為永久結構，并沒有與設計壽命60年(如德國采用的設計使用壽命)對應的耐久性設計要求。因

78、此我國無砟軌道在設計中建議按使用壽命50年考慮，以方便在耐久性設計中參照有關規(guī)范。</p><p><b>　　2）計算檢算范圍</b></p><p><b>　?。?）主體結構</b></p><p>　?、佘壍腊?、道床板、底座應進行配筋設計及強度、裂紋、疲勞等檢算。</p><p>　　②砂漿

79、層應進行抗拉壓強度、剪切強度、疲勞強度檢算。</p><p>　?、蹚椥詨|層應進行剛度設計、強度檢算并依據(jù)設計使用年限內的老化特性進行選材。</p><p>　?、苤С袑釉谠O計中納入計算，但不進行檢算。</p><p><b>　?。?）附屬結構</b></p><p>　?、龠B接層應進行關于粘接強度的抗拉、抗剪強度計算

80、和檢算。</p><p>　?、谕剐螕跖_、底座上的凸形限位臺、底座側面的限位器等應進行強度計算和檢算。</p><p>　?、巯尬讳N釘應進行強度計算和檢算，還應進行疲勞強度檢算。</p><p>　　④道床板與底座間的隔離層、底座板與橋梁面板間的滑動層應依據(jù)強度和耐久性進行選材或檢算。</p><p>　?、菘v連式無砟軌道的端部限位臺座及與橋

81、梁連接的傳力結構，應進行強度計算和檢算。</p><p>　?、奁渌綄俳Y構根據(jù)需要進行強度計算或檢算，必要時進行疲勞檢算。</p><p>　　3）結構檢算內容與荷載組合</p><p>　?。?）主體結構中的軌道板、道床板、底座</p><p>　?、偎貌牧系男阅軕丛O計壽命50年，依據(jù)國標GB50010-2002中關于耐久性設計的相關

82、規(guī)定進行。</p><p>　?、趩卧綗o砟軌道以“列車豎向設計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上）”引起的主體結構的彎矩進行配筋設計及裂縫寬度檢算。</p><p>　?、劭v連式無砟軌道以“列車豎向設計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上）＋縱向溫度力”引起的主體結構的應力，依據(jù)裂紋寬度限值和鋼筋強度限值進行配筋設計。</p><p>　?、芤浴傲熊囏Q向準靜

83、態(tài)檢算荷載＋溫度梯度＋縱向溫度力＋基礎變形＋混凝土收縮”進行強度檢算。</p><p>　　⑤以“列車豎向疲勞檢算荷載＋溫度梯度”按50年內荷載作用次數(shù)進行疲勞檢算。</p><p>　?、抟赃\輸、吊裝、施工、維修中可能出現(xiàn)的臨時荷載進行強度檢算，給出限制條件或施工維護指導意見。</p><p>　?。?）列車豎向荷載計算方法</p><p>

84、;　　①列車豎向設計荷載供設計計算時使用，為列車運行在線路上的最大可能輪載值再考慮一定的安全裕量，取靜輪載的3倍或單輪300kN。</p><p>　?、诹熊囏Q向準靜態(tài)檢算荷載供靜力檢算中的計算使用，為列車運行在線路上的最大可能輪載值，單輪取為2.0倍靜輪載。</p><p>　　③列車豎向疲勞檢算荷載供疲勞檢算中的計算使用，為列車運行在線路上經(jīng)常出現(xiàn)的輪載值，單輪取為0.3-1.5倍靜輪

85、載循環(huán)荷載。</p><p>　?、芨綄俳Y構設計檢算中列車橫向荷載按輪載的0.8倍，疲勞檢算時取輪載的0.4倍。</p><p>　　⑤附屬結構設計檢算中列車縱向荷載取輪載的0.164倍。</p><p>　?、捱M行平板溫度翹曲應力計算時，參照公路規(guī)范《（JTG D40-2002）公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》的溫度梯度取值，將取值除以2，再取不同地區(qū)的平均值，建議我

86、國無砟軌道設計中溫度梯度的取值暫定為45℃/m。則對于190mm厚的軌道板，溫度梯度取為8.6℃。</p><p>　?、呖v向溫度力計算中的年最高最低氣溫按我國無縫線路設計中相關規(guī)范取值。</p><p>　?、嗍湛s按降溫處理，降溫幅度參照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范（TB 10002.1-2005）》第4.4.5條規(guī)定選用。</p><p>　?、崧坊两禃喊?5mm/

