CN102841958A - 高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析及选型方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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+400~DK1215+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。
本发明可以弥补高速铁路有砟轨道研究的不足，有助于形成我国高速铁路有砟轨道技术条件，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—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。
附图说明
图1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—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1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1。
表1：各种轨枕型式的优缺点对比汇总
各种类型轨枕与Ⅲ型轨枕的各项指标比较见表2。
表2：各种类型轨枕与Ⅲ型轨枕的各项指标比较
通过以上分析，可以得出德国B系列轨枕、法国双块式轨枕较差，不适用于我国高速铁路桥上有砟轨道；弹性轨枕将结合减振措施中的枕下胶垫方案进行研究。
对国内外有砟轨道轨下垫板、枕下胶垫（弹性轨枕）及砟下垫层（包括砟下胶垫、小碎石垫层及沥青混凝土垫层）进行分析比较。其中，轨下垫板将结合轨道型式进行研究。各种减振措施的优缺点对比汇总见表3。
表3：各种减振措施的优缺点对比汇总
设置减振措施与不设减振措施的各项指标比较见表4。
表4：设置减振措施与不设减振措施的各项指标比较
通过以上分析得出，枕下胶垫、砟下胶垫、小碎石垫层及沥青混凝土垫层均具有一定的减振效果。
对以上初步选出的各种轨枕型式和减振措施，需要进一步运用静力学、动力学及离散元方法，着重研究车辆、轨道、桥梁系统的力学特性，选择出适用于我国的高速铁路桥上有砟轨道结构型式。
基于静力学理论，应用ANSYS有限元计算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，对桥上有砟轨道结构进行静力学分析和研究。研究内容主要包括不同轨枕型式和减振措施条件下钢轨、轨枕、道床和桥梁的受力与变形。ANSYS有限元计算方法经过验证，与实际情况相符合，可以作为本方法的静力计算方案。其中，桥上Ⅲ型轨枕ANSYS静力学模型如图2所示，桥上宽轨枕ANSYS静力学模型如图3所示，桥上梯子式轨枕ANSYS静力学模型如图4所示，桥上框架式轨枕ANSYS静力学模型如图5所示。
采用4种轨枕型式的高速铁路桥上有砟轨道模型的静力学分析结果见表5。
表5：高速铁路桥上有砟轨道结构的静力学分析结果
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 钢轨垂向最大位移/mm | 3.596 | 3.068 | 4.034 | 3.273 |
| 钢轨横向最大位移/mm | 2.139 | 1.683 | 2.362 | 1.695 |
| 轨底应力/N/mm2 | 5.610 | 4.950 | 5.660 | 5.220 |
| 轨枕垂向最大位移/mm | 1.492 | 1.213 | 1.912 | 1.314 |
| 轨枕横向最大位移/mm | 0.907 | 0.586 | 1.145 | 0.601 |
| 道床垂向最大位移/mm | 0.929 | 0.792 | 1.332 | 0.825 |
| 道床横向最大位移/mm | 0.496 | 0.453 | 0.527 | 0.468 |
| 道床最大应力/kPa | 678.7 | 404.3 | 735.5 | 449.9 |
| 道床系数/N/mm3 | 0.134 | 0.087 | 0.136 | 0.095 |
| 桥梁垂向最大位移/mm | 3.458 | 3.452 | 3.447 | 3.465 |
注：表中的钢轨、轨枕、道床等垂向位移都是相对于桥梁的垂向位移差，下同。
为了便于对比，本方法根据静力学分析结果，对轨枕型式按照指标进行排序，排序结果见表6。以轨底应力为例，宽轨枕轨底应力（4.950N/mm2）最小，排序为1；其后依次为框架式轨枕（5.220N/mm2），排序为2；Ⅲ型轨枕（5.610N/mm2），排序为3；梯子式轨枕（5.660N/mm2），排序为4。应用这种方法得出每个指标的排序后，对各轨枕型式对应的指标排序相加，得到“排序累计值”。由此容易判断，排序累计值越小，说明静力条件下该轨枕型式总体效果越好。从表6中可以看出，宽轨枕的“排序累计值”最小，因此性能最优；其后依次为框架式轨枕、Ⅲ型轨枕、梯子式轨枕。
表6：轨枕型式静力学分析指标排序
