CN117540482B - 一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，涉及铁路工程技术领域，考虑了温度梯度引起的层间刚度动态变化，通过构建无砟轨道温度变形分析模型，计算不同温度梯度环境下无砟轨道上下层结构的翘曲变形，获得层间接触面积的动态变化，再结合列车运营荷载和上层结构的自重荷载，计算层间总刚度，准确确定在不断变化的温度梯度下的层间刚度，从而确保无砟轨道设计参数的科学性与真实性，保障无砟轨道结构设计的安全性，对高速铁路无砟轨道的设计和维护提供支撑数据。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程技术领域，更具体的说是涉及一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法。
背景技术
无砟轨道是高速铁路基础设施的核心组成部分，单元板式无砟轨道将混凝土道床在纵向上进行局部分段，并采用上下层隔离的方式缓解混凝土温度应力，同时提供较好的可维修性，因此对环境温度变化的适应性更强，被广泛应用于大温差地区。在应用过程中，剧烈的环境温度变化不可避免的会在轨道板表面产生强烈的温度梯度，引起轨道板翘曲变形，轨道板翘曲变形后上下层间的接触面积将会随之降低，温度梯度越大，翘曲幅度越大，层间接触面积也将越小。由于层间刚度与层间接触面积呈线性关系，那么层间刚度也就随着温度梯度的变化而变化。现有国内高速铁路无砟轨道层间均为满布的面接触，未见层间设置带状或点状支撑。层间接触面积的降低意味着层间刚度的降低，而在行车过程中，层间接触面积会部分恢复，使得层间接触刚度具备显著的结构非线性特征。这对一般板式无砟轨道而言，层间隔离刚度较大，接触面积降低对整体刚度的影响较小，而对设置了弹性较大的减振型无砟轨道而言，层间接触面积的变化会较大程度影响板下刚度，直接影响减振型无砟轨道的设计减振效果。
目前，现有技术在计算层间刚度问题时均采用静态参数，计算方法为单位面刚度与支撑面积的乘积，从未有方法在选取层间刚度时考虑实际运营中因温度梯度而引起的刚度变化，并且未考虑列车运营过程中层间刚度的动态变化特性。这种静态方法难以应对温度梯度引起的层间刚度的变化，无法真实反映无砟轨道在实际运营中的性能。
因此，如何适应温度梯度变化确定无砟轨道的动态层间刚度变化是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，是一种能够动态适应温度梯度变化的层间刚度取值方法，准确确定在不断变化的温度梯度下的层间刚度，从而确保无砟轨道设计参数的科学性与真实性，保障无砟轨道结构设计的安全性，对高速铁路无砟轨道的设计和维护提供支撑数据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，包括以下步骤：
步骤1：根据无砟轨道层间垫层材料的载荷-位移关系，确定层间设计刚度；
步骤2：获取无砟轨道铺设区域内的温度梯度；
步骤3：采用有限元分析软件结合温度梯度构建无砟轨道温度变形分析模型，根据温度变形分析模型获得不同温度梯度和无砟轨道的自重荷载作用下无砟轨道的上下层结构翘曲变形曲线；
步骤4：根据上下层结构翘曲变形曲线计算无砟轨道的上层结构和下层结构之间的层间接触面积；
步骤5：根据层间接触面积计算层间初始刚度；
步骤6：确定无砟轨道铺设区域内列车运营荷载；
步骤7：将列车运营荷载加载于温度变形分析模型中，获得列车运营荷载作用后的运营上下层结构翘曲变形曲线，根据运营上下层结构翘曲变形曲线计算运营过程中不同温度梯度下的运营层间接触面积；
步骤8：根据运营过程中不同温度梯度下的运营层间接触面积、层间初始刚度和层间设计刚度，计算不同温度梯度下的层间总刚度。
优选的，步骤3中采用有限元分析软件按照单元式无砟轨道的上层结构和下层结构的实际尺寸、材料弹性模量、线膨胀系数、层间接触关系，分别建立上层结构模型和下层结构模型；
