CN108764712A - 重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法 - Google Patents

重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法 Download PDF

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Abstract

重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，包括：重载铁路桥上无砟轨道方案分析；建立动力学计算模型，确定评价指标体系，分析车辆‑轨道系统的动力特性；建立不同方案与动力性能的关系；结合层次分析法确定各级评价指标权重，逐级进行评价，最终得到评价结果，对需要进行优化的部件进行局部优化。本发明对比不同无砟轨道结构的动力特性逐级进行评价，为重载铁路桥上无砟轨道结构类型选择及参数取值提供基础。

Description

重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法
技术领域
本发明属于重载铁路轨道技术领域，特别涉及一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法。
背景技术
重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低等优点，受到世界各国的广泛重视，是国际公认的铁路货运发展方向，成为世界铁路发展的重要趋势。重载铁路的运量和列车轴重较大，为适应重载列车荷载的特点，确保行车安全，应采用配套的轨道结构。目前，世界上重载铁路的轨道结构型式主要为有砟轨道，为适应重载列车轴重和运量提高的要求，世界各国加强了有砟轨道结构强度，但是有砟轨道自身的固有缺陷日益明显，如道床残余变形加大、道床粉化板结严重等。近年来，随着无砟轨道的快速发展，它具有稳定性好、平顺性高、维修工作量少，耐久性强等优点，已成为重载铁路轨道的一个重要发展方向。
目前，国外仅有少数国家在重载铁路上进行了无砟轨道结构的尝试，而国内重载铁路无砟轨道的研究也刚刚起步，重载铁路无砟轨道领域技术有待进一步完善。目前，重载铁路铺设的无砟轨道类型主要有整体直接式、弹性支承块式、双块式、长枕埋入式等，且基本上应用于隧道内。相对于隧道内无砟轨道结构，重载铁路桥上无砟轨道的受力更为复杂。因此，需要专门针对重载铁路桥上无砟轨道的动力特性开展研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价方法，以为重载铁路桥上无砟轨道结构类型选择提供基础。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
1.本发明的一种重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价方法，其特征在于：所述评价方法包括：
重载铁路桥上无砟轨道方案分析，针对提出的重载铁路桥上无砟轨道方案，对其轨道结构进行分析；
建立动力学计算模型，确定评价指标体系：基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论，建立重载列车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型，根据相关动力学评价指标，确定重载铁路桥上无砟轨道动力学性能指标；
计算重载列车通过不同桥上无砟轨道结构时系统的动力学响应，并对计算结果进行归一化处理；
结合层次分析法确定各级评价指标权重，逐级进行评价。
该方法具体包括如下步骤：
步骤S1：重载铁路桥上无砟轨道方案分析：针对提出的重载铁路桥上无砟轨道方案，对其轨道结构进行分析；
步骤S2：车辆-轨道系统的动力特性分析，建立动力学计算模型，确定评价指标体系；
步骤S3：建立不同方案与动力性能的关系，计算重载列车通过不同桥上无砟轨道结构时系统的动力学响应，并对计算结果进行归一化处理；
步骤S4：针对步骤S3得到的计算结果，结合层次分析法确定各级评价指标权重；
步骤S5：对不同无砟轨道方案进行逐级评价和优化。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2包括如下步骤：
S201：基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论，采用ANSYS/LS-DYNA大型通用有限元软件建立车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动模型，将车辆、轨道和桥梁看作一个相互作用、相互耦合的整体大系统，把轮轨接触关系作为连接车辆和轨道结构的纽带，分析列车作用下轨道和桥梁的动力特性；
S202：依据车辆运行安全性与平稳性，以及车辆-无砟轨道-桥梁之间的相互作用，分若干层次确定动力学评价指标及标准。
2.作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4包括如下步骤：
S401：利用步骤2中确定的指标建立递阶层次结构，确定上下层之间元素的隶属关系；
S402：对同一层次的指标进行两两对比，得出描述指标重要性对比关系的判断矩阵W＝(wij)n×n，其中wij为元素Wi和Wj相对于W的重要性比例标度，数值可为1～9；
S403：判断矩阵的一致性检验，首先计算判断矩阵一致性指标C.I.，然后查找相应的平均随机一致性指标R.I.，再计算一致性比例C.R.。当C.R.<0.1时，则认为判断矩阵的一致性是可以接受的。
作为本发明的一种优选方案，优选综合评价结果最优的轨道结构，结合不同无砟轨道结构的应用情况、结构特点、动力学计算分析，确定最终的选型，并对无砟轨道关键参数进行优化。
本发明具有以下有益效果是，在动力学评价指标体系的基础上，利用层次分析法确定各级评价指标权重，对比不同无砟轨道结构的动力特性逐级进行评价，从而为重载铁路桥上无砟轨道结构类型选择提供基础；采用桥上无砟轨道动力特性评价方法进行评价，分析不同无砟轨道结构的动力学性能，提供了重载铁路桥上无砟轨道结构选型及参数优化的数据支撑；所述评价指标与标准可以根据实际工程需求进行调整，对于桥上轨道结构的动力学特性评价具有普适性。
附图说明
图1为本发明所述重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图、附表、实施例对本发明做进一步的描述。
一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，包括如下步骤：
(1)重载铁路桥上无砟轨道方案分析：针对提出的重载铁路桥上无砟轨道方案，对其轨道结构进行分析，为重载铁路桥上无砟轨道动力学模型建立奠定基础。
