[发明专利]桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法及系统

摘要

本发明公开了一种桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法及系统，以提高服役期间桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱模拟精度，为桥上纵连板式无砟轨道疲劳设计提供重要支撑。该方法包括：分别建立纵连板式无砟轨道‑桥梁温度场计算模型、高速列车‑纵连板式无砟轨道‑桥梁三维有限元耦合动力学模型及纵连板式无砟轨道‑桥梁‑桥梁墩台纵向相互作用模型。用这些模型研究服役期间桥上纵连板式无砟轨道在列车垂向荷载、列车纵向荷载、无砟轨道混凝土温度荷载、无砟轨道混凝土温度梯度荷载、无砟轨道混凝土收缩荷载、无砟轨道预应力荷载等荷载组合作用下应力时程曲线和疲劳应力谱。本发明力学模型更加精细，荷载模型更加完善。

主权项

1.一种桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，其特征在于，包括：/n步骤(1)、根据气象局气象数据，结合桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型进行服役期间桥上纵连板式无砟轨道温度场的计算，得到服役期间时间-桥上纵连板式无砟轨道温度及温度梯度荷载时程曲线；/n步骤(2)、采用APDL二次开发语言，在ANSYS通用有限元软件环境下开发高速列车—纵连板式无砟轨道—桥梁三维有限元耦合动力学模型，采用预处理共轭梯度法求解耦合系统振动方程，在普通微机上进行高速列车—纵连板式无砟轨道—桥梁耦合系统动力仿真计算，结合步骤(1)中服役期间时间-桥上纵连板式无砟轨道温度梯度荷载时程曲线的计算结果，得到服役期间温度梯度荷载下桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线；其中，采用APDL二次开发语言在ANSYS通用有限元软件环境下开发多尺度高速列车—纵连板式无砟轨道—桥梁三维有限元耦合动力学模型时：中间桥梁及其上的无砟轨道采用精细化的建模技术，以提高桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的仿真精度，而边上桥梁及其上的无砟轨道采用比较粗糙的建模技术，以减少系统自由度，提高桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的求解速度；/n所述高速列车—纵连板式无砟轨道—桥梁三维有限元耦合动力学模型具体建模如下：/n高速列车由多节机车和车辆编组而成，机车和车辆采用在国内外得到广泛采用的10个自由度的多刚体模型，由车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂组成；/n钢轨选用梁单元进行模拟；/n轨道板和底座板采用实体单元进行模拟；中间桥梁范围其上的底座板和轨道板采用计算速度慢但精度高的20节点solid95实体单元，以提高仿真精度；边跨桥梁范围内的底座板和轨道板采用计算速度快但精度低的8节点solid45实体单元，以提高模型的求解速度；/nCA砂浆采用弹簧-阻尼单元进行模拟，CA砂浆的刚度和阻尼特性根据CA砂浆的材料参数和厚度参数换算得到；/n底座板与梁面之间设置的滑动层采用罚函数接触进行模拟,桥梁接缝区域的固结机构和高强度挤塑板采用线性接触刚度进行模拟；/n桥梁采用实体单元进行模拟，将桥梁断面简化为矩形断面；/n以竖向弹簧单元连接裂缝两侧轨道板及底座；/n车轮与钢轨之间采用移动的考虑轨道不平顺影响的接触单元加以模拟；/n并且，扣件采用弹簧-阻尼单元进行模拟；全面考虑扣件的纵向、横向和垂向刚度，中间桥跨范围内的扣件考虑扣件的尺寸效应，将每个钢轨节点与其对应扣件尺寸范围内的轨道板节点均相连，以提高仿真精度；边跨桥梁范围内及桥梁两侧的扣件不考虑扣件的尺寸效应，以减少系统自由度，提高模型的求解速度；/n步骤(3)、采用APDL二次开发语言，在ANSYS通用有限元软件环境下开发考虑无砟轨道混凝土开裂和闭合效应及钢筋与混凝土相互作用的纵连板式无砟轨道—桥梁—桥梁墩台纵向相互作用模型，用该纵连板式无砟轨道—桥梁—桥梁墩台纵向相互作用模型进行纵向力组合作用下桥上纵连板式无砟轨道应力时程曲线计算，结合步骤(1)中服役期间时间-桥上纵连板式无砟轨道温度荷载时程曲线的计算结果，得到服役期间纵向荷载作用下桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线；/n其中，所述纵连板式无砟轨道—桥梁—桥梁墩台纵向相互作用模型具体建模如下：/n钢轨选用梁单元进行模拟；/n扣件采用非线性弹簧-阻尼单元进行模拟；/n无砟轨道混凝土以梁单元进行模拟；/n无砟轨道钢筋以梁单元进行模拟；/n桥梁以梁单元进行模拟；/n模拟无砟轨道混凝土与无砟轨道钢筋粘结滑移关系的连接单元以非线性弹簧-阻尼单元模拟；/n模拟桥梁与无砟轨道混凝土间纵向相互作用的纵向连接单元以非线性弹簧-阻尼单元模拟；/n在桥梁固定支座处，桥梁与无砟轨道混凝土间还有锚筋连接，以一纵向弹簧单元对此情况加以模拟；/n固定支座处设置纵向线性弹簧-阻尼单元，以模拟桥梁墩台纵向刚度对系统纵向力的影响；/n为了模拟无砟轨道混凝土在循环温度荷载下裂缝的开裂及闭合效应，以接触单元连接裂缝处两相邻的无砟轨道混凝土单元；/n步骤(4)、用高速列车—纵连板式无砟轨道—桥梁三维有限元耦合动力学模型进行列车自重荷载及轨道随机不平顺荷载下桥上纵连板式无砟轨道各部件动应力时程曲线的计算，结合服役期间时间-列车曲线，得到服役期间列车荷载作用下桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土动应力时程曲线；/n步骤(5)、将步骤(2)、(3)和(4)中的应力时程曲线相加，并考虑预应力的影响，得到服役期间组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线；/n步骤(6)、用雨流计数法对步骤(5)中的应力时程曲线进行计数，得到服役期间组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土二维疲劳应力谱；/n步骤(7)、用Goodman曲线考虑平均应力的影响，对既包含幅值又包含均值的桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土二维疲劳应力谱进行转换，得到仅含幅值的桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土一维疲劳应力谱。/n