高速铁路无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定方法

1.本发明属于道路与铁道工程技术领域，具体涉及高速铁路无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定方法。


背景技术：

2.截至2020年末，全国铁路运营里程14.6万公里，其中高速铁路里程3.8万公里，中国高速铁路营业里程位居全球第一。高速铁路具有载客安全、舒适方便、能耗低的特点，因此发展高速铁路成为国家能源、环境、交通政策的需要。无砟轨道作为高速铁路的主要结构型式，具有平顺性好、耐久性强、少维修的优点，是未来高铁建设的新方向。明确高速铁路列车荷载作用下路基面动应力的分布模式，是进行高速铁路无砟轨道条件下路基基床结构分析及设计的重要内容。
3.现有路基设计方法中，将无砟轨道路基面动应力简化为横向均匀、纵向近似等腰梯形分布的转向架双轴荷载模式。实际上，列车双轴荷载作用于无砟轨道路基面动应力为转向架两个单轴载作用的叠加，应根据单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系确定路基面转向架双轴荷载纵向分布形态和峰值，而现有的纵向等腰梯形分布的双轴荷载模式并没有考虑纵向分布范围z
′
和转向架轴距l间的关系，对于不同的动车组转向架轴距和无砟轨道结构型式，单轴载叠加效应的结果不同，对应无砟轨道路基面动应力纵向分布形态和峰值也会发生变化。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高速铁路无砟轨道结构路基面列车载荷分布模式确定方法解决了现有技术中没有考虑单轴载叠加效应对列车载荷模式影响的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：高速铁路无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定方法，包括以下步骤：
6.s1、确定动车组通过高速铁路无砟轨道测点时的路基面动应力时程曲线，并将其转化为路基面动应力空间分布曲线；
7.s2、根据路基面动应力空间分布曲线，确定列车单轴荷载作用于无砟轨道结构的单轴荷载路基面动应力纵向分布范围及峰值；
8.s3、由单轴荷载路基面动应力纵向分布范围和转向架轴距的关系，确定转向架荷载路基面动应力纵向形态及峰值，进而确定列车荷载分布模式。
9.进一步地，所述步骤s1中，确定路基面动应力时程曲线的方法具体为：
10.在高速铁路无砟轨道路基面测点埋设土压力传感器，以动车组通过测点的时间为横轴，以土压力传感器测得的动车组通过测点时的动应力为纵轴，确定路基面动应力时程曲线；
11.所述路基面动应力空间分布曲线以动车组在无砟轨道上的行驶距离为横轴，以土
压力传感器测得的动车组通过测点时的动应力为纵轴。
12.进一步地，所述步骤s2中，所述路基面动应力纵向分布范围z
′
：
13.z
′
＝z-l
14.式中，z为列车每个转向架荷载作用于无砟轨道结构路基面时的动应力纵向分布范围，取算术平均值动车组第i个转向架对应的路基面动应力纵向分布范围zi＝v
·
δti，v为动车组行驶速度，δti为测点记录的第i个转向架荷载影响时间，l为动车组转向架的轴距，n为动车组转向架数目。
15.进一步地，所述步骤s2中，列车单轴荷载作用于无砟轨道结构的路基面动应力为三角形动应力，其对应的动应力峰值σd′
为：
[0016][0017]
式中，为列车荷载作用下的路基结构动力系数，b为高速铁路无砟轨道底座或支承层宽度，p0为动车组静轴重。
[0018]
进一步地，所述步骤s3，所述转向架荷载路基面动应力纵向形态包括喇叭形、梯形、双峰形、两个相连的三角形，以及两个不相连的三角形。
[0019]
进一步地，当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足dr《l《z
′
/2时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为喇叭形，dr为动车组车轮直径；
[0020]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
/2时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为梯形；
[0021]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足z
′
/2《l《z
′
时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为双峰形；
[0022]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为两个相连的三角形；
[0023]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l》z
