专利名称：高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析及选型方法
技术领域：
本发明属于铁道工程设计技术领域，特别涉及高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法及选型方法。
背景技术：
国内外高速铁路轨道结构主要有两种型式有砟轨道与无砟轨道。从实践经验看，两种轨道结构各有优缺点，但都能运行时速300公里的高速列车。高速铁路究竟铺设何种类型轨道结构，应从技术与经济角度全面衡量决定。对于高速铁路无砟轨道结构，我国已进行了长期系统的研究，初步形成了较为完善的技术体系；而对于高速铁路有砟轨道结构，路基及隧道中的研究较多，桥梁上的研究相对较少。随着我国高速铁路的大规模建设，有砟轨道结构的采用将不可避免。以2011年竣工通车的京沪高速铁路为例京沪高速铁路无砟轨道比例达到90%以上， 但是在长江和黄河大跨度桥梁、大号码道岔区、区域性沉降严重的清明山至查桥(DK1154+40(TDK1215+000)、以及黄渡至虹桥等桥梁地段仍然采用了有砟轨道。因此，仍需要根据我国现阶段的具体国情和铁路的技术水平，对高速铁路桥上有砟轨道结构的适用性及合理性进行深入研究。本发明可以弥补闻速铁路有5乍轨道研究的不足，有助于形成我国闻速铁路有5乍轨道技术条件，完善我国高速铁路技术体系，研究成果将直接服务于我国高速铁路的建设，具有重要的理论与现实意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法及选型方法，该方法根据各种有砟轨道结构型式和减振措施的国内外应用成熟性，轨道刚度改善程度，车、轨、桥动力特性改善程度，荷载传递均匀性，桥梁上的二期恒载大小，轨枕的生产制造成本，轨道的养护、维修成本，机械化施工及维修难度，减振、吸声、降噪性能，道砟液化可能性，胶垫或垫层的生产制造成本，防止水对桥梁锈蚀作用等指标综合分析，给出高速铁路桥上有砟轨道结构的选型方法。本发明的技术方案是高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述该方法应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型进行静力学分析、应用FORSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ADAMS+ANSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，应用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型进行动力学分析及相互验证，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的车体垂、横向加速度，轮轨作用力，钢轨垂、横向加速度和垂、横向位移，轨下动应力，轨枕垂、横向加速度和垂、横向位移，道床加速度和动应力，桥梁垂、横向加速度和垂、横向位移；对不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明动力学计算条件下该轨道结构型式或减振措施的总体效果越好；所述该方法应用PFC3D离散元软件建立轨枕一道砟颗粒流空间耦合离散元模型对不同有砟轨道结构型式条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明离散元计算条件下该轨道结构型式总体效果越好；通过对高速铁路桥上有砟轨道结构进行的静力学分析、动力学分析及离散元分析，将不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项分析得到的“排序累计值”进行综合汇总，得到“综合指标排序累计值”，“综合 指标排序累计值”越小，说明综合考虑静力学、动力学及离散元计算分析条件下该轨道结构型式或减振措施总体效果越好。进一步地，所述应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，模型由钢轨、扣件、轨枕、道床、桥梁组成钢轨按实际尺寸建模，并选用梁单元对其进行处理；扣件采用弹簧单元来模拟；混凝土轨枕采用梁单元进行处理，并采用线弹性材料对其进行近似的模拟；建立道床的有限元模型时，考虑道床的厚度，选用实体单元对其进行处理；桥梁结构用实体单元按实际尺寸进行建模；考虑边界效应的影响，两边设一定数量的辅助梁跨，以中间桥梁上的有砟轨道结构作为主要计算和分析对象。进一步地，所述应用ANSYS软件建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，进行静力学分析，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的钢轨垂、横向位移，轨底应力，轨枕垂、横向位移，道床垂、横向位移，道床最大应力，道床系数和桥梁垂向位移。进一步地，所述应用FORSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，该方法利用FORTRAN自编程序完成车辆结构的建模，利用ANSYS软件完成有砟轨道结构和桥梁结构的建模，利用自主开发的接口和控制程序FORSYS实现FORTRAN模块和ANSYS模块的连接和耦合求解。进一步地，所述应用ADAMS+ANSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，该方法利用ADAMS软件完成车辆结构的建模并建立确定的轮轨接触关系，利用ANSYS软件完成有砟轨道结构和桥梁结构的建模，通过对两者之间的接口技术进行二次开发，实现ADAMS软件和ANSYS软件的相互调用和耦合求解。进一步地，应用ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，模型由高速车辆、钢轨、扣件、轨枕、道床、桥梁组成高速车辆考虑车体、转向架、轮对、一系和二系弹簧的影响；钢轨采用实体单元进行模拟，扣件采用弹簧单元进行模拟；混凝土轨枕、道床、桥梁均采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的实际尺寸和物理属性；考虑边界效应的影响，两边设一定数量的辅助梁跨，以中间桥梁上的有砟轨道结构作为主要计算和分析对象。进一步地，所述应用PFC3D离散元软件建立轨枕道砟颗粒流空间耦合离散元模型，该模型通过离散元模拟不同型式的轨枕及道砟颗粒。该方法根据研究对象确定各主要区域的颗粒参数值，如颗粒的尺寸和颗粒大小的统计分布等，并根据道床的密度和空隙率大小生成合适数目的颗粒；为消除边界效应，纵向取3个轨枕长度，重点考察中间轨枕位置处的动态响应，模型底部和纵向设置位移边界条件；计算过程中，所加的荷载为有砟轨道结构动力分析的轨枕所受荷载时域谱。
本发明的优点效果是本发明在综合了对高速铁路桥上有砟轨道结构进行的静力学分析、动力学分析及离散元分析的基础上，结合不同有砟轨道结构的特点，最终提出高速铁路桥上有砟轨道结构型式和减振措施的选型方法。