根据层间设置的隔离层属性设置上层结构模型和下层结构模型之间的层间可分离接触属性，在层间受压时荷载随着压缩量增加而增加，在层间出现受拉时立刻脱离；上层结构模型和下层结构模型组成温度变形分析模型；
在有限元分析软件中输入不同温度梯度和无砟轨道的上层结构的自重荷载，温度变形分析模型产生相应形变，生成上下层结构翘曲变形曲线。
优选的，步骤4中根据上下层结构翘曲变形曲线、层间设计刚度和自重荷载计算层间接触面积；其中，上下层结构翘曲变形曲线包括上表面变形曲线和下表面变形曲线；上表面变形曲线与下表面变形曲线在层间位置相减后小于0的曲线区域为积分区域，对该区域进行积分所获得的积分区域的面积，其物理意义为层间的等效压缩量，等效压缩量乘以层间设计刚度k等于上层结构的自重荷载P；
式中为上表面变形曲线，/>为下表面变形曲线，k为层间设计刚度，P为上层结构的自重荷载；
由此关系可以反算积分区域的宽度2l，根据积分区域的宽度计算层间接触面积。
优选的，步骤5中层间初始刚度为层间接触面积与层间设计刚度的乘积，表示在温度梯度和自重荷载影响下没有列车经过时的实际层间刚度。
优选的，步骤6中根据无砟轨道铺设区域内线路实际运营列车轴重，确定运营冲击系数，计算列车轴重与运营冲击系数的乘积，获得列车运营荷载。
优选的，步骤7中根据运营上下层结构翘曲变形曲线、层间设计刚度、自重荷载和列车运营荷载计算运营层间接触面积；其中，运营上下层结构翘曲变形曲线包括运营上表面变形曲线和运营下表面变形曲线，运营上表面变形曲线与运营下表面变形曲线在层间位置相减后小于0的曲线区域为积分区域，对积分区域进行积分获得等效压缩量，等效压缩量乘以层间设计刚度等于自重荷载和列车运营荷载之和，根据上述关系反推获得积分区域的宽度，根据积分区域的宽度计算运营层间接触面积。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，目的在于解决现有技术中的问题，即温度梯度导致层间刚度不断变化，而传统的静态设计方法难以应对这种动态性。本发明考虑了温度梯度引起的层间刚度动态变化，提供了更准确的层间刚度数值，反映了实际运营中的情况，因此能更准确地反映实际运营条件下的无砟轨道性能，可以更好地考虑温度梯度对无砟轨道性能的影响，避免在大温度梯度区域内设计无砟轨道时，出现层间设计刚度较大，而实际铺设后层间刚度较小，不满足运营需求，甚至出现安全风险的现象，有助于提高无砟轨道设计的精准性。本发明提出的温度梯度影响无砟轨道层间接触刚度的设计理论为首次提出，并且在实际运营中被证实，可被无砟轨道设计规范采纳，该方法不仅适用于现有的无砟轨道系统评估，还能够用于新的设计，尤其在面临大温度梯度的地区和减振型无砟轨道的设计中具有广泛应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法流程图；
图2为本发明提供的温度变形分析模型温度梯度加载示意图；
图3为本发明提供的温度状态一时轨道结构示意图；
图4为本发明提供的温度状态二时轨道结构示意图；
图5为本发明提供的温度梯度与混凝土收缩荷载下无砟轨道分析模型示意图；
图6为本发明提供的轨道翘曲变形后上下层间的接触面积截面示意图；
图7为本发明提供的正温度梯度下钢轨竖向变形分布示意图；
图8为本发明提供的正温度梯度下轨道板侧边竖向变形分布示意图；
图9为本发明提供的负温度梯度下钢轨竖向变形分布示意图；
图10为本发明提供的负温度梯度下轨道板侧边竖向变形分布示意图；
图11为本发明提供的不同温度梯度条件下层间接触面积示意图；
图12为本发明提供的层间接触面积随着温度梯度变化曲线示意图；
图13为本发明提供的层间接触面积随着温度梯度变化曲线示意图；
图14为本发明提供的不同温度梯度下列车作用于轨道板中部时层间接触面积示意图；
