高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法

专利名称：高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法
技术领域：
本发明涉及一种铁道工程设计技术领域，尤其涉及一种高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法。
背景技术：
目前，多条高速铁路客运专线的桥上铺设了CRTS I型板式或双块式无砟轨道无缝线路。铺设无砟轨道后，梁轨相互作用机理及计算模型等与传统的有砟轨道有明显的不同；不同无砟轨道结构形式之间，梁轨相互作用关系也不尽相同。特别是在大跨度连续梁上采用CRTS I型板式或双块式无砟轨道结构之后，其梁轨相互作用机理更加复杂。现有技术中，对于CRTS I型板式和双块式无砟轨道结构的设计与施工进行了一些理论与试验研究，但针对长大桥梁上铺设的CRTS I型板式和双块式无砟轨道无缝线路 的研究相对较少，在设计和参数的选择上面临着新的难题。

发明内容
本发明的目的是提供一种能对不同形式无砟轨道结构的轨道参数和桥梁参数等设计因素的影响规律进行计算与分析的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，该方法包括应用ANSYS软件对钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用ABAQUS软件对高速车辆、CRTS I型板式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析；应用ANSYS软件对钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用ABAQUS软件对高速车辆、双块式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析。 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，由于基于有限元方法，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式和双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静、动力学模型，对不同形式无砟轨道结构的轨道参数和桥梁参数等设计因素的影响规律进行了计算与分析，对相关设计提出有益的补充，可以弥补高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路研究的不足，有助于形成高速铁路长大桥梁无砟轨道的技术条件，完善高速铁路技术体系，研究成果将直接服务于高速铁路的建设，具有重要的理论与现实意义。


图I为框架型标准轨道板实体单元模型图。图2为框架型梁端轨道板实体单元模型图。图3为整体型标准轨道板实体单元模型图。图4为整体型梁端轨道板实体单元模型图。图5为轨道板和砂浆充填层实体单元模型图。
图6为桥上底座板及圆形凸形挡台实体单元模型图。图7为梁端底座板及半圆形凸形挡台实体单元模型图。图8为凸形挡台周围树脂填充层实体单元模型图。图9为32m简支箱梁实体单元模型图。图10为(80+128+80) m连续箱梁实体单元模型图。图11为桥上CRTS I型框架型板式无砟轨道结构静力学模型图。图12为桥上CRTS I型整体型板式无砟轨道结构静力学模型图。图13为高速车辆整体模型图。图14为钢轨实体单元模型图。图15为框架型标准轨道板实体单元模型图。图16为框架型梁端轨道板实体单元模型图。图17为整体型标准轨道板实体单元模型图。图18为整体型梁端轨道板实体单元模型图。图19为轨道板和砂浆充填层实体单元模型图。图20为桥上底座板及圆形凸形挡台实体单元模型图。图21为梁端底座板及半圆形凸形挡台实体单元模型图。图22为凸形挡台及周围树脂填充层实体单元模型图。图23为32m简支箱梁实体单元模型图。图24为(80+128+80) m连续箱梁实体单元模型图。图25为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型正视图。图26为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型整体图。图27为道床板及顶面双块式轨枕实体单元模型图。图28为道床板及底面凸形挡台实体单元模型图。图29为底座板和限位凹槽实体单元模型图。图30为路基上支撑层实体单元模型图。图31为桥上双块式无砟轨道结构静力学模型图。图32为道床板及顶面双块式轨枕实体单元模型图。图33为道床板及底面凸形挡台实体单元模型图。
图34为底座板和限位凹槽实体单元模型图。图35为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型正视图。图36为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型整体图。图37为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路不同扣件纵向阻力条件下钢轨伸缩力比较图。图38为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路不同扣件纵向阻力条件下钢轨伸缩位移比较图。图39为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路不同连续梁桥墩纵向刚度条件下钢轨制动力比较图。图40为高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路不同连续梁桥墩纵向刚度条件下钢轨制动位移比较图。图41为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路轮轨垂向力时程图。图42为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路轮轨横向力时程图。图43为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路轮轴横向力时程图。图44为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路脱轨系数时程图。图45为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路轮重减载率时程图。图46为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路车体垂向加速度时程图。图47为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路车体横向加速度时程图。图48为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路钢轨加速度时程图。图49为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路钢轨垂向位移时程图。图50为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路钢轨横向位移时程图。图51为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路道床板垂向加速度时程图汇