′
时，对应的转向架荷载纵向形态为两个不相连的三角形。
[0024]
进一步地，喇叭形对应的动应力峰值σd计算公式为：
[0025][0026]
梯形、双峰形、两个相连的三角形，以及两个不相连的三角形对应的动应力峰值σd计算公式为：
[0027][0028]
式中，为列车荷载作用下的路基结构动力系数，b为高速铁路无砟轨道底座或支承层宽度，p0为动车组静轴重。
[0029]
本发明的有益效果为：
[0030]
本发明方法通过单轴荷载纵向分布范围和动车组转向架轴距之间的关系确定无砟轨道结构路基面动应力纵向分布形态和动应力峰值，明确了不同无砟轨道结构型式和动
车组车型对路基面动应力纵向分布形态和峰值的影响，具有更广的适用性，是对现有高速铁路无砟轨道基床结构设计方法的改善。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例提供的高速铁路无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定方法流程图。
[0032]
图2为本发明实施例提供的路基面动应力时程和空间分布曲线示意图。
[0033]
图3为本发明实施例提供的路基面动应力五种纵向分布形态和峰值示意图。
具体实施方式
[0034]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0035]
实施例1：
[0036]
本发明实施例针对不同类型的无砟轨道结构形式以及不同型号的动车组车型，根据试验测定和结构分析的方法明确相应的无砟轨道路基面转向架荷载分布形态不能简化为单一的双轴梯形荷载分布模式的特点，提供了一种考虑单轴载叠效应的高速铁路无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0037]
s1、确定动车组通过高速铁路无砟轨道测点时的路基面动应力时程曲线，并将其转化为路基面动应力空间分布曲线；
[0038]
s2、根据路基面动应力空间分布曲线，确定列车单轴荷载作用于无砟轨道结构的单轴荷载路基面动应力纵向分布范围及峰值；
[0039]
s3、由单轴荷载路基面动应力纵向分布范围和转向架轴距的关系，确定转向架荷载路基面动应力纵向形态及峰值，进而确定列车荷载分布模式。
[0040]
本发明实施例的步骤s1中，确定路基面动应力时程曲线的方法具体为：在高速铁路无砟轨道路基面测点埋设土压力传感器，以动车组通过测点的时间为横轴，以土压力传感器测得的动车组通过测点时的动应力为纵轴，确定路基面动应力时程曲线；
[0041]
本发明实施例中的路基面动应力空间分布曲线以动车组在无砟轨道上的行驶距离为横轴，以土压力传感器测得的动车组通过测点时的动应力为纵轴。本发明实施例中的路基面动应力时程曲线和路基面动应力空间分布曲线对比如图2所示，(a)为较小转向架轴距，(b)为较大转向架轴距；从图2中可以看出，图中(a)为较小转向架轴距，即当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足dr《l《z
′
/2时，转向架每个轴载作用在路基面的动应力纵向叠加效应明显，对应的动应力纵向形态为喇叭形；图(b)为较大转向架轴距，即当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足z
′
/2《l《z
′
时，转向架每个轴载作用在路基面的动应力叠加区域较小，对应的动应力纵向形态为双峰形。
[0042]
本发明实施例的步骤s2中，所述路基面动应力纵向分布范围z
′
：
[0043]z′
＝z-l
[0044]
式中，z为列车每个转向架荷载作用于无砟轨道结构路基面时的动应力纵向分布
范围，取算术平均值动车组第i个转向架对应的路基面动应力纵向分布范围zi＝v
·
δti，v为动车组行驶速度，δti为测点记录的第i个转向架荷载影响时间，l为动车组转向架的轴距，n为动车组转向架数目。
[0045]
本发明实施例的步骤s2中，列车单轴荷载作用于无砟轨道结构的路基面动应力为三角形动应力，其对应的动应力峰值σd′
为：
[0046][0047]
式中，为列车荷载作用下的路基结构动力系数，b为高速铁路无砟轨道底座或支承层宽度，p0为动车组静轴重。
[0048]
本发明实施例的步骤s3，如图3所示，转向架荷载路基面动应力纵向形态包括喇叭形、梯形、双峰形、两个相连的三角形，以及两个不相连的三角形。
[0049]
具体地，当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足dr《l《z
′
/2时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为喇叭形，dr为动车组车轮直径；
[0050]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