图15为本发明提供的层间接触刚度随列车荷载变化曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，流程如图1所示，包括如下步骤：
S1：确定层间设计刚度；
层间设计刚度是无砟轨道层间垫层材料的固有参数，在现有无砟轨道中，层间垫层通常采用几种典型工程材料，包括土工布、橡胶、聚氨酯等，这些材料的荷载-位移试验数据可用来获取层间设计刚度的数值；
传统计算层间总刚度的方法为：在获得层间设计刚度后，根据该参数和层间垫层的总面积计算层间总刚度；层间总刚度是层间设计刚度与层间总面积的乘积；
S2：获取无砟轨道铺设区域内竖向温度梯度设计值
在设计无砟轨道时，需要考虑铺设区域内竖向温度梯度的影响，这个步骤可以选用参考标准建议值或实测温度梯度值；
S3：获取无砟轨道上层结构在温度梯度和自重共同作用下的变形曲线；
需要建立考虑层间可分离的无砟轨道温度变形分析模型，在建立该模型时选用有限元分析软件，按照单元式无砟轨道的上下层结构的实际尺寸、材料弹性模量、线膨胀系数和层间接触关系，建立三维有限元上层结构模型和下层结构模型,如图5所示，根据层间设置的隔离层属性建立层间可分离的接触属性，该接触属性在层间受压时荷载随着压缩量增加而增加，在层间出现受拉时立刻脱离，即表征层间可分离的结构属性。对上下层结构进行重力方向的加载，并且在上层结构的实体有限元模型中加入温度梯度荷载，产生形变，生成变形曲线，如下示意图2所示。
温度状态一为上层结构的上表面升温幅度高，下表面升温幅度低，此时，受热胀冷缩影响，上表面变形大，下表面变形小，因此呈中部向上鼓曲状态，如图3所示；温度状态二为上层结构的上表面升温幅度低，下表面升温幅度低高，此时，受热胀冷缩影响，上表面变形小，下表面变形大，因此呈中部向下鼓曲状态，如图4所示；
利用该模型可以计算出在不同温度梯度下上层结构的翘曲变形规律，这些变形数据对于后续计算非常关键，因为它们反映了无砟轨道在温度梯度和自重作用下的响应。
S4：获取翘曲变形后上下层间的接触面积；
一旦了解了层间翘曲变形的情况，就可以根据翘曲变形曲线计算上下层结构之间的接触面积；上下层结构翘曲变形曲线包括上表面变形曲线和下表面变形曲线；上下层结构翘曲变形曲线在层间位置处相减后数值小于0的区域为积分区域，对该区域内进行积分，积分结果即为等效压缩量，等效压缩量乘以层间设计刚度等于上层结构的自重荷载，
式中为上表面变形曲线，/>为下表面变形曲线，k为层间设计刚度，P为上层结构的自重荷载；根据此项关系即可求解出积分区域的宽度2l，根据积分区域的宽度计算接触面积的大小，这个参数表示在不同温度梯度下，上下层结构之间的实际接触情况，而非设计状态下的理想情况，如图6所示；
S5：获取温度梯度与自重影响下层间初始刚度；
层间初始刚度是指在没有列车经过时，翘曲变形后的层间刚度，是S5中接触区域面积与层间设计刚度的乘积，它表示在没有列车经过时，实际的层间刚度，考虑了温度梯度和翘曲变形的影响；
S6：确定列车运营荷载；
为了进行进一步的分析，需要根据线路实际运营列车轴重，参考设计规范，明确运营冲击系数，这样，就可以确定列车运营荷载，它是列车轴重与冲击系数的乘积；
S7：获取列车荷载与温度梯度共同作用下无砟轨道层间接触面积；
将列车荷载加载于S4中建立的温度变形分析模型，可以获取温度梯度、自重、列车荷载共同作用下无砟轨道上下层结构翘曲变形曲线，根据上下层结构翘曲变形曲线，参照S5中的接触面积计算方法，对上下层结构翘曲变形曲线在层间位置处相减后数值小于0的积分区域进行积分即为等效压缩量，等效压缩量乘以层间垫层单位面积的层间设计刚度等于上层结构的自重荷载加上列车荷载，根据此项关系即可反算列车荷载与温度梯度共同作用下无砟轨道层间接触面积，这个参数反映了温度梯度、自重、列车荷载共同作用下的实际层间接触情况；
S8：获取温度梯度与列车共同影响下层间总刚度；
