[发明专利]一种桥上无缝道岔结构体系及其动力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无缝道岔结构体系的动力分析方法，属于铁道工程应用计算与设计技术领域。

背景技术

新建客运专线、高速铁路由于采用全封闭行车模式、线路平纵面参数限制严格以及轨道平顺性要求高，桥梁所占比例明显增大。受到环保、地形和地质等条件的限制，一些客运专线、高速铁路车站需要采用高架形式，这样就会有相当数量的道岔必须设置在高架桥上，如郑西客运专线新渭南车站、哈大客运专线四平车站以及京沪高速铁路无锡、苏州车站等。由于将道岔所有的接头进行焊连、形成无缝道岔体系是提高道岔及部件使用寿命、提高列车的安全平稳性、降低振动与噪声等的重要措施之一，因此客运专线、高速铁路高架车站上的道岔必须焊连成无缝道岔，这就形成了桥上无缝道岔结构系统。

建立科学合理的桥上无缝道岔动力分析模型，对桥上无缝道岔系统进行动力分析，是高速铁路桥上无缝道岔理论研究中的重点和难点之一。由于桥上无缝道岔必须满足高速列车安全平稳运行、无缝道岔结构本身的正常安全使用、桥梁结构合理受力等多方面需要，桥上无缝道岔系统不仅综合了桥上无缝线路、一般无缝道岔以及大跨度桥梁的技术特点，而且衍生出一系列新的技术难点。与路基上的普通道岔及一般桥上无缝线路相比，桥上无缝道岔的力学特性更加复杂，这就对其设计、铺设与维护等诸方面都提出了更严格的要求。目前，国内外桥上无缝道岔的应用技术还很缺乏，尤其表现在桥上无缝道岔梁轨相互作用机理、动力学特性变化规律等方面，桥上无缝道岔技术已经成为亟待解决的 关键问题之一。

由于既要考虑岔区复杂的轮轨接触关系，又要反映道岔、桥梁的振动特性，传统方法往往采用自编程序的建模方法，对道岔和桥梁结构都进行了较多的简化。新建高速铁路及客运专线桥上无缝道岔的应用及其动力学特性的评估，要求一种操作简便，细致完备，能够准确反映桥上无缝道岔空间动力学特性的建模及分析方法。

发明内容

为了克服桥上无缝道岔结构体系现有动力分析方法中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无缝道岔系统动力分析方法。本发明方法针对自编程序和商业软件的特点，利用FORTRAN自编程序模块来完成车辆结构的建模和车岔之间动力相互作用的模拟，利用ANSYS软件模块来完成道岔、桥梁结构的建模以及道岔与桥梁之间动力相互作用的模拟，再利用自主开发的接口和控制程序FORSYS实现FORTRAN模块和ANSYS模块的连接和耦合求解。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种桥上无缝道岔结构体系，其包括：车辆结构模型、道岔结构模型、桥梁结构模型；以及车辆结构和道岔结构之间的车岔作用模型、道岔和桥梁之间的岔桥作用模型；其中，所述道岔结构模型包括有砟轨道道岔模型和无砟轨道道岔模型，所述桥梁结构包括简支梁桥模型和连续梁桥模型。

所述车辆结构模型和车岔之间的动力相互作用模型采用自编程序FORTRAN模块完成；所述道岔结构模型和所述桥梁结构模型以及道岔与桥梁之间的动力相互作用模型采用ANSYS模块完成；在上述建模工作的基础上，所述接口和控制程序FORSYS通过FORTRAN模块和ANSYS模块实现车辆、道岔和桥梁之间的相互连接和耦合求解。

一种桥上无缝道岔结构体系的动力分析方法，其包括：

车辆结构建模：其利用FORTRAN自编程序模块来完成车辆结构的建模，求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标；

道岔结构建模：利用ANSYS软件模块来完成道岔结构的建模，求解后得到钢轨结构和轨道板结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标；

桥梁结构建模：利用ANSYS软件模块来完成桥梁结构的建模，求解后得到桥梁结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标；以及，

耦合求解：在上述建模工作的基础上，分析车岔之间的动力相互作用以及道岔与桥梁之间的动力相互作用，利用接口和控制程序模块FORSYS通过FORTRAN模块和ANSYS模块实现车辆、道岔和桥梁相互之间的连接和耦合求解。

所述车辆结构建模中，针对车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征，以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车模型的模拟；钢轨按实际截面属性进行建模，区间钢轨采用等截面空间梁模拟，尖轨和心轨部位采用变截面空间梁模拟；扣件采用弹簧-阻尼单元进行模拟。