CN111931271B - 一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统 - Google Patents

一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统，该方法包括：通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。该方法可实现对无砟轨道荷载情况的精准评估，避免过多的安全冗余，减少设计及施工造成的浪费，提高生产效率和降低施工成本。

Description

一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统
技术领域
本发明属于铁道工程应用计算与设计技术领域，特别适用于高速铁路无砟轨道设计车辆荷载取值方面；具体涉及一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统。
背景技术
无砟轨道是高速铁路轨道结构的主要形式，列车荷载是高速铁路无砟轨道关键设计荷载之一，不同形式动车组在线路上高速运营时，将对无砟轨道产生高频、往复冲击荷载效应，是结构动态受力的主要影响因素。在国内前期无砟轨道发展阶段，由于缺乏无砟轨道列车运营经验，且动车组型式尚未统一，轨道结构也有较大差异，无法形成统一的列车荷载图式。只能借鉴桥梁列车荷载图式或粗犷的采用单轮荷载进行加载，并考虑足够大的安全系数，这在无砟轨道设计过程中不可避免的将带来过多的安全冗余，造成设计浪费。作用在无砟轨道上的车辆荷载受动车组种类、线路不平顺状况、线下基础、轨道纵连方式等多种因素影响，呈现较强的不确定性。随着我国运营经验的积累、无砟轨道型式丰富完善以及动车组型式的定型，有必要针对我国无砟轨道、动车组既有情况，对无砟轨道荷载情况进行评估，确定我国高速铁路无砟轨道列车荷载图式。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法及系统，能够包络目前既有动车组型式、无砟轨道型式等多因素影响下荷载加载图式，实现对无砟轨道荷载情况的精准评估，避免过多的安全冗余，减少设计及施工造成的浪费，提高生产效率和降低施工成本。
第一方面，本发明实施例提供一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法，包括以下步骤：
S100、通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
S200、根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
S300、根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。
在一个实施例中，所述步骤S100包括：
S101、建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
S102、将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
S103、计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距。
在一个实施例中，所述步骤S200包括：
S201、根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
S202、根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
S203、对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。
第二方面，本发明实施例还提供一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定系统，包括：
仿真计算模块，用于通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
统计计算模块，用于根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
确定模块，用于根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。
在一个实施例中，所述仿真计算模块包括：
建立子模块，用于建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
分析子模块，用于将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
计算子模块，用于计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；。
在一个实施例中，所述统计计算模块包括：
第一统计子模块，用于根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
第二统计子模块，用于根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
统计计算子模块，用于对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法，包括：通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。该方法可实现对无砟轨道荷载情况的精准评估，避免过多的安全冗余，减少设计及施工造成的浪费，提高生产效率和降低施工成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法流程图；
图2为本发明实施例提供的步骤S100的流程图；
图3为本发明实施例提供的步骤S200的流程图；
图4为相关技术的高速铁路主要运营列车及参数示意图；
图5为本发明实施例提供的各型列车作用下轨道板正弯距柱状图；
图6为本发明实施例提供的各型列车作用下轨道板反弯距柱状图；
图7为本发明实施例提供的各型列车作用下轨道板竖向位移柱状图；
图8为本发明实施例提供的假定的6种标准化的车辆荷载作用方式示意图；
图9为本发明实施例提供的轨道板正弯距荷载效应比值示意图；
图10为本发明实施例提供的轨道板反弯距荷载效应比值示意图；
图11为本发明实施例提供的轨道板竖向位移荷载效应比值示意图；
图12为本发明实施例提供的建议统一荷载加载方式示意图；
图13为本发明实施例提供的典型的车载轮轨力分布情况示意图；
图14为本发明实施例提供的典型的地面轮轨力分布情况示意图；
图15为本发明实施例提供的建议高速铁路无砟轨道车辆荷载图式；
图16为本发明实施例提供的高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定系统框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
第一方面，参照图1所示，本发明实施例提供的一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法，包括以下步骤：
S100、通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
S200、根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
S300、根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。
本发明实施例提供的高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法，需要确定包络目前既有动车组型式、无砟轨道型式等多因素影响下荷载加载图式，首先通过理论分析结合提出合理的无砟轨道加载方式，如单轴加载、多轴加载或分布式加载等，并确定加载间距；然后通过车载、地面轮轨力的大量的测试数据来确定轮轨力统计分布规律，获取无砟轨道车辆荷载量值，即：轮轨力加载量值；最后，结合加载方式和加载量值，确定高速铁路无砟轨道荷载图式。该方法可实现对无砟轨道荷载情况的精准评估，避免过多的安全冗余，减少设计及施工造成的浪费，提高生产效率和降低施工成本。
其中，上述大量测试数据，比如车载轮轨力测试需进行100公里以上的测试获得；比如需要10万个轮对以上的地面轮轨力测试。测试数据量越大，对后续步骤无砟轨道荷载情况的评估越准确，本发明实施例对此不作限定。
为了确定加载方式，参照图2所示，上述步骤S100包括：
S101、建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