O图52为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路道床板动应力时程图汇总。图53为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路底座板垂向加速度时程图汇
O图54为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路底座板动应力时程图汇总。图55为高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路桥梁挠度时程图汇总。
具体实施例方式本发明提供高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法。以下结合实施例和附图对本发明的内容作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。本发明的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，该方法包括应用ANSYS软件对钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；
应用ABAQUS软件对高速车辆、CRTS I型板式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析；应用ANSYS软件对钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用ABAQUS软件对高速车辆、双块式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析。应用ANSYS软件建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型，主要考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、桥梁及桥墩等结构的组成。具体如下
(I)钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数。钢轨按照支承节点划分单元，可全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。(2)扣件采用弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度。扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度均可根据实测值取值。(3)轨道板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑轨道板的几何尺寸和物理属性。对于温暖及寒冷地区，采用框架型轨道板结构；对于严寒地区，采用整体型轨道板结构。根据所在位置的不同，轨道板又分为布置于桥上的标准轨道板和布置于梁端的梁端轨道板。框架型的标准轨道板和梁端轨道板实体单元模型如图I和图2所示，整体型的标准轨道板和梁端轨道板实体单元模型如图3和图4所示。(4)砂浆充填层采用实体单元进行模拟，可以全面考虑砂浆层的几何尺寸和物理属性。轨道板和砂浆充填层的实体单元模型如图5所示。( 5 )采用实体单元模拟底座板、凸形挡台及周围树脂填充层，可以全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性。凸形挡台分为桥上的圆形和梁端的半圆形两种。桥上和梁端的底座板及凸形挡台的实体单元模型如图6和图7所示，树脂填充层的实体单元模型如图8所示。( 6 )桥梁采用实体单元进行模拟，可以全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。32m简支箱梁的实体单元模型如图9所示，(80+128+80)m连续箱梁的实体单元模型如图10所示。(7)考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟。桥上CRTS I型板式无砟轨道结构静力学模型如图11和图12所示。根据本发明所建立的高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析，可以计算得到在温度变化、挠曲作用和制动条件下，采用不同扣件纵向阻力、桥梁温差、无砟轨道结构温差、树脂填充层弹性模量、砂浆充填层弹性模量、连续梁桥墩纵向刚度、连续梁桥跨长度等条件下的钢轨最大纵向力，轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层最大应力，连续梁桥墩最大纵向力，钢轨、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层最大纵向位移，梁缝最大纵向变化量，桥梁最大垂向位移等。
本发明的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，应用ABAQUS软件建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型，主要考虑高速车辆(包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等)、CRTS I型板式无砟轨道无缝线路(包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层等)和长大桥梁(包括简支箱梁、连续箱梁和桥墩)等结构的组成。具体如下( I)高速车辆为多刚体模型，由车体、转向架、轮对、一系悬挂(轴箱悬挂)和二系悬挂(中央悬挂)等部分组成。高速车辆的整体模型如图13所示。(2)钢轨选用实体单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数。钢轨按照较小的长度划分单元，以满足动力学计算的需要，可以全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。钢轨上施加现场实测不平顺轨道谱，并考虑钢轨底下的轨底坡。钢轨实体单元模型如图14所示。(3)扣件采用弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚 度。动力计算时扣件动刚度按I. 5倍静刚度取值。(4)轨道板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑轨道板的几何尺寸和物理属性。框架型的标准轨道板和梁端轨道板实体单元模型分别如图15和图16所示，整体型的标准轨道板和梁端轨道板实体单元模型分别如图17和图18所示。(5)砂浆充填层采用实体单元进行模拟，可以全面考虑砂浆层的几何尺寸和物理属性。轨道板和砂浆充填层的实体单元模型如图19所示。( 6 )采用实体单元模拟底座板、凸形挡台及周围树脂填充层，可以全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性。桥上和梁端的底座板及凸形挡台的实体单元模型如图20和图21所示，凸形挡台及周围树脂填充层的实体单元模型如图22所示。( 7 )桥梁采用实体单元进行模拟，可以全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。32m简支箱梁的实体单元模型如图23所示，(80+128+80) m连续箱梁的实体单元模型如图24所示。由以上各部分组成的高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型如图25和图26所示。