CN109902353A - 一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法 - Google Patents

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张高祥
谢浩然
黄杰
徐庆元
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一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，包括如下步骤：S1：建立充分考虑主缆、吊杆、钢桁梁、正交异形板、钢轨以及相邻桥跨结构的大跨度悬索桥与四线轨道相互作用，且充分考虑混凝土、钢筋的悬索桥上无缝线路系统的三维仿真模型；S2：计算温度荷载、竖向荷载、列车制动和风荷载作用下悬索桥上无缝线路系统纵向力分布情况，并分别求出步骤S1中各构件间相互作用机理；S3：计算出钢轨的伸缩调节器设置方式、温度荷载模式、粘滞阻尼器对悬索桥上无缝线路系统受力的影响。本发明建立大跨度悬索桥桥梁‑轨道相互作用模型，并模拟计算大跨度悬索桥在静载、列车荷载及列车制动作用下的梁轨内力及变形情况，利于高速铁路大跨度悬索桥的建设研究。

Description

一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁与铁路之间相互作用的建模方法，具体涉及一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法。
背景技术
悬索桥是跨越能力最强的一种桥梁形式，但由于其结构体系相对较柔，在高速列车的作用下会产生较大的变形和振动。因此铁路悬索桥目前应用相对较少。但在某些特殊情况下，超强的跨越能力使悬索桥也成为大跨度铁路桥梁的可选方案之一,如日本下津井懒户大桥为四车道双线铁路的(230+940+230)m公铁两用悬索桥；香港青马大桥为城轨-公路两用(333+1377+300)m悬索桥；我国计划修建的琼州海峡大桥和丽香铁路金沙江特大桥也将采用悬索桥结构。尽管国内外的学者对梁轨相互作用问题已进行了广泛而深入的研究，但其研究对象多为简支梁桥、连续梁桥、刚构桥和斜拉桥，关于大跨度悬索桥与轨道相互作用的相关研究尚未见诸报端。
目前，荷载作用下铁路悬索桥无缝线路系统动力响应研究仍极为匮乏，许多研究中未充分考虑铁路悬索桥各部分构件相互影响，而且悬索桥各部分结构温度变化、轨道温度、风荷载等因素对系统的影响规律仍不明确。因此，对于本领域技术人员来说，如何提供一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法对于研究高速铁路大跨度悬索桥的建设来说具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，它结合工程实际和结构特点，建立了大跨度悬索桥桥梁-轨道相互作用模型，并模拟计算大跨度悬索桥在静载、列车荷载及列车制动作用下的梁轨内力及变形情况，利于高速铁路大跨度悬索桥的建设研究。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，包括如下步骤：
S1：建立充分考虑主缆、吊杆、悬索桥主梁、正交异形板、钢轨以及相邻桥跨结构的大跨度悬索桥与四线轨道相互作用，且充分考虑混凝土、钢筋的悬索桥上无缝线路系统的三维仿真模型；其中，钢轨采用梁单元模拟，悬索桥主梁为钢桁梁，悬索桥主梁由不同截面的杆单元组成，悬索桥的主缆和吊杆采用仅受拉的杆单元模拟，轨道线路纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟，轨道扣件竖向刚度由线性弹簧模拟，悬索桥主梁与桥塔横梁相交处只设竖向、横向约束，顺桥向无约束，悬索桥主梁与桥塔间的活动支座仅约束竖向、横桥向位移；
S2：计算温度荷载、竖向荷载、列车制动和风荷载作用下悬索桥上无缝线路系统纵向力分布情况，并分别求出步骤S1中各构件间相互作用机理；