/2时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为梯形；
[0051]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足z
′
/2《l《z
′
时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为双峰形；
[0052]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
时，对应的转向架荷载路基面动应力纵向形态为两个相连的三角形；
[0053]
当单轴荷载路基面动应力纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l》z
′
时，对应的转向架荷载纵向形态为两个不相连的三角形。
[0054]
本发明实施例中喇叭形对应的动应力峰值为：
[0055][0056]
梯形、双峰形、两个相连的三角形，以及两个不相连的三角形对应的动应力峰值σd计算公式为：
[0057][0058]
式中，为列车荷载作用下的路基结构动力系数，b为高速铁路无砟轨道底座或支承层宽度，p0为动车组静轴重。
[0059]
本发明实施例中，从上述动应力峰值的计算结果中可以看出，当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
/2、z
′
/2《l《z
′
、l＝z
′
和l＝z时，对应的动应力纵向形态分别为梯形、双峰形、两个相连的三角形以及两个不相连的三角形，上述四种荷载作用条件下，对于转向架每个轴载作用在路基面的动应力，在线路纵向方向上应力叠加效应并未影响转向架前后轴载各自的动应力峰值σd′
，因此对于转向架荷载作用在路基面上的动应力，上述四种条件的动应力峰值均相等。虽然上述四种条件下的动应力峰值计算公式虽相同，但由于轴载应力叠加效应的减弱，转向架荷载作用于路基面上动应力
的纵向分布几何形态会发生变化，依次由梯形变化为双峰形、两个相连的三角形以及两个不相连的三角形，且对于同一无砟轨道结构，其路基面动应力纵向分布范围依次增大，因此需要对其纵向形态进行划分。
[0060]
本发明实施例提供了本发明方法能够实现无砟轨道结构路基面列车荷载分布模式确定的工作原理为：对于无砟轨道结构，转向架单轴载作用于路基面的动应力横向分布均匀，纵向分布为三角形。列车荷载作用于无砟轨道路基面动应力为转向架两个单轴载作用的叠加，单轴荷载纵向分布范围和动车组转向架轴距之间关系的不同，相应路基面转向架双轴荷载纵向分布形态和峰值会发生变化。根据应力叠加原理，纵向形态和峰值具体表现为：当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足dr《l《z
′
/2时，对应的动应力纵向形态为喇叭形，应力峰值当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
/2时，对应的动应力纵向形态为梯形，应力峰值当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足z
′
/2《l《z
′
时，对应的动应力纵向形态为双峰形，应力峰值当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l＝z
′
时，对应的动应力纵向形态为两个相连的三角形，应力峰值当单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系满足l》z
′
时，对应的动应力纵向形态为两个不相连的三角形，应力峰值
[0061]
实施例2：
[0062]
在本发明实施例中，采用实施例1中的方法对ctrsⅲ型板式无砟轨道结构路基面动应力荷载分布特征参数的计算过程及结果验证。
[0063]
本发明实施例中的主要数据为：crtsⅲ型板式无砟轨道底座宽度b＝3.1m、高速铁路动车组轴距l＝2.5m、满载静轴重p0＝170kn；根据动应力时程曲线转化的空间分布曲线确定crtsⅲ型板式无砟轨道结构路基面应力纵向影响范围z＝9.0m；取常遇动力系数极限荷载动力系数根据以上数据，得到列车单轴荷载作用于无砟轨道结构路基面纵向分布范围z
′
＝6.5m，由转向架轴距和单轴荷载纵向分布范围z
′
关系式0《l《z
′
/2，确定无砟轨道结构路基面动应力纵向分布形态为喇叭型，常遇荷载动应力峰值极限荷载动应力峰值
[0064]
本发明方法通过单轴荷载纵向分布范围z
′
和动车组转向架轴距l之间的关系确定无砟轨道结构路基面动应力纵向分布形态和应力峰值σd，具有更广的适用性，是对高速铁路无砟轨道基床结构的设计方法的改善。
[0065]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第
一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。