CN110046393A - 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法 - Google Patents

一种大坡道有砟道床稳定性评价方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110046393A
CN110046393A CN201910205792.9A CN201910205792A CN110046393A CN 110046393 A CN110046393 A CN 110046393A CN 201910205792 A CN201910205792 A CN 201910205792A CN 110046393 A CN110046393 A CN 110046393A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ballast track
ballast
steep gradient
track bed
railway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910205792.9A
Other languages
English (en)
Inventor
韩义涛
田春香
李粮余
韦凯
王平
张凯
潘自立
刘在庆
莫宏愿
李保友
杨明辉
汪盈盈
杨吉忠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Original Assignee
China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC filed Critical China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority to CN201910205792.9A priority Critical patent/CN110046393A/zh
Publication of CN110046393A publication Critical patent/CN110046393A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)

Abstract

一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,以在列车荷载、温度荷载和重力的共同作用下，客观分析极端条件下超大坡度有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况，为在大坡道山区地段铺设有砟轨道提供技术参考和理论支撑。该方法包括如下步骤：①建立大坡道有砟轨道非线性有限元模型，采用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模，包括钢轨、轨枕和道床结构；②大坡道铁路有砟道床的稳定性分析，在已建立的大坡道有砟轨道非线性有限元模型中施加列车荷载、重力荷载和温度荷载，根据需要设定的坡度、竖曲线半径工况进行求解；如果有限元计算不收敛，则说明道床破坏，进入失稳状态；反之则说明道床稳定，则提取有砟道床等效塑性应变来确定有砟道床的危险区域和潜在的滑动面。

