CN116756923A - 一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法 - Google Patents

一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，建立列车行车荷载的通用性表征模型；基于列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型制性作用力；构建考虑列车行车的地震力计算模型；基于列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力。本发明建立了一套通用、精准、快速计算方法。本发明能够针对交通运输领域的铁路列车行车对地震力影响的计算方法，实现不同类型铁路列车荷载的统一格式表征、控制性工况的快速准确计算以及不同列车行车荷载对地震力影响的准确刻画，用以系统解决准确模拟铁路列车行车对地震力的影响问题。

Description

一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法。
背景技术
截止2022年12月底，我国高铁通车里程超过4.2万公里，路网结构进一步补强优化，旅客出行更加方便、快捷，货流更加通畅。到2025年，以“八纵八横”为主骨架的高速铁路网将覆盖50万人口以上城市，高铁营运里程将达到5万公里。
另一方面，我国地震具有活动频度高且具有强度大、震源浅、分布广的特点，西部地区断层和地震带广泛分布，地下构造活动较为活跃。这就意味着地震时高速铁路桥梁上行车的概率大大增加，地震时桥梁的振动对行车安全有显著的影响。
在高铁桥梁工程设计中，桥墩和桩基础等下部结构的设计尤为重要，随着基础类型的增多、桥墩结构的复杂化，需要对作用于桥墩上的各种外力进行准确计算，其中地震力和列车荷载往往是起到控制作用的外力，设计阶段保证地震力计算结果的准确性至关重要。
列车的行车质量，铁路桥梁抗震规范是要求计算其影响的，但目前随着铁路事业的发展，列车的荷载形式越来越多，不同类型的铁路，其对应的列车重量不一样。
因此，如何实现一种快速、高效、准确的能包络不同类型铁路列车荷载影响的地震力计算方法，是面临的一个挑战。现有的规范只是提出了需要考虑铁路列车行车对地震力影响的要求，并不提供如何准确快速计算不同类型列车荷载对地震力影响的统一计算方法。现有设计软件也不具备提供能全面准确概括不同类型列车荷载对地震力影响的通用算法。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法。
本发明的技术方案是：一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，包括以下步骤：
A.建立列车行车荷载的通用性表征模型；
B.基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力；
C.构建考虑列车行车的地震力计算模型；
D.基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力。
更进一步的，步骤A建立列车行车荷载的通用性表征模型，具体过程如下：
首先，定义一套能广泛表征列车荷载的格式规则；
然后，用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载。
更进一步的，广泛表征列车荷载的格式规则，具体如下：
首先，定义循环输入的次数，循环输入的次数表示为Ni；
然后，定义列车行车荷载元素的大小，列车行车荷载元素的大小表示为Pi(i＝1,2,3，···，Ni)；
再后，定义组成列车行车荷载元素的宽度，组成列车行车荷载元素的宽度表示为Wi(i＝1,2,3，···，Ni)；
再后，定义组成列车行车荷载元素的间距，组成列车行车荷载元素的间距表示为Di(i＝1,2,3，···，Ni)；
最后，得到广泛表征列车荷载的格式规则，如下：
Ni(Pi,Wi,Di)(i＝1,2,3，···，Ni)。
更进一步的，用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载，具体过程如下：
首先，将格式规则按列进行排布；
然后，将不同类型铁路列车按行进行排布；
最后，不同类型铁路列车的荷载。
更进一步的，步骤B基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力，具体过程如下：
首先，让步骤A表示的列车行车荷载的通用性表征模型进行每一个桥墩对应位置的支反力计算；
然后，根据高铁列车控制性工况列出各典型控制性作用力的判据；
最后，计算出列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力。
更进一步的，在桥墩对应位置的支反力计算过程中，列车从桥梁的左侧运行到右侧，列车行车荷载的通用性表征模型每隔一个间距进行每一个桥墩对应位置的支反力计算。
更进一步的，步骤C构建考虑列车行车的地震力计算模型，具体过程如下：
首先，建立横桥向有车工况计算模型；