根据本发明所建立的高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析，可以计算得到各项动力学安全性指标(包括轮轨垂向和横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体垂向和横向加速度)、钢轨动力学计算结果(包括钢轨加速度、垂向和横向位移、轨距和轨向变化量)、无砟轨道结构动力学计算结果(包括轨道板垂向加速度、垂向位移、动应力，砂浆层垂向加速度、垂向位移、动应力，底座板垂向加速度、垂向位移、动应力，凸形挡台动应力，树脂填充层动应力)、桥梁动力学计算结果(包括桥梁垂向和横向加速度、桥梁挠度、梁端转角)等。本发明的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，应用ANSYS软件建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型，主要考虑钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩等结构的组成。具体如下(I)钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数。钢轨按照支承节点划分单元，可全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。
(2)扣件采用弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度。扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度均可根据实测值取值。(3)双块式轨枕和道床板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性。道床板底下设置凸向底座板方向的凸形挡台传递纵横向力，桥上每块道床板底下设两个凸形挡台。双块式轨枕和道床板的实体单元模型如图27和图28所示。
(4)在桥梁地段的道床板下铺设底座板，底座板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑底座板的几何尺寸和物理属性。道床板与底座板之间设置聚丙烯土工布中间隔离层。在底座板上设置限位凹槽，通过限位凹槽，道床板将所承受的纵、横向荷载由凸形挡台传递给底座板。限位凹槽周围垂直侧面设置高弹橡胶垫板。底座板和限位凹槽的实体单元模型如图29所示。( 5 )路基上采用道床板加支撑层的结构，支撑层采用实体单元进行模拟，可以全面考虑支撑层的几何尺寸和物理属性。路基上支撑层的实体单元模型如图30所示。( 6 )桥梁采用实体单元进行模拟，可以全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。32m简支箱梁的实体单元模型如图9所示，(80+128+80)m连续箱梁的实体单元模型如图10所示。(7)考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟。桥上双块式无砟轨道结构静力学模型如图31所示。根据本发明所建立的高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析，可以计算得到在温度变化、挠曲作用和制动条件下，采用不同扣件纵向阻力、桥梁温差、无砟轨道结构温差、橡胶垫板刚度、隔离层摩擦系数、连续梁桥墩纵向刚度、连续梁桥跨长度等条件下的钢轨最大纵向力，道床板和底座板最大应力，连续梁桥墩最大纵向力，钢轨、道床板和底座板最大纵向位移，梁缝最大纵向变化量，桥梁最大垂向位移等。本发明的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，应用ABAQUS软件建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型，主要考虑高速车辆(包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等)、双块式无砟轨道无缝线路(包括钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽和橡胶垫板等)和长大桥梁(包括简支箱梁、连续箱梁和桥墩)等结构的组成。具体如下( I)高速车辆为多刚体模型，由车体、转向架、轮对、一系悬挂(轴箱悬挂)和二系悬挂(中央悬挂)等部分组成。高速车辆的整体模型如图13所示。(2)钢轨选用实体单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数。钢轨按照较小的长度划分单元，以满足动力学计算的需要，可以全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。钢轨上施加现场实测不平顺轨道谱，并考虑钢轨底下的轨底坡。钢轨实体单元模型如图14所示。(3)扣件采用弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度。动力计算时扣件动刚度按I. 5倍静刚度取值。(4)双块式轨枕和道床板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑各种结构的几何尺寸和物理属性。道床板下设置限位用的凸形挡台。双块式轨枕和道床板的实体单元模型如图32和图33所示。
(5)底座板采用实体单元进行模拟，可以全面考虑底座板的几何尺寸和物理属性。道床板与底座板之间设置的聚丙烯土工布中间隔离层采用罚函数接触进行模拟，限位凹槽与凸形挡台之间的橡胶垫板采用线性接触刚度进行模拟。底座板和限位凹槽的实体单元模型如图34所示。(6)桥梁采用实体单元进行模拟，可以全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。32m简支箱梁的实体单元模型如图23所示，(80+128+80) m连续箱梁的实体单元模型如图24所示。由以上各部分组成的高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型如图35和图36所示。根据本发明所建立的高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间·耦合动力学模型进行动力学分析，可以计算得到各项动力学安全性指标(包括轮轨垂向和横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体垂向和横向加速度)、钢轨动力学计算结果(包括钢轨加速度、垂向和横向位移、轨距和轨向变化量)、无砟轨道结构动力学计算结果(包括道床板垂向加速度、垂向位移、动应力，底座板垂向加速度、垂向位移、动应力)、桥梁动力学计算结果(包括桥梁垂向和横向加速度、桥梁挠度、梁端转角)等。实施例I :本实施例采用本发明所建立的高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析，比较分析扣件纵向阻力分别为4. OkN/组、6. OkN/组、8. OkN/组和10. OkN/组时的主要温度力和位移计算结果。不同的扣件纵向阻力条件下的钢轨受力和钢轨位移比较如图37和图38所示。不同扣件纵向阻力条件下的主要温度力和位移计算结果比较见表I和表2。表I :不同扣件纵向阻力条件下主要受力计算结果比较
扣件纵向钢轨最大轨道板最砂浆充填底座板最 形挡台树脂填充
阻力/kN/纵向力/ 大南.力/层最大应大)、V:力/最大)、V:力层最大丨、V: * .