Description

一种大坡道有砟道床稳定性评价方法
技术领域
本发明涉及轨道交通，特别涉及一种大坡道有砟道床稳定性评价方法，在列车荷载、温度荷载和重力的共同作用下，客观分析极端条件下超大坡度有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况，为在大坡道山区地段铺设有砟轨道提供技术参考和理论支撑。
背景技术
碎石道床作为铁路有砟轨道的重要组成部分，是轨道框架的基础，具有固定轨道几何形位的作用，其稳定性直接关系到其上部轨道结构的安全性及长期耐久性。随着一些山区旅游铁路的筹建，如以都江堰至四姑娘山、川主寺至九寨沟旅游观光等重点项目的开展，山区旅游铁路线路结构关键成套技术相关研究不仅对发展景区旅游交通、构建综合交通体系具有重大战略举措，并且对扶贫开发、震区减灾救灾也具有重大意义。上述项目中山区旅游线路运行在复杂艰险的山地，不可避免的存在许多大坡道路段，其最大坡度甚至达到了250‰，如此超大坡度在国内现有铁路历史上从未出现过，也没有相关规范可用来指导开展大坡道铁路有砟道床稳定性设计。
在公告号为CN106874649 A发明专利申请说明书中公开了一种均质边坡稳定性强度折减法失稳判据，通过有限差分数值分析方法判别边坡临界滑动面。在公告号为CN105912753 A的发明专利申请说明书中公开了一种基于强度折减法的海底边坡三维稳定性分析方法，通过建立三维有限元模型分析海底边坡稳定性。
强度折减法能够快速分析边坡稳定性问题，但以上专利申请说明书均是在自重条件下对边坡稳定性进行分析，而实际上大坡道铁路有砟道床的稳定性问题是在列车荷载、温度荷载和重力的共同作用下所引起的。因此，为了填补大坡道铁路有砟道床稳定设计标准体系的空白，需要提出了一种基于强度折减法的大坡道铁路有砟道床稳定性分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,以在列车荷载、温度荷载和重力的共同作用下，客观分析极端条件下超大坡度有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况，为在大坡道山区地段铺设有砟轨道提供技术参考和理论支撑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,包括如下步骤：
①建立大坡道有砟轨道非线性有限元模型，采用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模，包括钢轨、轨枕和道床结构；
②大坡道铁路有砟道床的稳定性分析，在已建立的大坡道有砟轨道非线性有限元模型中施加列车荷载、重力荷载和温度荷载，根据需要设定的坡度、竖曲线半径工况进行求解；如果有限元计算不收敛，则说明道床破坏，进入失稳状态；反之则说明道床稳定，则提取有砟道床等效塑性应变来确定有砟道床的危险区域和潜在的滑动面。
所述步骤①中：钢轨采用梁单元beam4模拟，赋予梁截面以钢轨的实际截面属性，包括截面积、惯性矩和截面系数，以及物理属性，包括每延米质量、弹性模量和泊松比；
轨枕采用梁单元beam188模拟，将轨枕简化为均匀梯形截面的棱柱体，其埋入道床深度为200mm，钢轨和轨枕通过绑定连接；
道床结构采用弹塑性非线性本构模型，将道砟考虑为连续介质，并采用实体单元solid92模拟，按照一级道砟的物理性质赋予其内摩擦角、密度、弹性模量和泊松比参数；在建立道床时预留埋入轨枕的空间，轨枕道床之间采用绑定。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
一、建立了完整的大坡道铁路有砟道床结构的三维有限元非线性模型，道床结构采用弹塑性非线性本构模型，合理地模拟有砟轨道各部件结构(钢轨、扣件、轨枕、道床)以及各结构之间的连接关系，开展列车荷载、温度荷载与自重作用下大坡道铁路有砟轨道的静力计算，以有砟道床的有限元计算是否收敛来评判大坡道铁路有砟道床是否稳定，并通过有砟道床等效塑性应变来确定危险区域和潜在的滑动面，继而优化其稳定性设计参数；
二、首次将常用于边坡稳定性的分有限元强度折减理论用于有砟道床。以有限元计算是否收敛作为判别依据，且以有砟道床等效塑性应变来确定危险区域和潜在的滑动面，综合考虑列车荷载、温度荷载与重力共同作用，客观分析了极端条件下超大坡度(最大坡度为250‰)有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况。
三、该方法易于理解、便与实现，能够对于在大坡道的山区地段铺设有砟轨道提供技术参考和理论支撑。
附图说明
本说明书包括如下五附图：
图1是轨枕截面尺寸示意图；
图2是大坡道有砟轨道非线性有限元模型的示意图；
图3是列车轴重图；
图4竖曲线半径400m工况的计算结果图；
图5竖曲线半径500m工况的计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，本发明的一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,包括如下步骤：
①建立大坡道有砟轨道非线性有限元模型，采用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模，包括钢轨、轨枕和道床结构；
②大坡道铁路有砟道床的稳定性分析，在已建立的大坡道有砟轨道非线性有限元模型中施加列车荷载、重力荷载和温度荷载，根据需要设定的坡度、竖曲线半径工况进行求解；如果有限元计算不收敛，则说明道床破坏，进入失稳状态；反之则说明道床稳定，则提取有砟道床等效塑性应变来确定有砟道床的危险区域和潜在的滑动面。
本发明建立了完整的大坡道铁路有砟道床结构的三维有限元非线性模型，道床结构采用弹塑性非线性本构模型，合理地模拟有砟轨道各部件结构(钢轨、扣件、轨枕、道床)以及各结构之间的连接关系，开展列车荷载、温度荷载与自重作用下大坡道铁路有砟轨道的静力计算，以有砟道床的有限元计算是否收敛来评判大坡道铁路有砟道床是否稳定，并通过有砟道床等效塑性应变来确定危险区域和潜在的滑动面，继而优化其稳定性设计参数。首次将常用于边坡稳定性的分有限元强度折减理论用于有砟道床。以有限元计算是否收敛作为判别依据，且以有砟道床等效塑性应变来确定危险区域和潜在的滑动面，综合考虑列车荷载、温度荷载与重力共同作用，客观分析了极端条件下超大坡度(最大坡度为250‰)有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况。
所述步骤①中：
钢轨采用梁单元beam4模拟，赋予梁截面以钢轨的实际截面属性，包括截面积、惯性矩和截面系数，以及物理属性，包括每延米质量、弹性模量和泊松比；
轨枕采用梁单元beam188模拟，将轨枕简化为均匀梯形截面的棱柱体，其埋入道床深度为200mm，钢轨和轨枕通过绑定连接；
道床结构采用弹塑性非线性本构模型，将道砟考虑为连续介质，并采用实体单元solid92模拟，按照一级道砟的物理性质赋予其内摩擦角、密度、弹性模量和泊松比参数；在建立道床时预留埋入轨枕的空间，轨枕道床之间采用绑定接触来连接。
所述有砟轨道的非线性有限元模型包括坡道的首尾两端的竖曲线段，使其左右端部轨道结构水平；在模型的两端对钢轨和道床施加固定约束。
实施例：
下面通过一段大坡道铁路(无缝线路)有砟道床稳定性分析实例，进一步对本申请所提处的分析方法进行详细介绍。
(1)建立大坡道有砟轨道非线性有限元模型
为实现有限元模型的自动化，本申请采用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模。其中，钢轨采用50轨，轨距1000mm，轨枕采用混凝土枕，模型中将其看作横截面为梯形的柱体。钢轨和轨枕物理参数列于表1，轨枕横截面见图1。碎石道床采用连续介质模拟，根据曾树谷《铁路散粒体道床》相关内容，1级道砟密度为1300～2000kg/m3，内摩擦角为40～45°，不计粘聚力。有砟道床泊松比取值为0.25，弹性模量取值为120MPa。具体参数取值如表2所示。最后建立得到大坡道铁路有砟道床结构的三维有限元实体模型，如图2所示。
表1钢轨、轨枕参数
表2有砟道床有限元模型参数
列车轴重分布如图3所示，将轴重之和换算成均布荷载，施加于两根钢轨(全长)上。考虑类车制动荷载(制动利率按照规范取最不利的0.25)，同时，由于当地轨温最大变化幅度达48℃，因此，在计算中对模型施加一个相同的温度荷载(本算例以降温48℃为例)。
(2)大坡道铁路有砟道床的稳定性分析
本实施例着重分析坡度为250‰时不同竖曲线半径情况下有砟道床的稳定性情况，设立了表3所示的分析工况表。
表3稳定性分析工况表
本实施例以有限元计算中力收敛标准容差是否超出收敛域来判别以上工况下有砟道床的稳定性情况。在ANSYS求解中，力收敛标准容差取为0.01。由图4和图5可知，最大塑性应变出现在变坡曲线段，说明变坡曲线段的道床相比于直坡道段更容易发生失稳。
工况1～3有限元计算中力收敛标准容差均已超出收敛域，此时道床已经发生破坏，即当竖曲线半径低于400m时，大坡道铁路有砟道床已经处于失稳状态。工况5的最大塑性应变值为.79×10-5，而工况4的最大塑性应变值为1.17×10-3。由此可得，竖曲线半径越大，道床稳定性越强。当竖曲线半径大于400m时(如图5所示)，在瞬时静力作用下有砟道床趋于稳定。
由此可见，本发明在考虑列车荷载、温度荷载和重力的共同作用下，客观分析极端条件下超大坡度有砟道床的稳定性问题，更符合实际工程情况，为在大坡道山区地段铺设有砟轨道提供技术参考和理论支撑。