87、20m取值。</p><p>　?、鈽蛄簱锨冃巍⒍张_沉降、梁端轉角按所在線路的橋梁設計暫規(guī)取值。</p><p>　　3）無砟軌道列車荷載彎矩計算理論</p><p>　　（1）彈性地基上的疊合梁理論</p><p>　?。?）彈性地基上的梁－板理論</p><p>　　（3）彈性地基上的梁－體有限元計算理論<

88、/p><p>　　為消除邊界效應，模型選取三塊單元軌道板或相當?shù)拈L度進行計算，以中間單元板作為研究對象，計算的應力數(shù)據(jù)經(jīng)過積分運算得到軌道板所受縱橫向彎矩。梁體有限元理論的計算模型如圖所示。</p><p>　　4）比較分析的初步結論</p><p>　?。?）建議采用梁板理論進行列車荷載作用下的彎矩計算</p><p>　　（2）疊合梁理論修正

89、后也可用于設計計算</p><p>　　（3）梁體有限元計算理論宜作為研究中使用</p><p><b>　　圖2.1疊合梁模型</b></p><p><b>　　圖2.2梁-板模型</b></p><p><b>　　圖2.3梁-體模型</b></p><

90、;p><b>　　3 有限元介紹</b></p><p>　　3.1 有限元方法的發(fā)展歷史</p><p>　　早在1941年，Hrennikoff用線單元網(wǎng)絡求解連續(xù)體中的應力，從而在20世紀40年代便開始了有限元方法的現(xiàn)代發(fā)展。</p><p>　　1943年，Courant嘗試應用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相

91、結合，來求解St.Venant扭轉問題，將此作為一種得到近似數(shù)值解的方法。 </p><p>　　1953年，Levy和Kelsey提出采用剛度法或位移法可用來分析靜不定飛機結構。可是方程太過復雜，無法手工處理，因此隨著計算機的發(fā)展，這種方法才普及起來。</p><p>　　1954年，Argyris和Kelsey利用能量原理建立了矩陣結構分析方法。這說明了能量原理在有限元方法中有著重

92、要的作用。 </p><p>　　現(xiàn)代有限元方法第一個成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應用于彈性力學平面問題。這是Turner, Clough等人于1956年在分析飛機結構時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應力問題的正確解答。三角形單元的單元特性是由彈性理論方程來確定的，采用的是直接剛度法。他們的研究工作打開了利用電子計算機求解復雜平面彈性問題的新局面。</p><p>　　

93、第一次提出“有限單元法”的名稱是在1960年，Clough進—步處理了平面彈性問題，使人們認識到了有限元法的功效。</p><p>　　1963—1964年，Besseling ，Melosh和Jons等人證明了有限單元法是基于變分原理的里茲法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎都適用于有限單元法。確認了有限單元法是處理連續(xù)介質問題的一種普遍方法。利用變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是，有限單

94、元法假設的近似函數(shù)不是在全求解域而是在單元上規(guī)定的，而且事先不要求滿足任何邊界條件，因此可以用來處理很復雜的連續(xù)介質問題。</p><p>　　20世紀60年代早期以前，大多數(shù)有限元工作是處理小應變、小位移、彈性材料和靜載荷。60年代以后，在有限元法中主要利用的是伽遼金(Galerkin)法，采用加權余量方式來確定單元特性和建立有限元求解方程。它可以用于已經(jīng)知道問題的微分方程和邊界條件、但是變分的泛函尚未找到或者

95、根本不存在的情況，因而進一步擴大了有限元法的應用領域。</p><p>　　目前，有限元法的應用已經(jīng)由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定向題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴展到塑性、黏彈性、黏塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等連續(xù)介質力學領域。在工程分析中的作用已從分析和校核發(fā)展到優(yōu)化設計和計算機輔助設計(CAE)技術相結合。在工程應用上，有限元法在航

96、空航天工程、機械工程、建筑工程、海洋工程、地質工程、生物力學工程等諸多方面得到了廣泛的應用。可以預計，隨著計算機技術的發(fā)展,有限單元法作為一個具有鞏固理論基礎和廣泛應用效力的數(shù)值分析工具，必將在國民經(jīng)濟建設和科學技術發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身亦將得到進一步的發(fā)展和完善。</p><p>　　3.2 有限元常用術語簡介</p><p><b>　　(1)單元</b>

97、</p><p>　　結構單元的網(wǎng)格劃分中的每——個小的塊體稱之為單元。常見的單元類型有線段單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元幾種。由于單元是組成有限元模型的基礎，因此單元類型對于有限元分析是至關重要的。一個有限元程序提供的單元種類越多，它的功能就越強大。</p><p><b>　　(2)節(jié)點</b></p><p>　　確