组 kN MPa 力 /MPa MPa /MPa Jj /.MPa________kN
4.0392.294 4.001 0.119 26.378 2.587 0.515 667.870
6.0476.294 4.001 0.120 26.343 2.573 0.515 713.700
8.0540.394 4.005 0.123 26.324 2.558 0.514 756.010
10.0I 573.094 | 4-010 | 0.124 | 26.321 | 2.544 | 0.514 | 770.920—表2 :不同扣件纵向阻力条件下主要位移计算结果比较
扣件纵向钢轨最大轨道板最frf底座板最梁缝最大阻力/kN/纵向位移大纵向位大纵向位纵向变化
组/腿移/腿11位移y移，/誦 k#/ -位移z最Λ腿
mmmmmm
4.026.821 41.529 41.459 41.401 41.529 41.529 31.234
6.029.183 41.156 41.078 41.031 41.157 41.157 28.662
8.0__30.599 40.845 40.769 40.723 40.847 40.847 26.999
10 0 I 31.453 I 40.801 | 40 726 | 40.681 | 40 804 | 40 804 丨 26.408 —
由以上图表对比分析得出，在温度变化的条件下，通过在桥上采用小阻力扣件即减小桥上扣件的纵向阻力，可以明显降低钢轨最大纵向附加力及部分轨道和桥梁结构的受力，保证轨道和桥梁结构的安全使用。但为了防止钢轨爬行或者在低温断轨时钢轨断缝值过大，扣件纵向阻力也不宜太小。当扣件纵向阻力较小时，在长大桥梁的梁端处，扣件的爬行量较大，需要重点加以关注，以防止扣件胶垫脱出造成扣件失效。实施例2:本实施例采用本发明所建立的高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析，比较分析连续梁桥墩纵向刚度分别为2600kN/cm、3600kN/cm和4600kN/cm时的主要制动力和位移计算结果。不同的连续梁桥墩纵向刚度条件下的钢轨受力和钢轨位移比较如图39和图40所示。不同连续梁桥墩纵向刚度条件下的主要制动力和位移计算结果比较见表3和表4。表3 :不同连续梁桥墩纵向刚度条件下主要受力计算结果比较
钢轨最大轨道板Jft砂m充填；&座板最IjtI形挡台树.脂!真充
域会向刚纵向力/大应力/层S大应大应力I S大应力层fi大应
上,kNMPa 力 /MPa MPa /MPa 力 /MPa
kN/cmkN
2600 310.389 0.118 0.006 0.577 0.044— 0.012 439.210
3600 281.218 0.144 0.006 0.609 0.041 0.013 487.520
4600 I 218.957 | 0.148 | 0.006 | 0.640 | 0.030 | 0.014 | 522.090—表4 :不同连续梁桥墩纵向刚度条件下主要位移计算结果比较
钢轨JS大MfcsSSS 5 梁缝最大
纵向位移大纵向位大纵向位纵向变化
/ ,向位移/ 秒,位移/ 向位移/ P ,
,, / mrn移 /mm移 / mm单 / mm
kN/cmmmmmrmn
2600~ 17.978— 17.736— 17.734— 17.732 ~ 17.711 17.735 3.936
3600 14.723 14.484 14.483 14.481 14.465 14.484 2.587
4600 12.601 12.366 12.364 12—362 12.356 12.366 1.808 —由以上图表对比分析得出，在列车制动条件下，增大连续梁的桥墩纵向刚度，有利于控制钢轨受力以及轨道和桥梁结构的变形，但部分轨道结构和桥墩的受力会有所上升。因此，应根据实际需要对桥墩尺寸进行设计，以避免材料的浪费。实施例3:本实施例采用本发明所建立的高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析，计算得到轮轨垂向和横向力的时程曲线如图41和图42所示，轮轨垂向力最大值为129. 242kN，轮轨横向力最大值为13. 344kN。根据轮轨横向力计算得到的轮轴横向力时程曲线如图43所示，最大值为7. 061kN。根据轮轨垂向和横向力计算得到的脱轨系数和轮重减载率的时程曲线如图44和图45所示，脱轨系数最大值为O. 152，轮重减载率最大值为O. 567。计算得到车体的垂向和横向加速度的时程曲线如图46和图47所示，车体垂向加速度的最大值为O. 045g，横向加速度的最大值为O. 024g。计算得到钢轨加速度时程曲线如图48所示，最大值为273. 805g。计算得到钢轨垂向(绝对)位移时程曲线如图49所示，最大值为3. 527mm。计算得到钢轨横向位移时程曲线如图50所示，最大值为O. 366mm。根据计算得到的钢轨横向位移，可以算得轨距和轨向变化量，轨距变化量最大值为O. 421mm，轨向变化量最大值为O. 277mm。计算得到连续梁上不同位置处道床板垂向加速度的时程曲线汇总如图51所示，最大值为3. 306g ;连续梁上不同位置处道床板动应力的时程曲线汇总如图52所示，最大值为O. 223MPa ;连续梁上不同位置处底座板垂向加速度的时程曲线汇总如图53所示，最大值为I. 884g;连续梁上不同位置处底座板动应力的时程曲线汇总如图54所示，最大值为O. 259MPa。计算得到连续梁上不同位置处桥梁挠度的时程曲线如图55所示，桥梁挠度最大值为2. 785mm。计算得到连续梁梁端转角的最大值为O. 032%。rad。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，该方法包括应用ANSYS软件对钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用ABAQUS软件对高速车辆、CRTS I型板式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析；应用ANSYS软件对钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹 槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道 无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析；应用ABAQUS软件对高速车辆、双块式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构进行模拟仿真，建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析。