Claims (3)

1.一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,包括如下步骤：
①建立大坡道有砟轨道非线性有限元模型，采用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模，包括钢轨、轨枕和道床结构；
②大坡道铁路有砟道床的稳定性分析，在已建立的有砟轨道非线性有限元模型中施加列车荷载、重力荷载和温度荷载，根据需要设定的坡度、竖曲线半径工况进行求解；如果有限元计算不收敛，则说明道床破坏，进入失稳状态；反之则说明道床稳定，则提取有砟道床等效塑性应变来确定有砟道床的危险区域和潜在的滑动面。
2.如权利要求1所述的一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,其特征是所述步骤①中：
钢轨采用梁单元beam4模拟，赋予梁截面以钢轨的实际截面属性，包括截面积、惯性矩和截面系数，以及物理属性，包括每延米质量、弹性模量和泊松比；
轨枕采用梁单元beam188模拟，将轨枕简化为均匀梯形截面的棱柱体，其埋入道床深度为200mm，钢轨和轨枕通过绑定连接；
道床结构采用弹塑性非线性本构模型，将道砟考虑为连续介质，并采用实体单元solid92模拟，按照一级道砟的物理性质赋予其内摩擦角、密度、弹性模量和泊松比参数；在建立道床时预留埋入轨枕的空间，轨枕道床之间采用绑定约束进行。
3.如权利要求2所述的一种大坡道有砟道床稳定性评价方法,其特征是所述步骤①中：所述有砟轨道的非线性有限元模型包括坡道的首尾两端的竖曲线段，使其左右端部轨道结构水平；在模型的两端对钢轨和道床施加固定约束。
CN201910205792.9A 2019-03-18 2019-03-18 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法 Pending CN110046393A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910205792.9A CN110046393A (zh) 2019-03-18 2019-03-18 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910205792.9A CN110046393A (zh) 2019-03-18 2019-03-18 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110046393A true CN110046393A (zh) 2019-07-23