S3：计算出钢轨的伸缩调节器设置方式、温度荷载模式、粘滞阻尼器对悬索桥上无缝线路系统受力的影响。
本发明进一步的技术方案为：步骤S1中的扣件竖向刚度、线路纵向阻力的非线性约束参数按照现行规范或实测结果取值。
进一步，步骤S1中悬索桥主梁两侧连续梁桥梁单元采用上翼缘钢臂和下翼缘钢臂模拟梁高。
进一步，步骤S1中在悬索桥两侧的路基上设有用于减少边界效应的170m的钢轨。
进一步，步骤S1中悬索桥的桥塔顶端与主缆铰接，采用仅受拉的杆单元模拟主缆和吊杆，主缆空间位置按照成桥线形考虑，主缆两端铰接在地基上，吊杆在悬索桥主缆和悬索桥主梁上桥面处铰接。
进一步，步骤S2中在计算温度荷载作用时，基于设计资料，有砟轨道混凝土梁的温差取值为15℃，钢桁梁温差取值为25℃。
进一步，步骤S1中扣件纵向阻力按下式取值：
其中，r为轨道线路纵向阻力，单位为kN/m，u为桥梁和轨道线路间的相对位移，单位为mm。
进一步，步骤S2中在计算挠曲力时，客运线路采用ZK活载，城轨线路采用0.6UIC活载。
进一步，步骤S2中计算制动力时，制动力率偏安全地取值为0.25。
进一步，步骤S2中风荷载按下述公式进行取值：
W＝K1K2K3W0，
其中，W表示风荷载强度，K1为外形特征系数，K2为高度荷载系数，K3为地貌特征系数，W0为基本风压。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明考虑相邻连续梁结构，并结合工程实际和结构特点，首次建立了大跨度悬索桥桥梁-轨道相互作用模型，能够为今后铁路大跨度悬索桥设计提供参考和依据；
2、本发明计算大跨度悬索桥在静载、列车荷载及列车制动作用下的梁轨内力及变形情况，为铁路大跨度悬索桥在建成运营阶段和列车突发停车状况下提供了安全设计保证；
3、本发明可根据实际情况设置钢轨伸缩调节器，降低钢轨应力峰值，这大大降低了列车运行风险和养护维修成本；
4、本发明通过修改荷载数值，可适用于不同静载、活载及列车制动作用下的大跨度悬索桥无缝线路受力变形规律计算，这使本发明本发明能够应用到各种不同的列车运营情况，使本发明的应用范围更加广阔；
5、本发明模型结构清晰，便于程序实现。
附图说明
图1是本发明所建立的三维仿真模型的半立面结构示意图；
图2是本发明所建立的三维仿真模型中相邻连续梁结构所采用的桥与轨道相互作用计算模型结构示意图；
图3是本发明所建立的三维仿真模型中悬索桥主梁采用的桥与轨道相互作用计算模型结构示意图；
图4是本发明所建立的三维仿真模型中主梁断面结构示意图；
图5是本发明所建立的三维仿真模型计算出的不同钢轨伸缩调节器设置方式下的钢轨应力图；
图6是本发明所建立的三维仿真模型计算出的多种挠曲力工况作用下的钢轨应力包络图；
图7是本发明所建立的三维仿真模型计算出的多种制动力工况作用下的钢轨应力包络图。
图例说明：
1、路基；4、伸缩调节器；5、活动支座；6、线路纵向阻力；7、扣件竖向刚度；8、上翼缘刚臂；9、下翼缘刚臂；11、悬索桥主梁；12、主缆；13、吊杆；14、桥塔；15、钢轨；17、地基。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
参见图1至图4，其中图1中的X所指方向为顺桥向，一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，包括如下步骤：
S1：建立充分考虑主缆12、吊杆13、悬索桥主梁11、正交异形板、钢轨15以及相邻桥跨结构的大跨度悬索桥与四线轨道相互作用，且充分考虑混凝土、钢筋的悬索桥上无缝线路系统的三维仿真模型；其中，钢轨15采用梁单元模拟，悬索桥主梁11为钢桁梁，悬索桥主梁11由不同截面的杆单元组成的，悬索桥的主缆12和吊杆13采用仅受拉的杆单元模拟，轨道线路纵向阻力6采用非线性弹簧单元模拟，扣件竖向刚度7由线性弹簧模拟，主桁与桥塔横梁相交处只设竖向、横向约束，顺桥向无约束，悬索桥主梁11与桥塔间的活动支座5仅约束竖向、横桥向位移；
S2：研究温度荷载、竖向荷载、列车制动和风荷载作用下悬索桥上无缝线路系统纵向力分布情况，并分别研究步骤S1中各构件间相互作用机理；