2.根据权利要求I所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用ANSYS软件建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型，主要考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、桥梁及桥墩的结构组成，具体包括(1)钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩；钢轨按照支承节点划分单元，考虑纵、横、垂向线位移及转角；(2)扣件采用弹簧单元进行模拟，考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度；扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度根据实测值取值；(3)轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；(4)桥梁采用实体单元进行模拟，考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性；考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟。
3.根据权利要求2所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用所述高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析时，计算得到以下数据在温度变化、挠曲作用和制动条件下，采用不同扣件纵向阻力、桥梁温差、无砟轨道结构温差、树脂填充层弹性模量、砂浆充填层弹性模量、连续梁桥墩纵向刚度、连续梁桥跨长度等条件下的钢轨最大纵向力，轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层最大应力，连续梁桥墩最大纵向力，钢轨、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层最大纵向位移，梁缝最大纵向变化量，桥梁最大垂向位移。
4.根据权利要求I所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用ABAQUS软件建立高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型，主要考虑高速车辆、CRTS I型板式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构组成，所述高速车辆包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂，所述CRTS I型板式无砟轨道无缝线路包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台和树脂填充层，所述长大桥梁包括简支箱梁、连续箱梁和桥墩，具体包括(1)高速车辆为多刚体模型，由车体、转向架、轮对、一系悬挂、二系悬挂组成；(2)钢轨选用实体单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩；钢轨按照较小的长度划分单元，以满足动力学计算的需要，考虑纵、横、垂向线位移及转角；钢轨上施加现场实测不平顺轨道谱，并考虑钢轨底下的轨底坡；(3)扣件采用弹簧单元进行模拟，考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度；(4)轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；(5)桥梁采用实体单元进行模拟，考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。
5.根据权利要求4所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用所述高速铁路长大桥梁CRTS I型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析时，计算得到以下数据动力学安全性指标包括轮轨垂向和横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体垂向和横向加速度；钢轨动力学计算结果包括钢轨加速度、垂向和横向位移、轨距和轨向变化量；无砟轨道结构动力学计算结果包括轨道板垂向加速度、垂向位移、动应力，砂浆层垂向加速度、垂向位移、动应力，底座板垂向加速度、垂向位移、动应力，凸形挡台动应力，树脂填充层动应力；桥梁动力学计算结果包括桥梁垂向和横向加速度、桥梁挠度、梁端转角。