Family

ID=67274939

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910205792.9A Pending CN110046393A (zh) 2019-03-18 2019-03-18 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110046393A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110765529A (zh) * 2019-10-21 2020-02-07 周口师范学院 一种基于“半波正弦型”的铁路竖曲线设计方法和铁路坡道
CN113030866A (zh) * 2021-03-12 2021-06-25 中国铁道科学研究院集团有限公司 基于雷达电磁信号确定铁路碎石道床状态的方法及装置
CN115033957A (zh) * 2022-05-30 2022-09-09 中国国家铁路集团有限公司 一种铁路碎石道床界面空间几何特征分析方法及装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103207117A (zh) * 2013-03-07 2013-07-17 大连理工大学 一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统
CN105224758A (zh) * 2015-10-13 2016-01-06 河海大学 一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法
CN107036883A (zh) * 2017-05-15 2017-08-11 西南交通大学 道床纵向阻力滞回性能测试模型建立装置、方法及系统
CN107201715A (zh) * 2017-06-30 2017-09-26 中铁二院工程集团有限责任公司 高墩大跨混凝土连续梁桥的横向刚度控制方法及桥梁

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103207117A (zh) * 2013-03-07 2013-07-17 大连理工大学 一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统
CN105224758A (zh) * 2015-10-13 2016-01-06 河海大学 一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法
CN107036883A (zh) * 2017-05-15 2017-08-11 西南交通大学 道床纵向阻力滞回性能测试模型建立装置、方法及系统
CN107201715A (zh) * 2017-06-30 2017-09-26 中铁二院工程集团有限责任公司 高墩大跨混凝土连续梁桥的横向刚度控制方法及桥梁

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王晓明: "小半径曲线无缝线路稳定性有限元分析", 《科技展望》 *
雷晓燕: "道床极限承载力的有限元分析", 《铁道学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110765529A (zh) * 2019-10-21 2020-02-07 周口师范学院 一种基于“半波正弦型”的铁路竖曲线设计方法和铁路坡道
CN113030866A (zh) * 2021-03-12 2021-06-25 中国铁道科学研究院集团有限公司 基于雷达电磁信号确定铁路碎石道床状态的方法及装置
CN115033957A (zh) * 2022-05-30 2022-09-09 中国国家铁路集团有限公司 一种铁路碎石道床界面空间几何特征分析方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110046393A (zh) 一种大坡道有砟道床稳定性评价方法
Sadeghi et al. Evaluation of conventional methods in analysis and design of railway track system
Zhu et al. Interface damage and its effect on vibrations of slab track under temperature and vehicle dynamic loads
Wang et al. Dynamic behaviour of the track in transitions zones considering the differential settlement
Chen et al. Impact of wheel profile evolution on wheel-rail dynamic interaction and surface initiated rolling contact fatigue in turnouts
CN102789531B (zh) 高速铁路长大桥梁纵连板式无砟轨道无缝线路设计方法
Peixer et al. Running safety evaluation of a train moving over a high-speed railway viaduct under different track conditions
Wang et al. Corrective countermeasure for track transition zones in railways: Adjustable fastener
Bruni et al. Effects of train impacts on urban turnouts: modelling and validation through measurements
Varandas et al. A study on the dynamic train-track interaction over cut-fill transitions on buried culverts
Zhou et al. Dynamic analysis of a high-speed train operating on a curved track with failed fasteners
Gao et al. Compressive stress distribution in prestressed concrete and its effect on railroad crosstie design
Nobakht et al. Investigation on longitudinal resistance of the ballasted railway track under vertical load
Miri et al. Effect of shape of concrete sleepers for mitigating of track buckling
Miri et al. Transition zones of steel bridges as hotspots for track buckling
Zhang et al. Influence of lateral differential settlement of subgrade on dynamic performance of high-speed vehicle system
Carvalho et al. A new methodology for evaluating the safe temperature in continuous welded rail tracks
Efendi Behavior of Railroad Bridge Girders Due to Brake Loads with LISA V. 8 FEA
Tajalli et al. Numerical-experimental study of contact-impact forces in the vicinity of a rail breakage
Shi et al. Coupled DEM/FDM to evaluate track transition stiffness under different countermeasures
CN110633505A (zh) 列车运行安全评价方法及装置
Stark et al. Effect of unsupported ties at transition zones
Aela et al. Numerical and Experimental Analysis of Lateral Resistance of Single Y-Shaped Steel Sleeper on Ballasted Tracks
Hasan Lateral stability of a ballasted curved track
Sadeghi New advances in analysis and design of railway track system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190723

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication