بررسی تاثیر مشخصات روسازی دال‌خط راه آهن بر توزیع بار قائم در راستای طولی خط

با توجه به ویژگی های مثبت روسازی دال خط راه آهن در مقایسه با روسازی بالاستی راه آهن که به روسازی رایج مدنظر قرار دارد، استفاده از روسازی دال خط راه آهن روز به روز در حال افزایش است. برهمین اساس اخیرا، مبحث تحلیل و طراحی روسازی دال خط راه آهن به عنوان یک موضوع مهم در میان محققان تبدیل شده است. یکی از پارامترهای موثر در تحلیل و طراحی روسازی دال خط راه آهن، توزیع بار قائم در راستای طولی خط (ضریب توزیع بار) می باشد. در این مقاله تاثیر مشخصات اجزای مختلف روسازی دال خط راه آهن بر ضریب توزیع بار بررسی شده است. بر همین اساس مدلی از روسازی دال خط شامل ریل، پابند، دال بتنی، فرش ارتجاعی و بستر خاکی با کمک روش اجزای محدود و در نرم افزار fortran شبیه سازی شده است. در این مدل عددی، ریل، دال بتنی و بستر بتنی به کمک المان تیر شبیه سازی شده اند و از المان فنر برای شبیه سازی اجزای پابند، فرش ارتجاعی و بستر خاکی کمک گرفته شده است. بار یک چرخ بر روی ریل و دقیقا در محل یک پابند به مدل عددی اعمال شده است. با تشکیل ماتریس سختی مدل عددی و بردار بار وارده به آن، معادله تعادل حاکم بر مدل عددی تشکیل می شود. با حل معادله تعادل حاکم بر مدل عددی، نیروهای رسیده به هر یک از پابندها محاسبه شده و در نهایت ضریب توزیع بار محاسبه می شود. با انجام مطالعه پارامتریک در مدل عددی، تاثیر پارامترهای مختلف خط نظیر سختی پد پابند، صلبیت خمشی دال بتنی، سختی فرش ارتجاعی، صلبیت خمشی بستر بتنی و سختی بستر خاکی بر توزیع بار قائم در راستای طولی خط بررسی شده است. نتایج بدست آمده از این تحقیق نشان داد که با کاهش سختی اجزای مختلف روسازی، بار قائم به صورت گسترده تری در راستای طولی خط توزیع می شود. از میان پارامترهای مختلف روسازی دال خط، سختی پد زیر ریل بیشترین تاثیر را در توزیع بار قائم در راستای طولی خط دارد و با تغییر سختی پد از کم به زیاد، ضریب توزیع بار از 3.0 به میزان 7.0 افزایش می یابد. نتایج بدست آمده نشان داد که مشخصات اجزای پایین تر روسازی در مقایسه با اجزای بالاتر، نقش کمتری در توزیع بار قائم در راستای طولی خط دارند. بر همین اساس صلبیت خمشی دال بتنی ضریب توزیع بار قائم در راستای طولی خط را در بازه ای بین 0.52 تا 0.54 تغییر می دهد. براساس نتایج حاصله از این تحقیق، فرش ارتجاعی، بستر بتنی و بستر خاکی هیچگونه تاثیری بر توزیع بار قائم در راستای طولی روسازی دال خط ندارند.

Investigation of the effects of railway slab track properties on the vertical load distribution in longitudinal direction

Nowday, slab track is widely used in the world as railway supresturture because its advantages in comprison with conventioanl ballasted railway superstureure. So, design and analysis process of railway slab track is one the main issues in recent researches. One of the main factor in the design and analysis of slab track is distrubtion of vertical load on longitudinal direction of the track (load distribution factor). In this paper, a 2D numerical model is developed in FORTRAN to investigate the effect of slab track properties on the load distribution factor. In this model, the slab track is comprised of rail, fastening system, concrete slab, elastic layer, concrete base and subgrade. Rail, concrete slab and concrete base are modeled as two nodeded beam element and fastening system, elastic layer and subgrade are simulated as spring element. According to the elements stiffness matrices, slab track stiffness matrix is developed. A wheel load is applied on the rail (in the middle of the model). Based on the two noded beam element shape functions, load vector of the model is developed. The equlibrium equation of the model is solved and load distribution factor is derived. To investigate the validity of the results obtained from the model, a comparsion is made between results obtained from the model and those of ABAQUS as a commercial finite element software. Rail displacement, concrete slab displacement, concrete base displacement and load disribution factor obtained from the ABAQUS are compared with those of the model developed in this paper and a very good agreement was illustrated between results. A parametric study was performed to investigate the effects of rail flexural rigidity, fastening system stiffness, concrete slab flexural rigidity, elastic layer stiffness, concrete base flexural rigidity and subgrade stiffness on the load distribtion factor. The results obtaine from the parametric study indicate that as the slab track element stiffness or flexural rigidity is decreased, the load distribution factor is decreased and vertical load is distributed widely in the longitudinal direction of the track. Rail pad stiffness has the maximum effect on the load distribution factor reletive to the other parameters. As the rail pad stiffness is changed from lowest to highest magnitude, the load distribution factor is varied from 0.3 to 0.7. The results obtained in this research indicate that propeties of lower slab track elements have lower effects on the load distribution factor compared to the upper slab track elements. So when the flexural rigidity of the concrete slab is changed from low to high, load distribution factor is changed from 0.52 to 0.54. Moreover, when the elastic layer stiffness, concrete base flexural rigidity and subgrade stiffness are changed from low to high, the load distibution factor are almost unchanged and is roughly 0.54. This shows that elastic layer stiffness, concrete base flexural rigidity and subgrade stiffness do not have any significant effects on the load distribution factor. So when a model is developed to calculate the load distribution factor and dcrease of analysis computation cost, elastic layer stiffness, concrete base flexural rigidity and subgrade stiffness could be ignored in the model.