98、定單無形狀的點叫節(jié)點，例如：線段單元只有2個節(jié)點，三角形單元中有3個或6個節(jié)點，四邊形至少有4個節(jié)點等。</p><p><b>　　(3)載荷</b></p><p>　　工程結構所受到的外在施加的力稱為載荷。包括集中力和分布力等。在不同的學科中，載荷的含義也不同。例如：在電磁場分析中，載荷是指結構所受的電場和磁場作用；在溫度場分析中，所受的載荷是指溫度本身。<

99、;/p><p><b>　　(4)邊界條件</b></p><p>　　邊界條件就是指結構邊界上所受到的外加約束。在有限元分析中，邊界條件的確定是非常重要的因素。錯誤的邊界條件的選擇往往使有限元中的剛度矩陣發(fā)生奇異，使程序無法正常運行。施加正確的邊界條件是獲得正確的分析結果和較高的分析精度的重要條件。</p><p>　　3.3 有限元方法的一般

100、步驟</p><p>　　有限無法用相互連接的單元模擬結構。每個單元都有一個位移函數(shù)與之相關。相互聯(lián)結的單元通過共同(或共享)的界面，與其他單元聯(lián)結起來。通過使用構成結構材料已知的應力應變特性，可以用結構中其他單元的特性確定給定節(jié)點的特性。描述每一節(jié)點特性的整組方程得出一系列用矩陣符號最佳表示的代數(shù)方程。具體說，進行有限元分析，主要可分為如下幾步。</p><p>　　步驟1：離散結構和選

101、擇單元類型</p><p>　　將給定的物體劃分為具有相關節(jié)點的等價的有限無系統(tǒng)，選擇適當?shù)膯卧愋蛠碜罱咏啬M系統(tǒng)實際的物理性能。所用的單元總數(shù)和給定物體內單元大小和類型的變化是需要工程判斷的主要問題。單元必須小到可以給出有用的結果，又必須足夠大以節(jié)省計算費用。一般來說，一維結構的有限單元可以為線段；二維連續(xù)體的有限單元為三角形、四邊形；三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長方體和六面體。各種類型的單元有著不同

102、的優(yōu)缺點。根據(jù)實際應用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點。分析人員必須要決定單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。</p><p>　　步驟2：選擇位移函數(shù)</p><p>　　假設的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實的位移分布。通常假設位移函數(shù)為多項式，最簡單的情況為線性多項式。在實際應用中，沒有一種多項式可以與實際位移完全一致。用戶所要做

103、的是選擇多項式的階次、以使多項式在可以承受的計算時間內達到足夠的精度。此外．還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，它們通常是節(jié)點的位移，但也有可能包括節(jié)點的位移函數(shù)。所選擇的位移函數(shù)是用單元的節(jié)點值在單元內部定義的，并且每個單元可以重復使用同一個通用的位移函數(shù)。</p><p>　　步驟3：定義應變位移和應力應變關系</p><p>　　為了推導每一個有限單元的方程，需要應變位移和應力應變關系。此

104、外，應力和應變必須通過應力應變關系(通常叫做本構關系)聯(lián)系起來。在獲取可接受的結果時，精確定義材料行為的能力是最重要的。最簡單的應力／應變定律即是虎克定律。</p><p>　　步驟4：推導單元剛度矩陣和方程</p><p>　　單元剛度矩陣是根據(jù)最小位能原理或其他原理，由單元材料和幾何性質導出的平衡方程系數(shù)構成的。單元剛度短陣將節(jié)點位移和節(jié)點力聯(lián)系起來，物體受到的分布載荷變換為節(jié)點處的等

105、價集中力。剛度矩陣K、節(jié)點力矢量F和節(jié)點位移矢量D的平衡關系表示為矩陣形式為</p><p>　　{F}=[K]{D}</p><p>　　步驟5：組裝單元方程得出總體方程并引進邊界條件</p><p>　　可以便用疊加法將步驟4得到的單個單元方程組裝在一起得出整個結構的總體方程。疊加法中所隱含的是連續(xù)和協(xié)調概念，要求結構保持完整，在結構任何一處都不發(fā)生撕開。<

106、;/p><p>　　最后得到如下形式的總體矩陣方程：</p><p>　　{F}=[K]{D}</p><p>　　其中 {F}——整體節(jié)點力矢量；</p><p>　　[K] ——總體剛度矩陣；</p><p>　　{D} ——總體節(jié)點位移矢量。</p><p>　　步驟6：解未知自由度<