图I为高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析及选型方法结构框图。图2为桥上III型轨枕ANSYS静力学模型图。图3为桥上宽轨枕ANSYS静力学模型图。图4为桥上梯子式轨枕ANSYS静力学模型图。图5为桥上框架式轨枕ANSYS静力学模型图。 图6为FORSYS方法计算流程图。图7为ADAMS软件建立的车辆模型图。图8为ADAMS软件调用的桥上III型轨枕ANSYS模型图。图9为高速铁路桥上有砟轨道结构ABAQUS动力学模型图。图10为III型轨枕一道砟颗粒流离散元模型图。图11为梯子式轨枕道砟颗粒流离散元模型图。图12为框架式轨枕道砟颗粒流离散元模型图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明本发明的结构框图如图I所示。本发明提供高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法及选型方法，该方法首先对国内外的III型轨枕、弹性轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕、框架式轨枕、德国B系列轨枕及法国双块式轨枕等7种轨枕型式进行深入的分析和比较。各种轨枕型式的优缺点对比汇总见表I。表I :各种轨枕型式的优缺点对比汇总
权利要求
1.高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述该方法应用ANSYS软件建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型进行静力学分析、应用FORSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ADAMS+ANSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，应用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型进行动力学分析及相互验证，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的车体垂、横向加速度，轮轨作用力，钢轨垂、横向加速度和垂、横向位移，轨下动应力，轨枕垂、横向加速度和垂、横向位移，道床加速度和动应力，桥梁垂、横向加速度和垂、横向位移，对不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明动力学计算条件下该轨道结构型式或减振措施的总体效果越好；所述该方法应用PFC3D离散元软件建立轨枕一道砟颗粒流空间耦合离散元模型对不同有砟轨道结构型式条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明离散元计算条件下该轨道结构型式总体效果越好；所述该方法通过对高速铁路桥上有砟轨道结构进行的静力学分析、动力学分析及离散元分析，将不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项分析得到的“排序累计值”进行综合汇总，得到“综合指标排序累计值”，“综合指标排序累计值”越小，说明综合考虑静力学、动力学及离散元计算分析条件下该轨道结构型式或减振措施总体效果越好。
2.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，模型由钢轨、扣件、轨枕、道床、桥梁组成钢轨按实际尺寸建模，并选用梁单元对其进行处理；扣件采用弹簧单元来模拟；混凝土轨枕采用梁单元进行处理，并采用线弹性材料对其进行近似的模拟；建立道床的有限元模型时，考虑道床的厚度，选用实体单元对其进行处理；桥梁结构用实体单元按实际尺寸进行建模；考虑边界效应的影响，两边设一定数量的辅助梁跨，以中间桥梁上的有砟轨道结构作为主要计算和分析对象。
3.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述应用ANSYS软件建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，进行静力学分析，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的钢轨垂、横向位移，轨底应力，轨枕垂、横向位移，道床垂、横向位移，道床最大应力，道床系数和桥梁垂向位移。
4.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述应用FORSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，该方法利用FORTRAN自编程序完成车辆结构的建模，利用ANSYS软件完成有砟轨道结构和桥梁结构的建模，利用自主开发的接口和控制程序FORSYS实现FORTRAN模块和ANSYS模块的连接和耦合求解。
5.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述应用ADAMS+ANSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，该方法利用ADAMS软件完成车辆结构的建模并建立确定的轮轨接触关系，利用ANSYS软件完成有砟轨道结构和桥梁结构的建模，通过对两者之间的接口技术进行二次开发，实现ADAMS软件和ANSYS软件的相互调用和耦合求解。
6.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于应用ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，模型由高速车辆、钢轨、扣件、轨枕、道床、桥梁组成高速车辆考虑车体、转向架、轮对、一系和二系弹簧的影响；钢轨采用实体单元进行模拟，扣件采用弹簧单元进行模拟；混凝土轨枕、道床、桥梁均采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的实际尺寸和物理属性；考虑边界效应的影响，两边设一定数量的辅助梁跨，以中间桥梁上的有砟轨道结构作为主要计算和分析对象。
7.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于所述应用PFC3D离散元软件建立轨枕道砟颗粒流空间耦合离散元模型，该模型通过离散元模拟不同型式的轨枕及道砟颗粒。该方法根据研究对象确定各主要区域的颗粒参数值，如颗粒的尺寸和颗粒大小的统计分布等，并根据道床的密度和空隙率大小生成合适数目的颗粒；为消除边界效应，纵向取3个轨枕长度，重点考察中间轨枕位置处的动态响应，模型底部和纵向设置位移边界条件；计算过程中，所加的荷载为有砟轨道结构动力分析的轨枕所受荷载时域谱。
8.根据权利要求I所述的高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法的选型方法，其特征在于在综合了对高速铁路桥上有砟轨道结构进行的静力学分析、动力学分析及离散元分析的基础上，结合不同有砟轨道结构的特点，最终得到高速铁路桥上有砟轨道结构型式和减振措施的选型方法。
全文摘要
本发明公开了一种高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析及选型方法，本发明应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型进行动力学分析及相互验证；应用PFC3D离散元软件建立轨枕—道砟颗粒流空间耦合离散元模型进行离散元分析；通过对高速铁路桥上有砟轨道结构的静力学、动力学及离散元分析，综合研究不同的轨道结构型式与高速铁路桥上有砟轨道结构的适应性问题；在此基础上结合不同有砟轨道结构的特点，提出高速铁路桥上有砟轨道结构的选型方法。
文档编号G06F17/50GK102841958SQ20121023846
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者高亮, 肖宏, 蔡小培, 辛涛, 侯博文, 曲村, 刘玮, 唐云 申请人:北京交通大学