以目前常用的现浇板式无砟轨道、长枕埋入式无砟轨道、板式无砟轨道为对象，进行方案对比分析：
现浇板式无砟轨道结构高度相对较低，型式简单，道床混凝土灌注成型，为常规施工工艺，利于掌握。扣件系统直接浇筑于道床板中，安装精度不易控制，可维修性较差，尚无客货共线或重载铁路无砟轨道的应用实践。
长枕埋入式无砟轨道结构型式简单，整体性好，轨距保持能力强，可利用现有轨枕工厂，施工制造方便；但轨道结构高度相对较大，存在新老混凝土结合面，容易出现裂纹，可修复性一般。
板式无砟轨道作为一种预制轨道结构，扣件系统和CA砂浆充填层共同提供弹性，轨道结构弹性较好，施工速度快，但对砂浆充填层的施工要求较高，国内外有施工和运营实践经验。轨道板为预制件，需要专门建立板厂，同时水泥乳化沥青砂浆层的施工工序相对复杂。
(2)采用ANSYS/LS-DYNA大型通用有限元软件建立车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动模型，将车辆、轨道和桥梁看作一个相互作用、相互耦合的整体大系统，把轮轨接触关系作为连接车辆和轨道结构的纽带，分析列车作用下轨道和桥梁的动力特性。
分三个层次，建立动力学评价指标，如表1所示：第一层次为重载铁路桥上无砟轨道动力特性综合评价结果Z；第二层次为重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价准则，包含安全性Z1、平稳性Z2、轮轨动态作用Z3、结构变形和振动Z4、结构受力Z5；第三层次为重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价指标，包含八个评价指标，分别为轮重减载率Z11、车体垂向加速度Z21、轮轨垂向力Z31、钢轨位移Z41、桥梁位移Z42、桥梁振动加速度Z43、扣件支点反力Z51和轨道与桥梁的接触应力Z52。
表1重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价指标层次
如表1所示，依据车辆运行安全性与平稳性，以及车辆-无砟轨道-桥梁之间的相互作用，确定了8个动力学评价标准，如表2所示。
表2重载铁路桥上无砟轨道动力特性评价标准
序号 评价指标 评价标准 单位 备注
1 轮重减载率 0.6 -
2 车体垂向加速度 1.3(客)/7.0(货) m/s2
3 轮轨垂向力 250 kN
4 钢轨位移 3.0 mm
5 桥梁位移 L/1400 mm L为桥梁跨度
6 桥梁振动加速度 5.0 m/s2
7 扣件支点反力 F kN 取方案中计算结果最大值
8 轨道与桥梁接触应力 σ kPa 取方案中计算结果最大值
(3)根据S201中的车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动模型，建立不同轨道结构方案与动力性能的关系，依据S202中的动力学评价标准，计算其动力特性。
(4)利用层次分析法确定各级评价指标权重，并进行一致性检验。
S401：利用表1中的指标建立递阶层次结构，确定上下层之间元素的隶属关系；
S402：对同一层次的指标进行两两对比，得出描述指标重要性对比关系的判断矩阵W＝(wij)n×n，其中wij为元素Wi和Wj相对于W的重要性比例标度，数值可为1～9，判断矩阵各标度含义及说明见表3。
表3判断矩阵的标度含义与说明
以第二层次为例，根据安全性Z1、平稳性Z2、轮轨动态作用Z3、结构变形及振动Z4和结构受力Z5对于重载铁路桥上无砟轨道动力性能综合评价结果Z影响程度的重要性比较，考虑五项指标同等重要，因此，权重均为0.2。
以第三层次为例，对于上一级指标安全性Z1、平稳性Z2和轮轨动态作用Z3，均只有轮重减载率Z11、车体垂向加速度Z21和轮轨垂向力Z31一个指标，因此轮重减载率Z11、车体垂向加速度Z21与轮轨垂向力Z31的权重对于上一级指标的权重均为1。
对于结构变形及振动Z4的影响程度，钢轨位移Z41的影响程度最大，桥梁振动加速度Z43次之，桥梁位移Z42最小，根据表3，假定钢轨位移Z41与桥梁位移Z42的重要性之比取为5，钢轨位移Z41与桥梁加速度Z43的重要性之比取为3，桥梁加速度Z43与桥梁位移Z42的重要性之比取为3，则判断矩阵为：
根据判断矩阵计算每行元素的联乘积Mi，则：
计算Mi的n次方根，可得
将向量进行正规化，有：
钢轨位移Z41、桥梁位移Z42和桥梁振动加速度Z43相对于结构变形及振动Z4的权重分别为0.637、0.105和0.258。
对于结构受力Z5的影响程度，认为扣件支点反力Z51和轨道与桥梁的接触应力Z52同样重要，标度取“1”，则判断矩阵为：
经向量正规化处理之后，得出扣件支点反力Z51与轨道与桥梁的接触应力Z52相对于结构受力Z5的权重均为0.5。
S403：判断矩阵的一致性检验。
判断矩阵的分值是人为赋予的，必须通过一致性检验来验证判断矩阵的可靠性。当判断矩阵所有元素都具有传递性，即满足等式：wij·wjk＝wik时，称判断矩阵为一致性矩阵。判断矩阵是计算因素权重值的根据，即使不绝对满足一致性要求，也不应有过大的偏差。检查判断矩阵的一致性程度，首先计算其一致性指标C.I.，然后对照表4查找相应的平均随机一致性指标R.I.，再计算一致性比例C.R.。当C.R.<0.1时，则认为判断矩阵的一致性是可以接受的。
表4平均随机一致性指标值
矩阵阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
R.I. 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49
对于钢轨位移Z41、桥梁位移Z42和桥梁振动加速度Z43的权重计算矩阵
因此，对于钢轨位移Z41、桥梁位移Z42和桥梁振动加速度Z43的权重计算矩阵满足一致性要求。
对于扣件支点反力Z51与轨道与桥梁的接触应力Z52的权重计算矩阵
因此，对于扣件支点反力Z51与轨道与桥梁的接触应力Z52的权重计算矩阵满足一致性要求。
(5)对不同无砟轨道方案进行评价和优化。
根据步骤S3的计算结果，分三个层次对重载铁路桥上无砟轨道进行动力学评价。各层次评价结果应在[0，1]区间，评价结果越趋近于0，说明桥上无砟轨道动力特性越好；反之，评价结果越接近于1，说明桥上无砟轨道动力特性越差。
以25t轴重货车，桥梁跨度38m为例，重载铁路桥上不同无砟轨道方案的第三层次评价结果如表5所示，第二层次评价结果如表6所示，第一层次评价结果如表7所示。
表5 25t轴重货车作用下第三层次评价结果
表6 25t轴重货车作用下第二层次评价结果
表7 25t轴重货车作用下第一层次评价结果
在货车作用下，重载铁路桥上不同无砟轨道的动力性能评价均处于[0，1]范围内，且相差不大，说明不同无砟轨道结构都能满足列车运营安全和平稳性要求；
从综合评价来看，板式无砟轨道的结果为0.563，为最优，本实施例中推荐采用板式无砟轨道。但从二级指标评价与三级指标评价来看，并非每一个指标都为最优，仍需进行优化设计。