S3：研究钢轨15的伸缩调节器4设置方式、温度荷载模式、粘滞阻尼器对悬索桥上无缝线路系统受力的影响。
本实施例中的上述步骤按照下述分步骤进行：
(1)建立悬索桥主梁11：
悬索桥主梁11的钢桁梁采用不同节截面的杆单元模拟，根据图纸在建立相应节点的基础上把对应节点利用对应的截面连接起来建立正确的单元。
(2)建立桥塔：
采用梁单元在悬索桥主梁11的两侧建立悬索桥的桥塔14，先建立相应节点然后利用梁单元建立悬索桥主塔，主塔截面尺寸、长度和材料按照实际取值。
(3)建立主缆12：
在悬索桥主塔之间建立适用于主缆线性的节点，根据实际情况选择主缆12的材料、截面形状和尺寸，然后利用仅受拉的杆单元把节点依次连接，完成主缆12的建立。
(4)建立吊杆：
根据实际情况选择吊杆13的材料、截面形状和尺寸，采用仅受拉的杆单元把主缆12上节点和悬索桥主梁11上桥面相应节点连接形成吊杆13。
(5)建立主缆与主塔之间的联系：
把主塔顶点和主缆12最高点刚性连接起来，主塔顶点为主点，主缆12最高点为从属点，从属点和主塔顶点在三维坐标轴的x、y、z方向耦合。
(6)建立两侧连续梁：
选取双线铁路箱梁截面，建立连续梁坐标点，采用梁单元在悬索桥主梁11两侧建立连续梁，其顶面和悬索桥主梁11保持一致。
(7)建立下翼缘刚臂9：
建立刚臂，刚臂弹性模量采用2.1×1013N/mm2，在连续梁的桥墩处的铁路箱梁下方3m出建立节点，把该节点与铁路箱型梁连接起来形成下翼缘刚臂9。
(8)建立上翼缘刚臂8：
在悬索桥主梁11和悬索桥两侧连续梁的上方建立四行节点，每行节点为适应悬索桥主梁11横梁间距取间距为2.8m，依次建立节点，直至连续梁，把悬索桥主梁11节点与上方建立四行节点连接起来形成上翼缘刚臂8，把连续梁上方建立的节点与铁路箱梁刚性连接起来形成上翼缘刚臂8。
(9)建立钢轨：
将这四行节点向上复制1cm，形成新的四列节点，把位于上侧的节点连接起来形成单元，钢轨15用梁单元模拟，钢轨15的形状和截面根据铁路标准规定选择。
(10)建立两侧路基1：
在连续梁的两侧建立间隔为2.8m的七十个节点模拟地基17，因为悬索桥为四线铁路，所以我们建立的是四列相互平行的节点，并将上一步在桥上建立的钢轨节点延伸之路基段的两侧，建立单元形成钢轨15。
(11)建立弹性连接：
线路纵向阻力按下式取值：
其中，r为线路纵向阻力，单位为kN/m，u为桥梁和线路间的相对位移，单位为mm。
(12)建立边界条件：
路基1、桥墩和主塔底部节点全约束，固定支座处除了Ry方向不约束外，其他方向全约束；活动支座5处除了Dx、Ry方向外，其他方向全约束。x方向为顺桥向，y方向为横桥向，z方向为竖桥向。
(13)施加荷载：
伸缩力计算时，有砟轨道混凝土梁的温差取15℃，钢桁梁温差取25℃，计算结果如图4所示，将钢轨伸缩调节器4设置在悬索桥主梁11两端处时，钢轨15的应力峰值在路基1与连续梁交界处达181.0MPa，将钢轨的伸缩调节器4设置在悬索桥主梁两端时能有效降低悬索桥梁端钢轨应力。
计算挠曲力时，客运线路采用ZK活载，城轨采用0.6UIC活载，计算结果如图5和图6所示，图中①代表不设置钢轨伸缩调节器4，②代表在悬索桥主梁两端设置钢轨伸缩调节器4，钢轨15的最大拉应力出现在悬索桥跨中处为98.6MPa，最大压应力出现在悬索桥桥塔为74.5MPa。
计算制动力时，制动力率偏安全地取为0.25，计算结果如图7所示，在制动力作用下的钢轨应力都较小，在制动力作用范围两端钢轨应力达到最大值，最大拉应力为10.0MPa，最大压应力为12.4MPa。
由上述计算结果可以看出：在悬索桥主梁11两端设置钢轨的伸缩调节器4可以有效降低钢轨15的应力峰值，各工况下钢轨15的应力都是在可以接受的范围内。
相对于现有技术，本实施例的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法聚焦于考虑相邻连续梁结构的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用分析模型这一复杂工程结构，通过建立轨道-桥梁-路基结构，分析高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用关系，并且充分考虑了高速铁路大跨度悬索桥各种关键设计参数，并分析了温度、竖向活载、列车制动作用下铁路悬索桥上无缝线路受力和变形规律，可为高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模和分析提供重要方法。