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 钢轨垂向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 钢轨横向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 轨底应力 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 轨枕垂向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 轨枕横向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 道床垂向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 道床横向最大位移 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 道床最大应力 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 道床系数 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 桥梁垂向最大位移 | 3 | 2 | 1 | 4 |
| 排序累计值 | 30 | 11 | 37 | 22 |
以Ⅲ型轨枕无减振措施为基础，进行枕下胶垫（弹性轨枕，下同）、砟下胶垫、小碎石垫层和沥青混凝土垫层等不同型式的减振措施的静力学分析，结果见表7。
表7：高速铁路桥上有砟轨道减振措施的静力学分析结果
为了便于对比，对4种减振措施进行了排序，排序结果见表8。从表8中可以看出，采用枕下胶垫的“排序累计值”最小，因此性能最优；其后依次为沥青混凝土垫层、小碎石垫层、砟下胶垫。
表8：减振措施静力学分析指标排序
基于动力学理论，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。其中，FORSYS方法计算流程图如图6所示。ADAMS软件建立的车辆模型及ADAMS软件调用的桥上Ⅲ型轨枕ANSYS模型如图7和图8所示。ABAQUS软件建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型如图9所示。对于上述动力学模型，在列车运行距离前后各延伸一跨桥梁的长度，用于消除边界的影响。在相同的车辆参数、速度和轨道不平顺条件下，本方法的轮轨作用力、轨道和桥梁的加速度和动位移等计算结果与既有理论研究成果基本一致，证明本方法的仿真计算结果是可信的。
采用4种轨枕型式的高速铁路桥上有砟轨道模型的动力学分析结果见表9。
表9：高速铁路桥上有砟轨道结构的动力学分析结果
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 车体垂向加速度/m/s2 | 0.703 | 0.700 | 0.711 | 0.701 |
| 车体横向加速度/m/s2 | 0.752 | 0.858 | 0.901 | 0.879 |
| 轮轨作用力/kN | 198.570 | 189.330 | 206.770 | 215.920 |
| 钢轨垂向加速度/m/s2 | 533.620 | 531.870 | 490.900 | 653.480 |
| 钢轨横向加速度/m/s2 | 291.090 | 264.500 | 250.690 | 348.780 |
| 钢轨垂向位移/mm | 1.017 | 1.005 | 2.280 | 0.997 |
| 钢轨横向位移/mm | 0.739 | 0.712 | 1.098 | 0.606 |
| 轨下动应力/N/mm2 | 1.797 | 1.661 | 3.531 | 1.803 |
| 轨枕垂向加速度/m/s2 | 93.768 | 84.819 | 146.650 | 89.738 |
| 轨枕横向加速度/m/s2 | 29.811 | 24.518 | 32.880 | 26.237 |
| 轨枕垂向位移/mm | 0.343 | 0.382 | 0.956 | 0.321 |
| 轨枕横向位移/mm | 0.209 | 0.136 | 0.153 | 0.202 |
| 道床加速度/m/s2 | 56.801 | 53.951 | 49.374 | 59.002 |
| 道床动应力/kPa | 114.320 | 66.290 | 275.260 | 77.184 |
| 桥梁垂向加速度/m/s2 | 1.256 | 1.227 | 1.182 | 1.433 |
| 桥梁横向加速度/m/s2 | 1.060 | 0.710 | 2.158 | 0.799 |
| 桥梁垂向位移/mm | 0.123 | 0.120 | 0.142 | 0.239 |
| 桥梁横向位移/mm | 0.028 | 0.019 | 0.077 | 0.019 |
为了便于对比，根据动力学分析结果，对轨枕型式按照指标进行了排序，见表10。从表10中可以看出，宽轨枕的指标“排序累计值”最小，性能最优，其后依次为框架式轨枕、Ⅲ型轨枕、梯子式轨枕。
表10：轨枕型式动力学分析指标排序
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 车体垂向加速度 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 车体横向加速度 | 1 | 2 | 4 | 3 |
| 轮轨作用力 | 2 | 1 | 3 | 4 |
| 钢轨垂向加速度 | 3 | 2 | 1 | 4 |
| 钢轨横向加速度 | 3 | 2 | 1 | 4 |
| 钢轨垂向位移 | 3 | 2 | 4 | 1 |
| 钢轨横向位移 | 3 | 2 | 4 | 1 |
| 轨下动应力 | 2 | 1 | 4 | 3 |
| 轨枕垂向加速度 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 轨枕横向加速度 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 轨枕垂向位移 | 2 | 3 | 4 | 1 |
