CN104992019B - 一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法，该方法的步骤包括利用ANSYS软件对特大跨桥上无缝线路结构进行模拟仿真S1；建立铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路纵横垂直向空间耦合静力学模型，建模对象包括钢轨、扣件、轨道板、弹性橡胶垫层、限位凸台、桥梁和桥墩S2；对所述耦合静力学模型进行静力学分析S3。本发明所述技术方案在简化设计方法的基础上，能够准确有效的对铁路无缝线路‑无砟轨道‑特大跨桥梁系统静力进行分析，充分考虑了梁轨相互作用关系，尽量按实际状态完成对轨道结构的建模，在保证模型的细致、完整、准确的前提下，简化了计算模型，相对传统建模方法在设计上具有明显的改进。

Description

一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法

技术领域

本发明涉及铁道工程设计领域，特别是涉及一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法。

背景技术

随着城市轨道交通的发展和空间资源等的限制，在设计过程中逐渐对桥梁提出了公铁两用的需求。因此，当铁路桥梁跨越大江河流时，不仅要求桥梁的跨度足够大，而且桥面也要求足够宽，即出现了特大跨桥梁，如南京的大胜关长江大桥，佛山市南海区跨东平水道特大桥等。

无论是高速铁路还是城市轨道交通线路，在对特大桥梁的设计过程中，均需对桥上无缝线路进行强度和稳定性检算，保证列车的运行安全。

建立科学合理的桥上无缝线路静力学分析模型，对桥上无缝线路系统进行静力分析，是铁路桥上无缝线路理论研究中的重点和难点之一。由于桥上无缝线路必须满足无缝线路结构本身的正常安全使用、桥梁结构合理受力等多方面需要，桥上无缝线路系统不仅综合了桥上无缝线路、大跨度和宽桥面桥梁的技术特点，而且衍生出一系列新的技术难点。与一般桥上无缝线路相比，特大跨桥桥上无缝线路的静力学特性更加复杂，这就对其设计、铺设与维护等诸方面都提出了更严格的要求。

目前，对于桥上无缝线路的检算，多采用有限元方法。例如发明专利“高速铁路长大桥梁纵连板式无砟轨道无缝线路设计方法”(ZL201210265244.3)，即利用有限元模型中的三维实体模型对桥梁系统进行细致的模拟，通过施加外界荷载检算桥上无缝线路的强度和稳定性。但是，当遇到跨度特别大且桥面特别宽时，由于轨道系统的一些细部结构(如限位凸台)与桥面宽度相比太小，利用三维实体单元进行模拟时虽然结果比较准确，但是模型结构的单元太多，导致计算模型过大，计算速度过慢，不利于快速检算。如果采用二维计算模型，虽然模型的单元数量大大减小，运算速度大大加快，但是二维模型由于简化过多，很难将梁轨之间的相互作用很好的反应出来，因此计算结果与实际有所差异。

因此，对于特大跨桥桥上无缝线路的应用及其静力学特性的评估，要求一种操作简便，细致完备，同时能够准确反映桥上无缝线路空间力学特性的建模及分析方法。

发明内容

由于桥上无缝线路检算主要针对的是钢轨的强度和稳定性，不需要对桥梁细部结构的受力进行分析。因此，本文结合有限元分析软件ANSYS，将钢轨和桥梁用二维单元进行模拟，但赋予实际截面参数。无砟轨道板仍旧采用实体单元模拟。借助有限元软件中的MPC184单元实现无砟轨道和桥梁之间的刚性连接。通过这种方法实现了二维与三维模型的衔接，建立的2.5维模型在保证计算结果准确的情况下简化了计算模型，为解决铁路特大跨桥桥上无缝线路静力问题提供了崭新的思路。

本发明采用下述技术方案：

一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法，该方法的步骤包括S1、利用ANSYS软件对特大跨桥上无缝线路结构进行模拟仿真；

S2、建立铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路纵横垂直向空间耦合静力学模型，建模对象包括钢轨、扣件、轨道板、弹性橡胶垫层、限位凸台、桥梁和桥墩，该步骤包括

S21、钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数，钢轨按照支承节点划分单元，全面考虑钢轨的纵、横、垂向线位移及转角；