107、;/p><p>　　即是求解上面得到的矩陣方程。</p><p>　　步驟7：求解單元應變和應力</p><p>　　對于結構應力應變分析來說，因為應力應變可以用步驟6確定的位移直接表達。因此應力應變是第二批得到的重要的量。可以使用典型的應變和位移關系及應力應變關系，如上面所述。</p><p><b>　　步驟8：解釋結果</b

108、></p><p>　　最后的目標是解釋和分析用于應力應變分析過程的結果。在進行設計和分析決策時，通常需要確定結構中位移最大和應力最大的位置。后處理計算機程序用圖形顯示的方式幫助用戶解釋結果。 在使用有限元程序求解問題時，分析人員必須作出決定的問題是：將結構或連續(xù)體劃分為有限元的問題、選擇單元類型或分析中要使用的單元類型、外加載荷的類型、邊界條件的類型、外加支撐的類型問題，步驟2—7由計算機程序自動完成。&

109、lt;/p><p>　　3.4 有限元方法的優(yōu)缺點</p><p>　　(1)有限元法的優(yōu)點</p><p>　?、儆邢拊ú恍枰m用于整個物體的插值闡述，而是對每個單元各自插值，故此可以很容易地模擬具有不規(guī)則復雜形狀的結構。</p><p>　　②整個系統(tǒng)離散為有限個單元，并將整個系統(tǒng)的方程轉換成一組線性聯(lián)立方程。從而可以用多種方法對其求解。

110、</p><p>　?、劭梢院翢o困難地處理一般的載荷。</p><p>　?、苓吔鐥l件不進入單個有限單元的方程，而是在得到整體方程后再加入邊界條件，這樣，內部和邊界單元都能采用相同的場變量模型。而且當邊界條件改變時，內部場變量模型不需要改變。</p><p>　?、菀驗閱卧匠淌菃蝹€建立的，所以可以模擬由幾種不同材料構成的物體，處理非線性問題，求解非均勻介質。<

111、;/p><p><b>　?、蘅商幚韯討B(tài)問題。</b></p><p>　?、邌卧某叽绱笮】梢宰兓腋淖冇邢拊Ｐ鸵脖容^容易。</p><p>　　⑧處理大變形和非線性材料帶來的非線性問題。</p><p>　　(2)有限元法的不足之處</p><p>　?、儆邢拊嬎?。尤其是在對復雜問題的分析

112、上，所耗費的計算資源是驚人的。</p><p>　　計算資源包括計算時間、內存和硬盤空間。</p><p>　　②對于無限區(qū)域問題，有限元法很難處理。</p><p>　?、郾M管現(xiàn)在的有限元軟件提供了自動劃分網(wǎng)格技術，但到底采用何種單元、網(wǎng)格密度選取多大才合適等問題，需要依賴于經(jīng)驗。</p><p>　?、苡邢拊治龅玫降慕Y果并不是計算機輔助

113、工程的全部，而且一個完整的系統(tǒng)仿真分析不能單獨使用有限元分析來完成，必須結合其他分析和工程實踐才能完成整個工程仿真設計。</p><p>　　3.5 有限元方法的應用</p><p>　　有限元方法可用于分析結構和非結構問題。</p><p><b>　　(1)結構問題</b></p><p>　?、賾Ψ治?，包含桁架

114、和框架分析，與孔、凸起式其他物體幾何形狀改變相關的應力集中問題。</p><p><b>　　②屈曲分析。</b></p><p>　?、壅駝臃治龊湍B(tài)分析。</p><p><b>　　(2)非結構問題</b></p><p><b>　?、贌醾鬟f問題。</b></p&

115、gt;<p>　　②流體流動，包括通過多孔材料的滲流。</p><p><b>　?、垭娢换虼盼环植?。</b></p><p>　?、苌锪W工程問題。</p><p>　　3.6 有限元發(fā)展方向及重大進展</p><p>　　3.6.1國際上的發(fā)展</p><p>　　當今國際上

116、有限元方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢待征。</p><p>　　(1)從單純的結構力學計算發(fā)展到求解許多物理場問題</p><p>　　近年來，有限元方法已發(fā)展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解交叉學科的問題。例如當氣流流過一個很高的鐵塔時就會使鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動……這就需要用固體力學和流體動力學的有限元分析結果交

117、叉迭代求解，即所謂“流固耦合”的問題。</p><p>　　(2)由求解線性工程問題進展到分析非線性問題</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結構的大位移和大應變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