6.根据权利要求I所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用ANSYS软件建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型，主要考虑钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩的结构组成，具体包括(1)钢轨选用梁单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩；钢轨按照支承节点划分单元，考虑纵、横、垂向线位移及转角；(2)扣件采用弹簧单元进行模拟，考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度；扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度根据实测值取值；(3 )双块式轨枕、道床板和底座板采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；道床板与底座板之间设置聚丙烯土工布中间隔离层；道床板底下设置凸向底座板方向的凸形挡台，在底座板上设置限位凹槽；通过限位凹槽，道床板将所承受的纵、横向荷载由凸形挡台传递给底座板；限位凹槽周围垂直侧面设置高弹橡胶垫板；(4 )路基上采用道床板加支撑层的结构，支撑层采用实体单元进行模拟，考虑支撑层的几何尺寸和物理属性；(5)桥梁采用实体单元进行模拟，考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性；考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟。
7.根据权利要求6所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用所述高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型进行静力学分析时，计算得到以下数据在温度变化、挠曲作用和制动条件下，采用不同扣件纵向阻力、桥梁温差、无砟轨道结构温差、橡胶垫板刚度、隔离层摩擦系数、连续梁桥墩纵向刚度、连续梁桥跨长度条件下的钢轨最大纵向力，道床板和底座板最大应力，连续梁桥墩最大纵向力，钢轨、道床板和底座板最大纵向位移，梁缝最大纵向变化量，桥梁最大垂向位移。
8.根据权利要求I所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用ABAQUS软件建立高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型，主要考虑高速车辆、双块式无砟轨道无缝线路和长大桥梁的结构组成，所述高速车辆包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂，所述双块式无砟轨道无缝线路包括钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、凸形挡台、隔离层、底座板、限位凹槽和橡胶垫板，所述长大桥梁包括简支箱梁、连续箱梁和桥墩，具体包括(1)高速车辆为多刚体模型，由车体、转向架、轮对、一系悬挂、二系悬挂组成；(2)钢轨选用实体单元进行模拟，按实际截面属性建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩；钢轨按照较小的长度划分单元，以满足动力学计算的需要，考虑纵、横、垂向线位移及转角；钢轨上施加现场实测不平顺轨道谱，并考虑钢轨底下的轨底坡；(3)扣件采用弹簧单元进行模拟，考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度；(4 )双块式轨枕、道床板和底座板采用实体单元进行模拟，考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；道床板下设置限位用的凸形挡台；道床板与底座板之间设置的聚丙烯土工布中间隔离层采用罚函数接触进行模拟，限位凹槽与凸形挡台之间的橡胶垫板采用线性接触刚度进行模拟；(5)桥梁采用实体单元进行模拟，可以全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理属性。
9.根据权利要求8所述的高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，其特征在于，应用所述高速铁路长大桥梁双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型进行动力学分析时，计算得到以下数据动力学安全性指标包括轮轨垂向和横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体 垂向和横向加速度；钢轨动力学计算结果包括钢轨加速度、垂向和横向位移、轨距和轨向变化量；无砟轨道结构动力学计算结果包括道床板垂向加速度、垂向位移、动应力，底座板垂向加速度、垂向位移、动应力；桥梁动力学计算结果包括桥梁垂向和横向加速度、桥梁挠度、梁端转角。
全文摘要
本发明公开了一种高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路设计方法，应用ANSYS软件和ABAQUS软件分别建立高速铁路长大桥梁CRTS Ⅰ型板式或双块式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合静力学模型和纵横垂向空间耦合动力学模型。考虑了钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台及周围树脂填充层、双块式轨枕、道床板、隔离层、限位凹槽、橡胶垫板、支撑层、桥梁及桥墩等结构的组成以及高速车辆的作用，可以对不同扣件纵向阻力、桥梁温差、无砟轨道结构温差、树脂填充层弹性模量、砂浆充填层弹性模量、橡胶垫板刚度、隔离层摩擦系数、连续梁桥墩纵向刚度、连续梁桥跨长度等条件下的伸缩力、挠曲力和制动力进行计算，可以得到轨道和桥梁各细部结构的受力与变形。适用于高速铁路长大桥梁单元式无砟轨道无缝线路的设计与检算，可以为高速铁路的设计与养护维修提供服务。
文档编号E01D19/12GK102852090SQ20121033100
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者高亮, 曲村, 蔡小培, 乔神路, 杨文茂, 赵磊 申请人:北京交通大学