S22、扣件采用弹簧单元进行模拟，全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣件的阻力和刚度均根据实测值取值；

S23、轨道板在全桥范围内连续铺设，采用实体单元进行模拟，全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；

S24、梁选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑桥梁的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数；

S25、轨道板与桥梁间设置了一层弹性橡胶垫层用来减小桥梁温度变形对无砟轨道结构的影响及车辆的振动冲击，弹性橡胶垫层采用线弹簧单元进行模拟，即在距离轨道板底面等于弹性橡胶垫层厚度的位置设置一层桥梁梁面节点，这些节点与每个轨道板底面节点的横、纵坐标一一对应，同时位于桥梁梁单元之上，轨道板底面的单元节点与对应的桥梁梁面节点用弹簧单元相连接形成的线弹簧单元能够模拟弹性橡胶垫层的纵横向阻力和垂向刚度；

S26、在轨道结构底部设置限位凸台，限位凸台采用弹簧单元进行模拟；

S27、梁面节点与桥梁梁单元间采用刚性单元MPC184进行连接，由于位于同一横坐标平面内的一个桥梁梁单元节点对应多个梁面节点，因此每个梁面节点均与梁单元节点用MPC184单元进行连接，梁面节点间相互不连接；

S3、对所述耦合静力学模型进行静力学分析。

优选的，所述步骤S24中轨道板底面每隔0.6m划分一次网格，轨道板底面形成许多条线，单元节点即位于这些线上，相邻的线间距为0.6m。

优选的，所述步骤S25中相连接的节点除垂直方向坐标不同外，横、纵坐标均相同，垂直方向坐标差为弹性橡胶垫层厚度。

优选的，所述步骤S26中弹性凸台的位置根据实际位置确定，模拟弹性凸台的弹簧单元与弹性橡胶垫层单元共用两端的节点。

优选的，所述步骤S3包括

S31、根据现场实际工况选择模型参数；

S32、基于所述铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路纵横垂直向空间耦合静力学模型，利用有限元软件ANSYS建立特大跨桥桥上无缝线路无砟轨道静力学分析模型；

S33、将温度荷载、列车荷载等荷载施加到有限元模型中，提取钢轨的纵向力和位移等计算结果，进行无缝线路强度和稳定性简算。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案在简化设计方法的基础上，能够准确有效的对铁路无缝线路-无砟轨道-特大跨桥梁系统静力进行分析，充分考虑了梁轨相互作用关系，尽量按实际状态完成对轨道结构的建模，在保证模型的细致、完整、准确的前提下，简化了计算模型，相对传统建模方法在设计上具有明显的改进；由于商业软件建模方便，在实际生产设计和科研工作中应用广泛，十分便于特大跨桥桥上无缝线路系统的建模分析，因此具有很高的理论价值和商业推广前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法的示意图；

图2示出钢轨梁单元模型的示意图；

图3示出轨道板实体单元模型的示意图；

图4示出桥梁梁单元和轨道板单元模型的示意图；

图5示出弹性橡胶垫层模型的示意图；

图6示出模型中建立的MPC184单元的示意图；

图7示出钢轨-轨道板-弹性橡胶垫层-桥梁整体模型的示意图；

图8示出温度荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移的示意图；

图9示出温度荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力的示意图；

图10示出挠曲力加载的示意图；

图11示出挠曲荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移的示意图；

图12示出挠曲荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力的示意图；

图13示出制动荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移的示意图；

图14示出制动荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了本发明提供铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法。本发明应用ANSYS软件建立铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路空间简化静力学模型，主要考虑钢轨、扣件、轨道板、弹性橡胶垫层、限位凸台、桥梁和桥墩等结构的组成。具体如下：

(1)钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数，钢轨按照支承节点划分单元，全面考虑钢轨的纵、横、垂向线位移及转角。钢轨梁单元如图2所示。

(2)扣件采用弹簧单元进行模拟，全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣件的阻力和刚度均根据实测值取值。

(3)轨道板在全桥范围内连续铺设，采用实体单元进行模拟，全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性。轨道板实体单元模型如图3所示。图中轨道板底面由于每隔0.6m划分一次网格，因此在底面形成了许多条线，单元节点即位于这些线上，相邻的线间距为0.6m。