| 轨枕横向位移 | 4 | 1 | 2 | 3 |
| 道床加速度 | 3 | 2 | 1 | 4 |
| 道床动应力 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 桥梁垂向加速度 | 3 | 2 | 1 | 4 |
| 桥梁横向加速度 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 桥梁垂向位移 | 2 | 1 | 3 | 4 |
| 桥梁横向位移 | 3 | 2 | 4 | 1 |
| 排序累计值 | 49 | 28 | 56 | 47 |
以Ⅲ型轨枕无减振措施为基础，利用上面所建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，研究枕下胶垫、砟下胶垫、小碎石垫层和沥青混凝土垫层4种减振方案对车辆、轨道和桥梁系统力学特性的影响。不同型式的减振措施的动力学分析结果见表11。
表11：高速铁路桥上有砟轨道减振措施的动力学分析结果
| 减振措施 | 无减振 | 枕下胶 | 砟下胶垫 | 小碎石垫 | 沥青混凝 |
| 措施 | 垫 | 层 | 土垫层 | ||
| 车体垂向加速度/m/s2 | 0.703 | 0.698 | 0.634 | 0.738 | 0.745 |
| 车体横向加速度/m/s2 | 0.752 | 0.649 | 0.684 | 0.707 | 0.717 |
| 轮轨作用力/kN | 198.570 | 163.640 | 189.950 | 190.300 | 195.320 |
| 钢轨垂向加速度/m/s2 | 533.620 | 662.300 | 538.760 | 576.070 | 543.060 |
| 钢轨横向加速度/m/s2 | 291.090 | 210.270 | 280.690 | 268.290 | 278.830 |
| 钢轨垂向位移/mm | 1.017 | 1.767 | 1.193 | 1.001 | 1.018 |
| 钢轨横向位移/mm | 0.739 | 0.720 | 0.709 | 0.711 | 0.734 |
| 轨下动应力/N/mm2 | 1.797 | 1.115 | 1.667 | 1.712 | 1.779 |
| 轨枕垂向加速度/m/s2 | 93.768 | 119.020 | 109.290 | 105.020 | 90.485 |
| 轨枕横向加速度/m/s2 | 29.811 | 23.876 | 29.844 | 29.841 | 30.244 |
| 轨枕垂向位移/mm | 0.343 | 1.349 | 0.568 | 0.359 | 0.351 |
| 轨枕横向位移/mm | 0.209 | 0.199 | 0.210 | 0.198 | 0.201 |
| 道床加速度/m/s2 | 56.801 | 48.168 | 62.878 | 52.331 | 53.269 |
| 道床动应力/kPa | 114.320 | 103.540 | 110.630 | 108.690 | 112.880 |
| 桥梁垂向加速度/m/s2 | 1.256 | 0.990 | 1.022 | 1.220 | 1.128 |
| 桥梁横向加速度/m/s2 | 1.060 | 0.728 | 1.027 | 1.034 | 1.050 |
| 桥梁垂向位移/mm | 0.123 | 0.190 | 0.107 | 0.117 | 0.115 |
| 桥梁横向位移/mm | 0.028 | 0.027 | 0.027 | 0.028 | 0.028 |
对4种减振措施进行排序，见表12所示。从表12中可以看出，4种减振措施中，枕下胶垫方案“排序累计值”最小，效果总体最优，其后依次为砟下胶垫方案、小碎石垫层方案、沥青混凝土垫层方案。
表12：减振措施动力学分析指标排序
为了有效分析道床颗粒的振动特性、颗粒的流动规律，以及考虑道砟颗粒的散体特性，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。其中，Ⅲ型轨枕—道砟颗粒流离散元模型如图10所示，梯子式轨枕—道砟颗粒流离散元模型如图11所示，框架式轨枕—道砟颗粒流离散元模型如图12所示。
采用4种轨枕型式的轨枕—道砟颗粒流空间耦合离散元模型的离散元分析结果见表13。
表13：高速铁路桥上有砟轨道结构的离散元分析结果
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 道砟接触力/kN | 8.132 | 6.107 | 9.780 | 7.895 |
| 道床加速度/m/s2 | 23.55 | 20.37 | 25.86 | 21.72 |
根据离散元分析结果，对各轨枕型式按照指标进行了排序，见表14所示。从表14中可以看出，4种轨枕型式中，宽轨枕的“排序累计值”最小，因此性能最优，其后依次为框架式轨枕、Ⅲ型轨枕和梯子式轨枕。
表14：轨枕型式离散元分析指标排序
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 道砟接触力 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 道床加速度 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 排序累计值 | 6 | 2 | 8 | 4 |
综合静力学分析、动力学分析和离散元分析三方面结果，对轨枕型式及减振措施进行性能对比，汇总见表15和表16。