根据所获取的列车荷载与温度梯度共同作用下无砟轨道层间接触面积，乘以层间设计刚度，来获取温度梯度与列车共同影响下的层间总刚度，这个参数反映了实际运营条件下的无砟轨道层间刚度，考虑了温度梯度、列车荷载和自重的综合影响。
实施例2
基于上述实施例，在一个具体实施例中，在大温度梯度环境下确定CRTSⅢ型板式无砟轨道的动态层间刚度，具体过程为：
S1：确定层间设计刚度；
CRTSⅢ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土、隔离层、弹性缓冲垫层、底座等构成，上层结构为由轨道板、自密实混凝土浇筑一体的复合板，下层为底座，层间的隔离层材料为土工布，设计单位面积刚度为400MPa/m；
传统方法计算层间总刚度：垫层面积为2.55m×5.6m=14.28㎡，层间总刚度为14.28㎡×400MPa/m=5712kN/mm；
S2：获取无砟轨道铺设区域内竖向温度梯度设计值；
铺设区域内无砟轨道的竖向温度梯度设计值选用《高速铁路设计规范》中的建议最大正负温度梯度值，分别取+90℃/m、-45℃/m；
S3：获取无砟轨道上层结构在温度梯度和自重共同作用下的变形曲线；
建立考虑层间关系的无砟轨道静力分析模型，如图5所示，为考虑扣件对轨道板温度变形的限制，模型中建立钢轨为CHN60标准轨，扣件类型为WJ-8型扣件，扣件间距为0.63m，每组扣件提供的最大纵向阻力为9.0kN，横向静刚度为50kN·mm-1，垂向静刚度为35kN·mm-1，动静刚度比取1.5；轨道板材料为C60混凝土，长宽高分别为5.6m×2.5m×0.2m；自密实混凝土材料属性与C40混凝土一致，厚度为0.09m，平面尺寸与轨道板一致，自密实混凝土底部预留两个长宽高分别为1.0m×0.7m×0.1m的凸台，与底座板上同尺寸凹槽榫接；底座板为C40现浇混凝土，长宽高分别为11.27m×3.1m×0.2m；轨道板下预留门型筋与自密实混凝土浇筑为一体形成复合板，设置土工布隔离层使得复合板与底座间隔离；正温度梯度下钢轨竖向变形分布如图7所示，正温度梯度下轨道板侧边竖向变形分布如图8所示，负温度梯度下钢轨竖向变形分布如图9所示，负温度梯度下轨道板侧边竖向变形分布如图10所示；
S4：获取翘曲变形后上下层间的接触面积；
根据S3中的轨道板变形曲线，通过层间接触关系算法，获取不同翘曲变形下层间接触面积如图11所示，图11中（a）是温度梯度为0时的层间接触面积，图11中（b）是温度梯度为+90℃/m时的层间接触面积，图11中（c）是温度梯度为-45℃/m时的层间接触面积；层间接触面积随着温度梯度变化曲线如图12所示；
S5：获取温度梯度与自重影响下层间初始刚度；
根据层间接触面积与层间设计单位面积刚度的乘积，计算出不同温度梯度下层间接触刚度曲线，如图13所示；
S6：确定列车运营荷载；
根据《高速铁路设计规范》，选用列车设计轴重170kN，荷载冲击系数3.0，因此运营荷载取单轴170kN×3.0=510kN；
S7：获取列车荷载与温度梯度共同作用下无砟轨道层间接触面积；
将列车荷载510kN加载于S4建立的温度变形分析模型，可以获取温度梯度、自重、列车荷载共同作用下无砟轨道层间接触面积，温度变形分析模型如图14所示，图14中（a）是温度梯度为0时的层间接触面积，图14中（b）是温度梯度为+90℃/m时的层间接触面积，图14中（c）是温度梯度为-45℃/m时的层间接触面积；
S8：获取温度梯度与列车共同影响下层间总刚度；
将列车荷载分别作用于不同位置，计算层间接触刚度随列车荷载变化过程如下图15所示；
由此，获取层间设计总刚度为5712kN/mm，无车时，温度梯度+90℃/m时层间总刚度667.4kN/mm，温度梯度-45℃/m时层间总刚度为2058.0kN/mm，有车时，度梯度+90℃/m时层间总刚度4095.8kN/mm，温度梯度-45℃/m时层间总刚度为3971.2kN/mm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据无砟轨道层间垫层材料的载荷-位移关系，确定层间设计刚度；