(4)为了简化计算模型，桥梁选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑桥梁的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数。考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟；桥梁同样每隔0.6m划分一次网格，这样桥梁梁单元上的一个点就与轨道板底面上具有同一横坐标的单元节点位于同一横坐标平面内；图4为桥梁梁单元与轨道板单元。

(5)轨道板与桥梁间设置了一层弹性橡胶垫层用来减小桥梁温度变形对无砟轨道结构的影响及车辆的振动冲击。弹性橡胶垫层采用线弹簧单元进行模拟；即在距离轨道板底面等于弹性橡胶垫层厚度的位置设置一层桥梁梁面节点，这些节点与每个轨道板底面节点的横、纵坐标一一对应，同时位于桥梁梁单元之上。轨道板底面的单元节点与对应的桥梁梁面节点用弹簧单元相连(相连接的节点除垂直方向坐标不同外，横、纵坐标均相同，垂直方向坐标差为弹性橡胶垫层厚度)，连接形成的线弹簧单元能够模拟弹性橡胶垫层的纵横向阻力和垂向刚度。图5为弹性橡胶垫层；

(6)由于轨道板与桥梁梁面间设置了弹性橡胶垫层，为了保证轨道结构的稳定性，需要在轨道结构底部设置限位凸台，限位凸台采用弹簧单元进行模拟；弹性凸台的位置根据实际位置确定，模拟弹性凸台的弹簧单元与弹性橡胶垫层单元共用两端的节点；

(7)为了能将桥梁的受力变形传递给轨道结构，梁面节点与桥梁梁单元间采用刚性单元(MPC184)进行连接。由于位于同一横坐标平面内的一个桥梁梁单元节点对应多个梁面节点，因此每个梁面节点均与梁单元节点用MPC184单元进行连接，梁面节点间相互不连接。图6为模型中建立的MPC184单元；

钢轨-轨道板-弹性橡胶垫层-桥梁整体模型如图7所示。

下面结合附图和实施例对本发明的有效性作进一步详细描述：

实施例1

在本实施例中，为了验证简化模型的正确性，分别建立了62.5m的单跨实体简支梁和简化简支梁进行对比分析，计算工况如下：钢轨升温40℃，轨道板升温20℃，桥梁升温25℃。图8为温度荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移图，图9为温度荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力图。表1为两种计算模型的大小和计算时间，表2列出了两种计算模型在相同温度荷载作用下的计算结果：

表1：两种计算模型的模型大小和计算时间

	实体模型	简化模型
			模型大小	170MB	29.4MB
计算时间	154s	32s

表2：两种计算模型在相同温度荷载作用下的计算结果

从以上计算结果分析得出，在温度荷载作用下，除轨道板纵向位移相差较大外，实体模型和简化模型的计算结果十分接近，同时与实体模型相比，简化模型模型占用电脑内存小，计算时间短。因此可以利用简化模型代替实体模型进行伸缩力作用下的计算。

实施例2

在本实施例中，为了验证简化模型的正确性，分别建立了62.5m的单跨实体简支梁和简化简支梁进行对比分析，计算工况如下：车辆荷载按ZK荷载计算，在全桥施加挠曲力，挠曲力大小为64kN/m/线，加载示意图如图8所示。图10为挠曲荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移图，图11为挠曲荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力图。表3为两种计算模型的大小和计算时间，表4列出了两种计算模型在相同挠曲荷载作用下的计算结果：

表3：两种计算模型的模型大小和计算时间

	实体模型	简化模型
			模型大小	165MB	22.8MB
计算时间	150s	26s

表4：两种计算模型在相同挠曲荷载作用下的计算结果

从以上计算结果分析得出，在挠曲荷载作用下，除轨道板纵向位移相差较大外，实体模型和简化模型的计算结果十分接近，同时与实体模型相比，简化模型模型占用电脑内存小，计算时间短，因此可以利用简化模型代替实体模型进行挠曲力作用下的计算。

实施例3

在本实施例中，分别建立了62.5m的单跨实体简支梁和简化简支梁进行对比分析，计算工况如下：荷载取ZK活载，制动率为0.164。图13为制动荷载作用下两种计算模型的钢轨纵向位移图，图14为制动荷载作用下两种计算模型钢轨纵向力图。表5为两种计算模型的大小和计算时间，表6列出了两种计算模型在相同制动荷载作用下的计算结果：

