專利名稱：高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及選型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵道工程設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法及選型方法。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要有兩種型式有砟軌道與無(wú)砟軌道。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，兩種軌道結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都能運(yùn)行時(shí)速300公里的高速列車。高速鐵路究竟鋪設(shè)何種類型軌道結(jié)構(gòu)，應(yīng)從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度全面衡量決定。對(duì)于高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，我國(guó)已進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究，初步形成了較為完善的技術(shù)體系；而對(duì)于高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)，路基及隧道中的研究較多，橋梁上的研究相對(duì)較少。隨著我國(guó)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，有砟軌道結(jié)構(gòu)的采用將不可避免。以2011年竣工通車的京滬高速鐵路為例京滬高速鐵路無(wú)砟軌道比例達(dá)到90%以上， 但是在長(zhǎng)江和黃河大跨度橋梁、大號(hào)碼道岔區(qū)、區(qū)域性沉降嚴(yán)重的清明山至查橋(DK1154+40(TDK1215+000)、以及黃渡至虹橋等橋梁地段仍然采用了有砟軌道。因此，仍需要根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段的具體國(guó)情和鐵路的技術(shù)水平，對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的適用性及合理性進(jìn)行深入研究。本發(fā)明可以彌補(bǔ)聞速鐵路有5乍軌道研究的不足，有助于形成我國(guó)聞速鐵路有5乍軌道技術(shù)條件，完善我國(guó)高速鐵路技術(shù)體系，研究成果將直接服務(wù)于我國(guó)高速鐵路的建設(shè)，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法及選型方法，該方法根據(jù)各種有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用成熟性，軌道剛度改善程度，車、軌、橋動(dòng)力特性改善程度，荷載傳遞均勻性，橋梁上的二期恒載大小，軌枕的生產(chǎn)制造成本，軌道的養(yǎng)護(hù)、維修成本，機(jī)械化施工及維修難度，減振、吸聲、降噪性能，道砟液化可能性，膠墊或墊層的生產(chǎn)制造成本，防止水對(duì)橋梁銹蝕作用等指標(biāo)綜合分析，給出高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的選型方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述該方法應(yīng)用ANSYS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析、應(yīng)用FORSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型、應(yīng)用ADAMS+ANSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型、應(yīng)用ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及相互驗(yàn)證，計(jì)算得到采用不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施條件下的車體垂、橫向加速度，輪軌作用力，鋼軌垂、橫向加速度和垂、橫向位移，軌下動(dòng)應(yīng)力，軌枕垂、橫向加速度和垂、橫向位移，道床加速度和動(dòng)應(yīng)力，橋梁垂、橫向加速度和垂、橫向位移；對(duì)不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施條件下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，并將對(duì)應(yīng)的指標(biāo)排序相加，得到“排序累計(jì)值”，“排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明動(dòng)力學(xué)計(jì)算條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施的總體效果越好；所述該方法應(yīng)用PFC3D離散元軟件建立軌枕一道砟顆粒流空間耦合離散元模型對(duì)不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式條件下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，并將對(duì)應(yīng)的指標(biāo)排序相加，得到“排序累計(jì)值”，“排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明離散元計(jì)算條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式總體效果越好；通過(guò)對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及離散元分析，將不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施條件下的各項(xiàng)分析得到的“排序累計(jì)值”進(jìn)行綜合匯總，得到“綜合指標(biāo)排序累計(jì)值”，“綜合 指標(biāo)排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明綜合考慮靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及離散元計(jì)算分析條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施總體效果越好。進(jìn)一步地，所述應(yīng)用ANSYS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型，模型由鋼軌、扣件、軌枕、道床、橋梁組成鋼軌按實(shí)際尺寸建模，并選用梁?jiǎn)卧獙?duì)其進(jìn)行處理；扣件采用彈簧單元來(lái)模擬；混凝土軌枕采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行處理，并采用線彈性材料對(duì)其進(jìn)行近似的模擬；建立道床的有限元模型時(shí)，考慮道床的厚度，選用實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行處理；橋梁結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模；考慮邊界效應(yīng)的影響，兩邊設(shè)一定數(shù)量的輔助梁跨，以中間橋梁上的有砟軌道結(jié)構(gòu)作為主要計(jì)算和分析對(duì)象。進(jìn)一步地，所述應(yīng)用ANSYS軟件建立的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型，進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算得到采用不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施條件下的鋼軌垂、橫向位移，軌底應(yīng)力，軌枕垂、橫向位移，道床垂、橫向位移，道床最大應(yīng)力，道床系數(shù)和橋梁垂向位移。