然后，建立横桥向无车计算模型；
最后，建立顺桥向有车及无车计算模型。
更进一步的，步骤D基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力，，具体过程如下：
首先，将各桥墩对应的典型控制性作用力转化成不折减的节点质量；
然后，计算出横桥向有车工况、横桥向无车工况、顺桥向有车及无车对应的行车荷载节点质量；
最后，计算出包含行车荷载节点质量的地震力。
本发明有益效果如下：
本发明通过分别建立列车行车荷载的通用性表征模型；基于步骤列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力；构建考虑列车行车的地震力计算模型；基于列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力。进而建立了一套通用、精准、快速的铁路列车行车对地震力影响的计算方法。
本发明能够针对交通运输领域的铁路列车行车对地震力影响的计算方法，实现不同类型铁路列车荷载的统一格式表征、控制性工况的快速准确计算以及不同列车行车荷载对地震力影响的准确刻画，用以系统解决准确模拟铁路列车行车对地震力的影响问题。
附图说明
图1为本发明中各计算模块示意图；
图2为本发明中列车行车荷载的通用性表征模型示意图；
图3为本发明中考虑列车行车的地震力计算模型；
图4为本发明中考虑列车行车的地震力计算软件输入界面；
图5为本发明中考虑列车行车的地震力计算结果输出界面；
图6为本发明中对比案例的Midas Civil商业软件的计算结果。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1至图6所示，一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，包括以下步骤：
A.建立列车行车荷载的通用性表征模型；
B.基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力；
C.构建考虑列车行车的地震力计算模型；
D.基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力。
步骤A建立列车行车荷载的通用性表征模型，具体过程如下：
首先，定义一套能广泛表征列车荷载的格式规则；
然后，用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载。
广泛表征列车荷载的格式规则，具体如下：
首先，定义循环输入的次数，循环输入的次数表示为Ni；
然后，定义列车行车荷载元素的大小，列车行车荷载元素的大小表示为Pi(i＝1,2,3，···，Ni)；
再后，定义组成列车行车荷载元素的宽度，组成列车行车荷载元素的宽度表示为Wi(i＝1,2,3，···，Ni)；
再后，定义组成列车行车荷载元素的间距，组成列车行车荷载元素的间距表示为Di(i＝1,2,3，···，Ni)；
最后，得到广泛表征列车荷载的格式规则，如下：
Ni(Pi,Wi,Di)(i＝1,2,3，···，Ni)。
用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载，具体过程如下：
首先，将格式规则按列进行排布；
然后，将不同类型铁路列车按行进行排布；
最后，不同类型铁路列车的荷载。
步骤B基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力，具体过程如下：
首先，让步骤A表示的列车行车荷载的通用性表征模型进行每一个桥墩对应位置的支反力计算；
然后，根据高铁列车控制性工况列出各典型控制性作用力的判据；
最后，计算出列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力。
在桥墩对应位置的支反力计算过程中，列车从桥梁的左侧运行到右侧，列车行车荷载的通用性表征模型每隔一个间距进行每一个桥墩对应位置的支反力计算。
步骤C构建考虑列车行车的地震力计算模型，如图3所示，具体过程如下：
首先，建立横桥向有车工况计算模型；
然后，建立横桥向无车计算模型；
最后，建立顺桥向有车及无车计算模型。
步骤D基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力，，具体过程如下：
首先，将各桥墩对应的典型控制性作用力转化成不折减的节点质量；
然后，计算出横桥向有车工况、横桥向无车工况、顺桥向有车及无车对应的行车荷载节点质量；
最后，计算出包含行车荷载节点质量的地震力。
具体的，步骤A建立列车行车荷载的通用性表征模型，具体如下：
首先，定义一套能广泛表征列车荷载的格式规则，如图2所示，格式规则如下：
循环输入Ni(Pi,Wi,Di)(i＝1,2,3，···，Ni)，其中，Ni表示循环输入的次数；Pi(i＝1,2,3，···，Ni)为组成列车行车荷载元素的大小(集中荷载单位为kN，分布荷载单位为kN/m)；Wi(i＝1,2,3，···，Ni)为组成列车行车荷载元素的宽度，集中荷载为0，有限长度均布荷载则为实际荷载宽度(m)；Di(i＝1,2,3，···，Ni)为组成列车行车荷载元素的间距(m)；D0为列车行车荷载的起始符号，可用0表示。