表5：两种计算模型的模型大小和计算时间

	实体模型	简化模型
			模型大小	163MB	29.2MB
计算时间	149s	32s

表6：两种计算模型在相同制动荷载作用下的计算结果

从以上计算结果分析得出，在制动荷载作用下，实体模型和简化模型的计算结果十分接近，同时与实体模型相比，简化模型模型占用电脑内存小，计算时间短，因此可以利用简化模型代替实体模型进行制动力作用下的计算。

综上所述，本发明所述技术方案在简化设计方法的基础上，能够准确有效的对铁路无缝线路-无砟轨道-特大跨桥梁系统静力进行分析，充分考虑了梁轨相互作用关系，尽量按实际状态完成对轨道结构的建模，在保证模型的细致、完整、准确的前提下，简化了计算模型，相对传统建模方法在设计上具有明显的改进；由于商业软件建模方便，在实际生产设计和科研工作中应用广泛，十分便于特大跨桥桥上无缝线路系统的建模分析，因此具有很高的理论价值和商业推广前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路的简化设计方法，其特征在于，该方法的步骤包括

S1、利用ANSYS软件对特大跨桥上无缝线路结构进行模拟仿真；

S2、建立无砟轨道无缝线路大跨度桥梁纵横垂直向空间耦合静力学模型，建模对象包括钢轨、扣件、轨道板、弹性橡胶垫层、限位凸台、桥梁和桥墩，该步骤包括

S21、钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数，钢轨按照支承节点划分单元，全面考虑钢轨的纵、横、垂向线位移及转角；

S22、扣件采用弹簧单元进行模拟，全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣件的阻力和刚度均根据实测值取值；

S23、轨道板在全桥范围内连续铺设，采用实体单元进行模拟，全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；

S24、梁选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑桥梁的截面积、惯性矩以及扭转弯矩参数；

S25、轨道板与桥梁间设置了一层弹性橡胶垫层用来减小桥梁温度变形对无砟轨道结构的影响及车辆的振动冲击，弹性橡胶垫层采用线弹簧单元进行模拟，即在距离轨道板底面等于弹性橡胶垫层厚度的位置设置一层桥梁梁面节点，这些节点与每个轨道板底面节点的横、纵坐标一一对应，同时位于桥梁梁单元之上，轨道板底面的单元节点与对应的桥梁梁面节点用弹簧单元相连接形成的线弹簧单元能够模拟弹性橡胶垫层的纵横向阻力和垂向刚度；

S26、在轨道结构底部设置限位凸台，限位凸台采用弹簧单元进行模拟；

S27、梁面节点与桥梁梁单元间采用刚性单元MPC184进行连接，由于位于同一横坐标平面内的一个桥梁梁单元节点对应多个梁面节点，因此每个梁面节点均与梁单元节点用MPC184单元进行连接，梁面节点间相互不连接；

S3、对所述耦合静力学模型进行静力学分析。

2.根据权利要求1所述的简化设计方法，其特征在于，所述步骤S24中轨道板底面每隔0.6m划分一次网格，轨道板底面形成许多条线，单元节点即位于这些线上，相邻的线间距为0.6m。

3.根据权利要求1所述的简化设计方法，其特征在于，所述步骤S25中相连接的节点除垂直方向坐标不同外，横、纵坐标均相同，垂直方向坐标差为弹性橡胶垫层厚度。

4.根据权利要求1所述的简化设计方法，其特征在于，所述步骤S26中弹性凸台的位置根据实际位置确定，模拟弹性凸台的弹簧单元与弹性橡胶垫层单元共用两端的节点。

5.根据权利要求1所述的简化设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括

S31、根据现场实际工况选择模型参数；

S32、基于所述铁路特大桥梁无砟轨道无缝线路纵横垂直向空间耦合静力学模型，利用有限元软件ANSYS建立特大跨桥桥上无缝线路无砟轨道静力学分析模型；

S33、将温度荷载和列车荷载施加到有限元模型中，提取钢轨的纵向力和位移计算结果，进行无缝线路强度和稳定性简算。