進(jìn)一步地，所述應(yīng)用FORSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，該方法利用FORTRAN自編程序完成車輛結(jié)構(gòu)的建模，利用ANSYS軟件完成有砟軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的建模，利用自主開發(fā)的接口和控制程序FORSYS實(shí)現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模塊的連接和耦合求解。進(jìn)一步地，所述應(yīng)用ADAMS+ANSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，該方法利用ADAMS軟件完成車輛結(jié)構(gòu)的建模并建立確定的輪軌接觸關(guān)系，利用ANSYS軟件完成有砟軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的建模，通過(guò)對(duì)兩者之間的接口技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)ADAMS軟件和ANSYS軟件的相互調(diào)用和耦合求解。進(jìn)一步地，應(yīng)用ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，模型由高速車輛、鋼軌、扣件、軌枕、道床、橋梁組成高速車輛考慮車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、一系和二系彈簧的影響；鋼軌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，扣件采用彈簧單元進(jìn)行模擬；混凝土軌枕、道床、橋梁均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，考慮各部分結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸和物理屬性；考慮邊界效應(yīng)的影響，兩邊設(shè)一定數(shù)量的輔助梁跨，以中間橋梁上的有砟軌道結(jié)構(gòu)作為主要計(jì)算和分析對(duì)象。進(jìn)一步地，所述應(yīng)用PFC3D離散元軟件建立軌枕道砟顆粒流空間耦合離散元模型，該模型通過(guò)離散元模擬不同型式的軌枕及道砟顆粒。該方法根據(jù)研究對(duì)象確定各主要區(qū)域的顆粒參數(shù)值，如顆粒的尺寸和顆粒大小的統(tǒng)計(jì)分布等，并根據(jù)道床的密度和空隙率大小生成合適數(shù)目的顆粒；為消除邊界效應(yīng)，縱向取3個(gè)軌枕長(zhǎng)度，重點(diǎn)考察中間軌枕位置處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，模型底部和縱向設(shè)置位移邊界條件；計(jì)算過(guò)程中，所加的荷載為有砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的軌枕所受荷載時(shí)域譜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)效果是本發(fā)明在綜合了對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及離散元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同有砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，最終提出高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施的選型方法。


圖I為高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及選型方法結(jié)構(gòu)框圖。圖2為橋上III型軌枕ANSYS靜力學(xué)模型圖。圖3為橋上寬軌枕ANSYS靜力學(xué)模型圖。圖4為橋上梯子式軌枕ANSYS靜力學(xué)模型圖。圖5為橋上框架式軌枕ANSYS靜力學(xué)模型圖。 圖6為FORSYS方法計(jì)算流程圖。圖7為ADAMS軟件建立的車輛模型圖。圖8為ADAMS軟件調(diào)用的橋上III型軌枕ANSYS模型圖。圖9為高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)ABAQUS動(dòng)力學(xué)模型圖。圖10為III型軌枕一道砟顆粒流離散元模型圖。圖11為梯子式軌枕道砟顆粒流離散元模型圖。圖12為框架式軌枕道砟顆粒流離散元模型圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示。本發(fā)明提供高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法及選型方法，該方法首先對(duì)國(guó)內(nèi)外的III型軌枕、彈性軌枕、寬軌枕、梯子式軌枕、框架式軌枕、德國(guó)B系列軌枕及法國(guó)雙塊式軌枕等7種軌枕型式進(jìn)行深入的分析和比較。各種軌枕型式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比匯總見(jiàn)表I。表I :各種軌枕型式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比匯總
權(quán)利要求
1.高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述該方法應(yīng)用ANSYS軟件建立的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析、應(yīng)用FORSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型、應(yīng)用ADAMS+ANSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型、應(yīng)用ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及相互驗(yàn)證，計(jì)算得到采用不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施條件下的車體垂、橫向加速度，輪軌作用力，鋼軌垂、橫向加速度和垂、橫向位移，軌下動(dòng)應(yīng)力，軌枕垂、橫向加速度和垂、橫向位移，道床加速度和動(dòng)應(yīng)力，橋梁垂、橫向加速度和垂、橫向位移，對(duì)不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施條件下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，并將對(duì)應(yīng)的指標(biāo)排序相加，得到“排序累計(jì)值”，“排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明動(dòng)力學(xué)計(jì)算條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施的總體效果越好；所述該方法應(yīng)用PFC3D離散元軟件建立軌枕一道砟顆粒流空間耦合離散元模型對(duì)不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式條件下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，并將對(duì)應(yīng)的指標(biāo)排序相加，得到“排序累計(jì)值”，“排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明離散元計(jì)算條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式總體效果越好；所述該方法通過(guò)對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及離散元分析，將不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施條件下的各項(xiàng)分析得到的“排序累計(jì)值”進(jìn)行綜合匯總，得到“綜合指標(biāo)排序累計(jì)值”，“綜合指標(biāo)排序累計(jì)值”越小，說(shuō)明綜合考慮靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及離散元計(jì)算分析條件下該軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施總體效果越好。