其次，用自定义格式定义不同类型铁路列车的荷载，具体格式举例如下：
表1自定义格式表征铁路列车的荷载类型
表中，普列、重载、高铁、城际代表不同类型的铁路所对应的列车荷载；参数D0、N1、P1、W1、D1、N2、P2、W2、D2、N3、P3、W3、D3、N4、P4、W4、D4即为循环输入Ni(Pi,Wi,Di)(i＝1,2,3，···，Ni)的参数。
具体的，步骤D中的行车荷载节点质量含折减。
具体的，步骤A建立列车行车荷载的通用性表征模型，如图2所示。所有的铁路列车行车荷载均可采用图2所示的格式进行表示。如表1所列的普列即代表普通速度列车荷载。利用表1所示的列车行车荷载的通用性表征模型，普通速度列车荷载可用表达式表述为：
5(220,0,1.5)+1(92,30,0)+1(80,20 000,0)(1)
其他类型铁路列车的行车荷载也可基于类似原则进行书写表达式。
具体的，步骤B基于步骤A的列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力，即采用如式(1)所示的列车行车荷载表达式进行典型控制性作用力的计算。
计算时让该表达式所代表的荷载从梁的左端往右端运行，然后再从右端往左端运行。在运行过程中，每间隔一个距离△x(△x为运行计算点的间隔距离)静止一下，计算出此时对应的每一个桥墩位置的支反力。
计算支反力时，可基于力-位移互等定律，并基于位移影响线的概念进行支反力计算。
更具体的，列车来回运行两遍的每一个桥墩的支反力都记录下来，然后利用控制判据选出桥墩和基础设计中起控制性作用的工况。控制判据可用表达式表述如下：
式中，R1，R2，R3，R4分别为左右两孔梁从左边到右边四个墩子对应的支反力，F1，F2，F3，F4即为列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力。
具体的，步骤C构建如图3所示，考虑列车行车的地震力计算模型，计算中，横桥向有车工况计算模型、横桥向无车计算模型、顺桥向有车及无车计算模型的节点数均不同。
对于横桥向有车工况，其列车、梁体及支座均需要布置一个节点。
对于横桥向无车工况，其列车和梁体各布置一个节点。
对于顺桥向有车及无车计算模型，只需在支座布置一个节点。
因此，考虑列车行车的地震力计算模型，可用如下表达式表示：
式中，N0为桥墩及承台基础的总节点数。
具体的，步骤D基于步骤B的列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C的考虑列车行车的地震力计算模型计算地震力，具体计算原则如下：
对于横桥向有车工况，将式(2)中的F1，F2，F3，F4转化成不折减的节点质量，转化公式可表述为：
mi＝Fi/g (i＝1,2,3,4) (4)
式中，mi(i＝1,2,3,4)为F1，F2，F3，F4代表的列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力转化的节点质量。
在计算地震力时，尚需要对mi进行折减，折减系数为0.5。将得到的0.5mi代入如图3所示的考虑列车行车的地震力计算模型中，即可按照规范上的常规地震力计算方法进行计算。
地震力的具体求解过程可以但不限于中国ZL 2020 10671308.4。
又一实施例
将本发明编制入自主铁路桥梁数字化设计平台，图4与图5提供了自主铁路桥梁数字化设计平台与考虑列车行车影响的地震力的计算相关的输入输出界面。
为验证本发明算法的准确性，拟选某铁路的简支梁桥墩进行考虑列车行车对地震力影响计算方法的验证。桥墩为圆端型实体墩，全高8m，其中顶帽0.5m、托盘2.5m、墩身5m。承台尺寸为2.2×4.8×10.4m。桥墩与承台基础设0.2m的横向偏心，桥墩材料为C35混凝土。地震动峰值加速度0.2g，反应谱特征周期0.55，计算对比工况可选用对地震力影响最大的双孔重载进行对比分析。
对比分析采用Midas Civil商业软件进行对比验证，Midas Civil考虑铁路列车性车的作用时，采用Midas Civil自带的查询加载点的方法找到两跨梁共同的桥墩受到活载最重时候的加载点计算出支反力，然后通过设置将其转化为质量点的方法进行加载。MidasCivil模拟单元为空间梁单元。提取自主铁路桥梁数字化设计平台的计算结果和MidasCivil商业软件的计算结果填入表2。其中自主铁路桥梁数字化设计平台的计算结果见图5，Midas Civil商业软件的计算结果可参见图6。图6中的FX，FY，FZ，MX，MY，MZ分别代表纵向地震力、横向地震力、竖向地震力、横向地震弯矩、纵向地震弯矩、地震扭矩。
表2地震力计算结果对比
测试内容 铁路桥梁数字化设计平台 Midas 设计平台/Midas(％)
纵向地震力(kN) 1474.85 1468.50 100.43％
纵向地震弯矩(kN*m) 14270.82 14223.62 100.33％
横向地震力(kN) 2568.23 2550.23 100.71％