S102、将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
S103、计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距。
根据现有动车组轴重、轴距，以及无砟轨道单元长度、厚度及纵连方式等，依据无砟轨道内部荷载响应情况，通过仿真计算确定一种固定加载力数量与加载间距的加载方式，此加载方式下无砟轨道荷载响应能够包络所有类型动车组作用于不同无砟轨道上时的荷载响应。
进一步地，确定加载量值，参照图3所示，上述步骤S200包括：
S201、根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
S202、根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
S203、对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。具体地，比如对地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，利用Heckman二阶段法解决地面轮轨力分布和车载轮轨力分布的选择偏差问题，获得轮轨力总体样本分布特征，然后根据99.75％保证率的轮轨力最大值，确定最终的荷载加载量值。
其中，步骤S201通过列车轮对上轮轨力的大量测试，对行车速度、线路几何状况、线下结构形式等多方面因素影响进行评估分析，获取车载轮轨力统计分布特征。步骤S202在地面定点测试每趟车运行时轮轨力，对通过该断面的所有车辆型式以及其实际载荷进行评估。S203，根据上述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，采用数据统计分析方法获取车辆作用于无砟轨道的荷载谱，以此制定车辆荷载加载量值。
下面通过一个详细的实施例对本发明的技术方案进行说明。
目前，国内高速铁路上运行的动车组包含CRH和CR标准动车组，合计8种车型，其基础数据见图4。其中，最大允许轴重为17t，轴距大多为2.5m，邻轴距大多为5m左右。
目前国内应用的高速铁路无砟轨道主要有CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式无砟轨道及双块式无砟轨道，在车辆荷载效应分析中，无砟轨道纵连/单元型式、结构尺寸、板下支撑刚度及接触方式、扣件的刚度及间距对无砟轨道荷载效应存在一定程度的影响。在本实施例中，正常符合标准的无砟轨道对车辆荷载图式的影响较小，可以忽略不计。
上述8种不同列车作用于无砟轨道上时，以弯矩和位移为例，轨道板上荷载响应如图5、图6和图7所示。
依据图4中的主型动车组参数，假定6种标准化的车辆荷载作用方式，如图8所示。
在假定的标准化车辆荷载作用下，无砟轨道正反弯矩及位移与实际车轴的荷载效应比值如图9、图10和图11所示。
通过以上不同列车、不同荷载型式及不同型式无砟轨道上的荷载效应对比，发现轴距为2.5m，邻轴距为5m的四轴荷载能够满足包络所有车型实际荷载条件下无砟轨道荷载效应，因此选取该荷载型式作为最终荷载加载图式，具体如图12所示。
根据上述确定的加载方式：四轴荷载，轴距为2.5m，邻轴距为5m；对100公里以上车载轮轨力数据进行统计分析，获取典型的轮轨力分布情况如图13所示。对10万个地面轮轨力数据进行统计分析，获取典型的轮轨力分布情况如图14所示。
对比可以看出，地面轮轨力平均值略大于车载轮轨力分布，主要原因在于地面测试车辆为正常载重运营车辆，能够体现出不同载重量列车通过某一断面时车辆荷载冲击情况，而车载轮轨力为标准配重的检测车通过全线时轮轨力情况，能够体现出不同线路状况引起的车辆荷载冲击情况。
按随机变量概率分析法，结合图13和图14确定出的轮轨力平均值为86.7kN，按照设计荷载取值的一般规定99.75％保证概率，计算的地面轮轨力和车载轮轨力最大可能值为164.2kN，标准差为25.8kN。
为方便设计取值，并按照偏保守设计考虑，取轮轨力最大值为170kN(略大于最大可能值164.2kN)。结合图12，提出高速铁路无砟轨道车辆荷载图式如图15所示。选择大于最大值(164.2kN)的数字即可，过大也会造成安全冗余，浪费设计和施工资源。可根据相关标准和项目要求，进行合理的选择。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定系统，由于该系统所解决问题的原理与一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
第二方面，本发明实施例还提供一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定系统，参照图16所示，包括：
仿真计算模块161，用于通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
统计计算模块162，用于根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
确定模块163，用于根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式。
在一个实施例中，所述仿真计算模块161包括：
建立子模块1611，用于建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
分析子模块1612，用于将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
计算子模块1613，用于计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；。
在一个实施例中，所述统计计算模块162包括：
第一统计子模块1621，用于根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
第二统计子模块1622，用于根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
统计计算子模块1623，用于对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
S200、根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
S300、根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式；
其中，所述步骤S100包括：
S101、建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
S102、将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
S103、计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
所述步骤S200包括：
S201、根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
S202、根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
S203、对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。
2.一种高速铁路无砟轨道车辆荷载图式的确定系统，其特征在于，包括：
仿真计算模块，用于通过仿真计算得出轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
统计计算模块，用于根据所述轮轨力加载方式，进行大量车载轮轨力测试和地面轮轨力测试，获取轮轨力统计参数，得轮轨力加载量值；
确定模块，用于根据所述轮轨力加载方式和轮轨力加载量值，确定无砟轨道车辆荷载图式；
其中，所述仿真计算模块包括：
建立子模块，用于建立不同无砟轨道车辆荷载受力的仿真分析模型；
分析子模块，用于将多种不同的加载力数量和加载间距的动车组，作用在所述不同无砟轨道上的轨道结构受力响应进行仿真分析；
计算子模块，用于计算出能够包络所有荷载响应的轮轨力加载方式；所述轮轨力加载方式包括：固定的车辆荷载加载力数量与加载间距；
所述统计计算模块包括：
第一统计子模块，用于根据所述轮轨力加载方式，通过地面轮轨力的多组检测数据对地面轮轨力统计分布规律进行分析；
第二统计子模块，用于根据所述轮轨力加载方式，通过车载轮轨力的多组检测数据对车载轮轨力统计分布规律进行分析；
统计计算子模块，用于对所述地面轮轨力统计分布规律及车载轮轨力统计分布规律，进行关联性分析，获得轮轨力加载量值。
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