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述應(yīng)用ANSYS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型，模型由鋼軌、扣件、軌枕、道床、橋梁組成鋼軌按實(shí)際尺寸建模，并選用梁?jiǎn)卧獙?duì)其進(jìn)行處理；扣件采用彈簧單元來(lái)模擬；混凝土軌枕采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行處理，并采用線彈性材料對(duì)其進(jìn)行近似的模擬；建立道床的有限元模型時(shí)，考慮道床的厚度，選用實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行處理；橋梁結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模；考慮邊界效應(yīng)的影響，兩邊設(shè)一定數(shù)量的輔助梁跨，以中間橋梁上的有砟軌道結(jié)構(gòu)作為主要計(jì)算和分析對(duì)象。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述應(yīng)用ANSYS軟件建立的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型，進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算得到采用不同有砟軌道結(jié)構(gòu)型式或減振措施條件下的鋼軌垂、橫向位移，軌底應(yīng)力，軌枕垂、橫向位移，道床垂、橫向位移，道床最大應(yīng)力，道床系數(shù)和橋梁垂向位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述應(yīng)用FORSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，該方法利用FORTRAN自編程序完成車輛結(jié)構(gòu)的建模，利用ANSYS軟件完成有砟軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的建模，利用自主開發(fā)的接口和控制程序FORSYS實(shí)現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模塊的連接和耦合求解。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述應(yīng)用ADAMS+ANSYS方法建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，該方法利用ADAMS軟件完成車輛結(jié)構(gòu)的建模并建立確定的輪軌接觸關(guān)系，利用ANSYS軟件完成有砟軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的建模，通過(guò)對(duì)兩者之間的接口技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)ADAMS軟件和ANSYS軟件的相互調(diào)用和耦合求解。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于應(yīng)用ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，模型由高速車輛、鋼軌、扣件、軌枕、道床、橋梁組成高速車輛考慮車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、一系和二系彈簧的影響；鋼軌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，扣件采用彈簧單元進(jìn)行模擬；混凝土軌枕、道床、橋梁均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，考慮各部分結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸和物理屬性；考慮邊界效應(yīng)的影響，兩邊設(shè)一定數(shù)量的輔助梁跨，以中間橋梁上的有砟軌道結(jié)構(gòu)作為主要計(jì)算和分析對(duì)象。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于所述應(yīng)用PFC3D離散元軟件建立軌枕道砟顆粒流空間耦合離散元模型，該模型通過(guò)離散元模擬不同型式的軌枕及道砟顆粒。該方法根據(jù)研究對(duì)象確定各主要區(qū)域的顆粒參數(shù)值，如顆粒的尺寸和顆粒大小的統(tǒng)計(jì)分布等，并根據(jù)道床的密度和空隙率大小生成合適數(shù)目的顆粒；為消除邊界效應(yīng)，縱向取3個(gè)軌枕長(zhǎng)度，重點(diǎn)考察中間軌枕位置處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，模型底部和縱向設(shè)置位移邊界條件；計(jì)算過(guò)程中，所加的荷載為有砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的軌枕所受荷載時(shí)域譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法的選型方法，其特征在于在綜合了對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及離散元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同有砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，最終得到高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)型式和減振措施的選型方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及選型方法，本發(fā)明應(yīng)用ANSYS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力學(xué)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析；應(yīng)用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS軟件建立高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及相互驗(yàn)證；應(yīng)用PFC3D離散元軟件建立軌枕—道砟顆粒流空間耦合離散元模型進(jìn)行離散元分析；通過(guò)對(duì)高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及離散元分析，綜合研究不同的軌道結(jié)構(gòu)型式與高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性問(wèn)題；在此基礎(chǔ)上結(jié)合不同有砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的選型方法。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102841958SQ20121023846
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者高亮, 肖宏, 蔡小培, 辛濤, 侯博文, 曲村, 劉瑋, 唐云 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)