表15：轨枕型式综合指标排序累计值
| 轨枕型式 | Ⅲ型轨枕 | 宽轨枕 | 梯子式轨枕 | 框架式轨枕 |
| 静力学指标排序累计值 | 30 | 11 | 37 | 22 |
| 动力学指标排序累计值 | 49 | 28 | 56 | 47 |
| 离散元指标排序累计值 | 6 | 2 | 8 | 4 |
| 综合指标排序累计值 | 85 | 41 | 101 | 73 |
表16：减振措施综合指标排序累计值
| 减振措施 | 枕下胶垫 | 砟下胶垫 | 小碎石垫层 | 沥青混凝土垫层 |
| 静力学指标排序累计值 | 21 | 32 | 25 | 22 |
| 动力学指标排序累计值 | 37 | 42 | 44 | 55 |
| 离散元指标排序累计值 | - | - | - | - |
| 综合指标排序累计值 | 58 | 74 | 69 | 77 |
综合静力学分析、动力学分析及离散元分析结果，根据综合指标排序累计值可以看出：
（1）轨枕型式方面：宽轨枕最优，其后依次为框架式轨枕、Ⅲ型轨枕、梯子式轨枕。
（2）减振措施方面：枕下胶垫方案最优，其后依次为小碎石垫层方案、砟下胶垫方案、沥青混凝土垫层方案。
在上面理论研究的基础上，结合对国内外高速铁路桥上有砟轨道结构研究现状分析的研究成果，对轨枕型式和减振措施方案进行综合研究。
（1）轨枕型式
对于宽轨枕，由于轨枕宽度大、间距小，制约了大机作业的进行，因此不建议采用。
对于框架式轨枕，从静力学和离散元角度考虑都优于Ⅲ型轨枕；但从动力学角度来看，由于框架式轨枕整体刚度大，会明显加剧轮轨相互作用，加大钢轨等结构的振动。而且框架式轨枕需要特殊设备进行制造、运输、吊装、铺设和维护，制造成本和施工难度较高；框架式轨枕横向、纵向均有连接，扣件数量多且布置与传统轨道不同，轨道受力特性较为复杂。此外，框架式轨枕只在奥地利的试验线上铺设过，还没有在运输繁忙的高速铁路线上使用过，缺少实践经验。因此，不建议采用框架式轨枕。
对于梯子式轨枕，由于其相对于我国Ⅲ型轨枕力学性能不具有优势，因此不推荐使用。
另外，根据德国、美国及其他国家的研究成果，道床变形与破坏的程度与道床应力的3~4次方成正比。所以，各国理所当然地把减少道床应力作为减少线路变形及养护维修工作量的一种重要措施。而减少道床应力最简便的方法就是铺设重型钢轨和支承面积较大的混凝土轨枕。
考虑到轨枕的加宽值、轨枕间距等都受大机作业空间等因素制约，所以还需进一步从轨枕尺寸、扣件刚度等方面进行进一步优化研究，进而确定高速铁路桥上有砟轨道结构型式。
（2）减振措施
从静力学的计算结果看出，枕下胶垫方案尽管总体较优，但也存在钢轨、轨枕的横向位移较大的问题；稳定性相对较差，从而保持轨道几何形位的能力相对较弱；从动力学的计算结果看出，枕下胶垫方案还存在钢轨、轨枕的垂向加速度与垂向位移较大，尤其是与无减振措施相比，钢轨与轨枕的垂向位移增大明显，这将会在一定程度上影响线路的平顺性与舒适性，甚至会影响行车安全性。
此外，结合国内外资料分析和现场调研结果，枕下胶垫方案（弹性轨枕）在运营初期表现了较好的减振性能，但是随着铁路的长期运营，胶垫老化的问题比较突出，胶垫无法保持原有的优良性质，并会影响到轨道的稳定性，进而降低列车的舒适性。此外，由于胶垫易老化，必须定期及时更换，这给运营后线路的养护维修带来了较大的困难。对于高速铁路这样高速度、高密度运行的线路，当有砟轨道位于桥上时，作业将更为困难，养护维修的难度会更大。而且采用枕下胶垫（弹性轨枕）会增大工程的投资。
对于砟下胶垫方案，也存在着与枕下胶垫相同的老化问题，而且一旦损坏，对于高速铁路这样高速度、高密度运行的线路，在很短的天窗时间内，更换胶垫等养护维修作业是非常困难的。而且根据UIC的相关资料，砟下胶垫方案可能会增加道床的加速度（这与前面动力分析的结论一致），使液化现象更加严重，这是高速铁路绝对不允许出现的。
采用小碎石垫层或者沥青混凝土垫层方案，对道床和桥梁等的减振性能虽然没有枕下胶垫和砟下胶垫的效果明显，但是会总体上减小整个轨道结构的动力响应。但这两种方案会在一定程度上增大桥梁的二期恒载，这也是需要关注的。
综上所述，考虑到高速铁路桥梁在设计时留有一定的安全余量，应主要针对小碎石垫层和沥青混凝土垫层两种减振方案进行进一步的研究。对于枕下胶垫减振方案，如果目前能有效延缓胶垫老化、延长使用寿命，并克服养护维修难等问题，也可以采用枕下胶垫方案。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
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—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1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1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1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1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1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1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1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。
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