Claims (5)

1.一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，其特征在于：所述评价方法包括：
重载铁路桥上无砟轨道方案分析，针对提出的重载铁路桥上无砟轨道方案，对其轨道结构进行分析；
建立动力学计算模型，确定评价指标体系：基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论，建立重载列车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型，根据相关动力学评价指标，确定重载铁路桥上无砟轨道动力学性能指标；
计算重载列车通过不同桥上无砟轨道结构时系统的动力学响应，并对计算结果进行归一化处理；
结合层次分析法确定各级评价指标权重，逐级进行评价。
2.根据权利要求1所述一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤S1：重载铁路桥上无砟轨道方案分析：针对提出的重载铁路桥上无砟轨道方案，对其轨道结构进行分析；
步骤S2：车辆-轨道系统的动力特性分析，建立动力学计算模型，确定评价指标体系；
步骤S3：建立不同方案与动力性能的关系，计算重载列车通过不同桥上无砟轨道结构时系统的动力学响应，并对计算结果进行归一化处理；
步骤S4：针对步骤S3得到的计算结果，结合层次分析法确定各级评价指标权重；
步骤S5：对不同无砟轨道方案进行逐级评价和优化。
3.根据权利要求2所述一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，其特征在于：所述步骤S2包括如下步骤：
S201：基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论，采用ANSYS/LS-DYNA大型通用有限元软件建立车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动模型，将车辆、轨道和桥梁看作一个相互作用、相互耦合的整体大系统，把轮轨接触关系作为连接车辆和轨道结构的纽带，分析列车作用下轨道和桥梁的动力特性；
S202：依据车辆运行安全性与平稳性，以及车辆-无砟轨道-桥梁之间的相互作用，分若干层次确定动力学评价指标及标准。
4.根据权利要求2所述一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，其特征在于：所述步骤S4包括如下步骤：
S401：利用步骤2中确定的指标建立递阶层次结构，确定上下层之间元素的隶属关系；
S402：对同一层次的指标进行两两对比，得出描述指标重要性对比关系的判断矩阵W＝(wij)n×n，其中wij为元素Wi和Wj相对于W的重要性比例标度，数值可为1～9；
S403：判断矩阵的一致性检验，首先计算判断矩阵一致性指标C.I.，然后查找相应的平均随机一致性指标R.I.，再计算一致性比例C.R.。当C.R.<0.1时，则认为判断矩阵的一致性是可以接受的。
5.根据权利要求2所述一种重载铁路桥上无砟轨道动力学特性评价方法，其特征是：所述步骤步骤S5中，优选综合评价结果最优的轨道结构，结合不同无砟轨道结构的应用情况、结构特点、动力学计算分析，确定最终的选型，并对无砟轨道关键参数进行优化。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181106

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