横向地震弯矩(kN*m) 28969.20 28821.32 100.51％
由表2可知，自主铁路桥梁数字化设计平台的计算结果与midas的误差都在1％以内，计算结果与商业软件接近，满足工程计算需求。
本发明通过分别建立列车行车荷载的通用性表征模型；建立计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力；构建考虑列车行车的地震力计算模型；基于列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及考虑列车行车的地震力计算模型计算地震力，进而建立了一套完全自主可控的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法。
本发明能够针对交通运输领域的铁路列车行车对地震力影响的计算方法，实现不同类型铁路列车荷载的统一格式表征、控制性工况的快速准确计算以及不同列车行车荷载对地震力影响的准确刻画，用以系统解决准确模拟铁路列车行车对地震力的影响问题。

Claims (8)

1.一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.建立列车行车荷载的通用性表征模型；
B.基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力；
C.构建考虑列车行车的地震力计算模型；
D.基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力。
2.根据权利要求1所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：步骤A建立列车行车荷载的通用性表征模型，具体过程如下：
首先，定义一套能广泛表征列车荷载的格式规则；
然后，用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载。
3.根据权利要求2所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：广泛表征列车荷载的格式规则，具体如下：
首先，定义循环输入的次数，循环输入的次数表示为N i ；
然后，定义列车行车荷载元素的大小，列车行车荷载元素的大小表示为P i (i =1,2,3，•••，N i ) ；
再后，定义组成列车行车荷载元素的宽度，组成列车行车荷载元素的宽度表示为W i (i=1,2,3，•••，N i )；
再后，定义组成列车行车荷载元素的间距，组成列车行车荷载元素的间距表示为D i (i=1,2,3，•••，N i ) ；
最后，得到广泛表征列车荷载的格式规则，如下：
N i (P i , W i , D i )（i=1,2,3，•••，N i ）。
4.根据权利要求2所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：用上述格式规则定义不同类型铁路列车的荷载，具体过程如下：
首先，将格式规则按列进行排布；
然后，将不同类型铁路列车按行进行排布；
最后，不同类型铁路列车的荷载。
5.根据权利要求1所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：步骤B基于步骤A中列车行车荷载的通用性表征模型，计算列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力，具体过程如下：
首先，让步骤A表示的列车行车荷载的通用性表征模型进行每一个桥墩对应位置的支反力计算；
然后，根据高铁列车控制性工况列出各典型控制性作用力的判据；
最后，计算出列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力。
6.根据权利要求5所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：在桥墩对应位置的支反力计算过程中，列车从桥梁的左侧运行到右侧，列车行车荷载的通用性表征模型每隔一个间距进行每一个桥墩对应位置的支反力计算。
7.根据权利要求1所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：步骤C构建考虑列车行车的地震力计算模型，具体过程如下：
首先，建立横桥向有车工况计算模型；
然后，建立横桥向无车计算模型；
最后，建立顺桥向有车及无车计算模型。
8.根据权利要求1所述的一种铁路列车行车对地震力影响的计算方法，其特征在于：步骤D基于步骤B中列车荷载作用于桥墩的典型控制性作用力及步骤C中考虑列车行车的地震力计算模型，计算地震力，，具体过程如下：
首先，将各桥墩对应的典型控制性作用力转化成不折减的节点质量；
然后，计算出横桥向有车工况、横桥向无车工况、顺桥向有车及无车对应的行车荷载节点质量；
最后，计算出包含行车荷载节点质量的地震力。
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