步骤2：获取无砟轨道铺设区域内的温度梯度；
步骤3：采用有限元分析软件结合温度梯度构建无砟轨道温度变形分析模型，根据温度变形分析模型获得不同温度梯度和无砟轨道的自重荷载作用下无砟轨道的上下层结构翘曲变形曲线；采用有限元分析软件按照单元式无砟轨道的上层结构和下层结构的实际尺寸、材料弹性模量、线膨胀系数、层间接触关系，分别建立上层结构模型和下层结构模型；根据层间设置的隔离层属性设置上层结构模型和下层结构模型之间的层间可分离接触属性，在层间受压时荷载随着压缩量增加而增加，在层间出现受拉时立刻脱离；上层结构模型和下层结构模型组成温度变形分析模型；
步骤4：根据上下层结构翘曲变形曲线计算无砟轨道的上层结构和下层结构之间的层间接触面积；
步骤5：根据层间接触面积计算层间初始刚度；
步骤6：确定无砟轨道铺设区域内列车运营荷载；
步骤7：将列车运营荷载加载于温度变形分析模型中，获得列车运营荷载作用后的运营上下层结构翘曲变形曲线，根据运营上下层结构翘曲变形曲线计算运营过程中不同温度梯度下的运营层间接触面积；
步骤8：根据运营过程中不同温度梯度下的运营层间接触面积、层间初始刚度和层间设计刚度，计算不同温度梯度下的层间总刚度。
2.根据权利要求1所述的一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，步骤3中在有限元分析软件中输入不同温度梯度和无砟轨道的上层结构的自重荷载，温度变形分析模型产生相应形变，获得上下层结构翘曲变形曲线。
3.根据权利要求1所述的一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，步骤4中根据上下层结构翘曲变形曲线、层间设计刚度和自重荷载计算层间接触面积；其中，上下层结构翘曲变形曲线包括上表面变形曲线和下表面变形曲线；上表面变形曲线与下表面变形曲线在层间位置相减后小于0的曲线区域为积分区域，对积分区域进行积分获得等效压缩量，等效压缩量乘以层间设计刚度等于上层结构的自重荷载，根据积分区域的宽度计算层间接触面积。
4.根据权利要求1所述的一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，步骤5中层间初始刚度为层间接触面积与层间设计刚度的乘积。
5.根据权利要求1所述的一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，步骤6中根据无砟轨道铺设区域内线路实际运营列车轴重，确定运营冲击系数，计算列车轴重与运营冲击系数的乘积，获得列车运营荷载。
6.根据权利要求2所述的一种大温度梯度环境下无砟轨道层间动态刚度确定方法，其特征在于，步骤7中根据运营上下层结构翘曲变形曲线、层间设计刚度、自重荷载和列车运营荷载计算运营层间接触面积；其中，运营上下层结构翘曲变形曲线包括运营上表面变形曲线和运营下表面变形曲线，运营上表面变形曲线与运营下表面变形曲线在层间位置相减后小于0的曲线区域为积分区域，对积分区域进行积分获得等效压缩量，等效压缩量乘以层间设计刚度等于自重荷载和列车运营荷载之和，根据积分区域的宽度计算运营层间接触面积。
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| CN109255153A (zh) * | 2018-08-10 | 2019-01-22 | 北京交通大学 | 无砟轨道结构配筋检算优化方法 |
| WO2020186507A1 (zh) * | 2019-03-20 | 2020-09-24 | 东北大学 | 一种基于动态强度折减dda法的边坡稳定性分析系统 |
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