Claims (10)

1.一种高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立充分考虑主缆(12)、吊杆(13)、悬索桥主梁(11)、正交异形板、钢轨(15)以及相邻桥跨结构的大跨度悬索桥与四线轨道相互作用，且充分考虑混凝土、钢筋的悬索桥上无缝线路系统的三维仿真模型；其中，钢轨(15)采用梁单元模拟，悬索桥主梁(11)为钢桁梁，悬索桥主梁(11)由不同截面的杆单元组成，悬索桥的主缆(12)和吊杆(13)采用仅受拉的杆单元模拟，轨道线路纵向阻力(6)采用非线性弹簧单元模拟，轨道的扣件竖向刚度(7)由线性弹簧模拟，悬索桥主梁(11)与桥塔横梁相交处只设竖向、横向约束，顺桥向无约束，悬索桥主梁(11)与桥塔间的活动支座(15)仅约束竖向、横桥向位移；
S2：计算温度荷载、竖向荷载、列车制动和风荷载作用下悬索桥上无缝线路系统纵向力分布情况，并分别求出步骤S1中各构件间相互作用机理；
S3：计算出钢轨(15)的伸缩调节器(4)设置方式、温度荷载模式、粘滞阻尼器对悬索桥上无缝线路系统受力的影响。
2.根据权利要求1所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S1中的扣件竖向刚度(7)、线路纵向阻力(6)的非线性约束参数按照现行规范或实测结果取值。
3.根据权利要求1所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S1中悬索桥主梁(11)两侧连续梁桥梁单元采用上翼缘钢臂(8)和下翼缘钢臂(9)模拟梁高。
4.根据权利要求1所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S1中在悬索桥两侧的路基(1)上设有用于减少边界效应的170m的钢轨(15)。
5.根据权利要求1所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S1中悬索桥的桥塔顶端与主缆(12)铰接，采用仅受拉的杆单元模拟主缆(12)和吊杆(13)，主缆(12)空间位置按照成桥线形考虑，主缆(12)两端铰接在地基(17)上，吊杆(13)在悬索桥主缆(12)和悬索桥主梁(11)上桥面处铰接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S2中在计算温度荷载作用时，基于设计资料，有砟轨道混凝土梁的温差取值为15℃，钢桁梁温差取值为25℃。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S1中扣件纵向阻力按下式取值：
其中，r为轨道线路纵向阻力，单位为kN/m，u为桥梁和轨道线路间的相对位移，单位为mm。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S2中在计算挠曲力时，客运线路采用ZK活载，城轨线路采用0.6UIC活载。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S2中计算制动力时，制动力率偏安全地取值为0.25。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的高速铁路大跨度悬索桥与轨道相互作用建模方法，其特征在于：步骤S2中风荷载按下述公式进行取值：
W＝K1K2K3W0，
其中，W表示风荷载强度，K1为外形特征系数，K2为高度荷载系数，K3为地貌特征系数，W0为基本风压。
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