[发明专利]高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析及选型方法

说明书

技术领域

本发明属于铁道工程设计技术领域，特别涉及高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法及选型方法。

背景技术

国内外高速铁路轨道结构主要有两种型式：有砟轨道与无砟轨道。从实践经验看，两种轨道结构各有优缺点，但都能运行时速300公里的高速列车。高速铁路究竟铺设何种类型轨道结构，应从技术与经济角度全面衡量决定。对于高速铁路无砟轨道结构，我国已进行了长期系统的研究，初步形成了较为完善的技术体系；而对于高速铁路有砟轨道结构，路基及隧道中的研究较多，桥梁上的研究相对较少。

随着我国高速铁路的大规模建设，有砟轨道结构的采用将不可避免。以2011年竣工通车的京沪高速铁路为例：京沪高速铁路无砟轨道比例达到90%以上，但是在长江和黄河大跨度桥梁、大号码道岔区、区域性沉降严重的清明山至查桥（DK1154+400~DK1215+000）、以及黄渡至虹桥等桥梁地段仍然采用了有砟轨道。因此，仍需要根据我国现阶段的具体国情和铁路的技术水平，对高速铁路桥上有砟轨道结构的适用性及合理性进行深入研究。

本发明可以弥补高速铁路有砟轨道研究的不足，有助于形成我国高速铁路有砟轨道技术条件，完善我国高速铁路技术体系，研究成果将直接服务于我国高速铁路的建设，具有重要的理论与现实意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法及选型方法，该方法根据各种有砟轨道结构型式和减振措施的国内外应用成熟性，轨道刚度改善程度，车、轨、桥动力特性改善程度，荷载传递均匀性，桥梁上的二期恒载大小，轨枕的生产制造成本，轨道的养护、维修成本，机械化施工及维修难度，减振、吸声、降噪性能，道砟液化可能性，胶垫或垫层的生产制造成本，防止水对桥梁锈蚀作用等指标综合分析，给出高速铁路桥上有砟轨道结构的选型方法。

本发明的技术方案是：高速铁路桥上有砟轨道结构力学分析方法，其特征在于：所述该方法应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型进行静力学分析、应用FORSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ADAMS+ANSYS方法建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型、应用ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型，应用FORSYS方法、ADAMS+ANSYS方法及ABAQUS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合动力学模型进行动力学分析及相互验证，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的车体垂、横向加速度，轮轨作用力，钢轨垂、横向加速度和垂、横向位移，轨下动应力，轨枕垂、横向加速度和垂、横向位移，道床加速度和动应力，桥梁垂、横向加速度和垂、横向位移；对不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明动力学计算条件下该轨道结构型式或减振措施的总体效果越好；所述该方法应用PFC3D离散元软件建立轨枕—道砟颗粒流空间耦合离散元模型对不同有砟轨道结构型式条件下的各项指标进行排序，并将对应的指标排序相加，得到“排序累计值”，“排序累计值”越小，说明离散元计算条件下该轨道结构型式总体效果越好；通过对高速铁路桥上有砟轨道结构进行的静力学分析、动力学分析及离散元分析，将不同有砟轨道结构型式和减振措施条件下的各项分析得到的“排序累计值”进行综合汇总，得到“综合指标排序累计值”，“综合指标排序累计值”越小，说明综合考虑静力学、动力学及离散元计算分析条件下该轨道结构型式或减振措施总体效果越好。

进一步地，所述应用ANSYS软件建立高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，模型由钢轨、扣件、轨枕、道床、桥梁组成：钢轨按实际尺寸建模，并选用梁单元对其进行处理；扣件采用弹簧单元来模拟；混凝土轨枕采用梁单元进行处理，并采用线弹性材料对其进行近似的模拟；建立道床的有限元模型时，考虑道床的厚度，选用实体单元对其进行处理；桥梁结构用实体单元按实际尺寸进行建模；考虑边界效应的影响，两边设一定数量的辅助梁跨，以中间桥梁上的有砟轨道结构作为主要计算和分析对象。

进一步地，所述应用ANSYS软件建立的高速铁路桥上有砟轨道结构空间耦合静力学模型，进行静力学分析，计算得到采用不同有砟轨道结构型式或减振措施条件下的钢轨垂、横向位移，轨底应力，轨枕垂、横向位移，道床垂、横向位移，道床最大应力，道床系数和桥梁垂向位移。