基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103514309 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103514309 A (21)申请号 201210212273.3 (22)申请日 2012.06.21 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区上园村 3 号 (72)发明人 高亮 赵磊 曲村 蔡小培 肖宏 辛涛 侯博文 胡华锋 乔神路 王璞 (74)专利代理机构 北京正理专利代理有限公司 11257 代理人 张文祎 (54) 发明名称 基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检 算体系 (57) 摘要 本发明基于空间细部实体模型的无砟。

2、轨道设 计及检算体系包括以下步骤 ： 建立钢轨、 无砟轨 道系统、 下部基础的有限元模型 ； 根据上述模型， 计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内 力 ； 根据计算所得弯矩和内力， 建立实体钢筋单 元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的细部检 算模型 ； 根据上述检算模型， 检算在不同荷载条 件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应 力及变形情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检 算 ； 本发明设计模型能够实现对轨道结构在荷载 作用下的弯矩、 轴力进行提取 ； 动力评估模型考 虑详细的车辆与下部结构方式， 利用自编程序完 成轮轨接触， 实现对车辆高速运行下动力指标的 提取。 (51。

3、)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 13 页 附图 13 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书13页 附图13页 (10)申请公布号 CN 103514309 A CN 103514309 A 1/2 页 2 1. 基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型 ； 根据上述模型， 计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力 ； 根据计算所得弯矩和内力， 建立实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的 细部检算模型 ； 根据上述检算模型， 检算在不。

4、同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算 ； 根据动力学计算原理， 建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型 ； 根据上述动力学评估模型， 对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算 与评估。 2. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 所述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中 ： 钢轨以及无砟轨道系统中的轨道板、 砂浆层、 底座板均采用实体建模 ； 扣件采用 3 至 4 根非线性弹簧进行模拟 ； 上下层之间采用接触算法对节点进行耦合 ； 下部基础根据。

5、路基或桥梁的实际尺寸建立模型， 与轨道结构相耦合进行计算。 3. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 所述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 荷载作用主要包括 ： 温度荷载， 整体年温差及温度梯度 ； 车辆荷载， 车辆垂、 横向荷载及制动牵引力等 ； 以及自重荷载、 混凝土收缩、 基础沉降变形等不同荷载。 4. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 所述建立实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的细部检算模型步骤中， 根据计算所得弯矩和内力， 建立板内配筋实体模型， 对。

6、预应力筋施加预应力。 5. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 所述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形情 况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 荷载条件为恒荷载， 包括自重荷载、 混凝土 收缩荷载、 预应力荷载等 ； 或活荷载， 包括温度荷载及车辆荷载等。 6. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 所述建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型步骤中， 动力学模型中包括细部的钢 筋模型、 实体无砟轨道模型、 无砟轨道各层间的接触、 多刚体的车辆模型。

7、、 轮轨耦合模型、 轨 道不平顺模型等完善的动力学计算元素。 7. 根据权利要求 1 所述的基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系， 其特征 在于， 权 利 要 求 书 CN 103514309 A 2 2/2 页 3 所述对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算与评估步骤中， 通过耦合计算分析， 得到车辆的运行安全性、 平稳性指标， 轮轨接触力信息、 轨道结构 振动指标、 混凝土内部配筋应力幅值、 细部销钉或凸台的剪切力幅值信息等多种检算指标。 8. 基于空间细部实体单元有限单元的无砟轨道设计方法， 其特征在于， 包括以下步 骤 ： 建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础。

8、的有限元模型 ； 根据上述模型， 计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力 ； 对实体单元截面内力的求解， 提供设计所需的截面弯矩、 轴向压力等内力条件， 从而根 据混凝土结构设计原理进行结构设计。 9. 包含实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的完善的细部检算方法， 其 特征在于， 包括以下步骤 ： 在设计模型中加入配筋设计结果， 引入实体钢筋单元， 并根据需要对实体钢筋单元进 行预应力加载 ； 在上一步的基础上检算不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力 及变形情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算。 10. 基于细部模型对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下。

9、部基础振动特性进行检算与评估的 方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 根据动力学计算原理， 建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型 ； 根据上述动力学评估模型， 对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算 与评估。 权 利 要 求 书 CN 103514309 A 3 1/13 页 4 基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系 技术领域 0001 本发明属于铁道工程应用计算与设计技术领域， 特别涉及静动力结合、 整体与细 部结合的高速铁路无砟轨道设计检算体系。 背景技术 0002 无砟轨道结构具有高平顺性、 高稳定性、 高耐久性和高可靠性的特点， 为世界各国 高速铁路所接受。

10、， 我国高速铁路亦广泛采用无砟轨道结构。 无砟轨道在设计过程中， 需要进 行详细的内力检算及配筋设计等过程， 而且需要对细部构件如剪力销钉、 门型筋等进行细 部检算， 目前设计方法对无砟轨道的设计方面做了诸多简化。例如， 无砟轨道再创新理论 中， 为了计算轨道板、 支承层或底座板的内力， 将钢轨简化为点支撑梁， 将轨道板、 底座板简 化为壳单元， 这样梁 - 板 - 板模型方便提取梁或壳单元的弯矩等内力结果， 而实际情况下， 板的厚度相对长度及宽度的尺寸是不可忽略的， 这样的简化对轨道各层受力都有较大的影 响。 0003 近年来， 国内很多学者及设计单位对无砟轨道设计做了很多研究， 但在计算内。

11、力 时， 始终未能摆脱梁 - 板 - 板模型的影响， 在这些设计理论中为了得到板的内力， 均假设板 为壳单元， 考虑砂浆层为均匀弹簧支撑， 从而对不同结构层进行配筋设计。 在检算建立空间 模型， 不考虑内部配筋的影响， 虽然能够得出轨道板及其他结构层的内力与变形， 但由于轨 道结构模型的粗犷性， 内力计算精度无法保证， 且前后计算模型并非统一模型， 无法满足设 计的要求。 0004 无砟轨道的设计， 需要一种详细、 统一的模型来指导设计及检算， 并且在考虑轨道 板配筋的情况下指导无砟轨道的设计与检算。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种细致的、 实体的、 考虑结构配筋的纵横垂向耦合模。

12、型， 对荷载条件下板的弯矩、 轴力进行计算， 利用钢筋混凝土及预应力混凝土的结构设计方法 进行配筋设计， 再对配筋进行建模， 利用考虑了配筋方式的计算模型， 对轨道受力进行检 算， 并利用编程与有限元相结合的方法对车辆运行过程中的动态响应进行分析， 研究思路 如图 1 所示。 0006 所建立的模型根据功用不同， 分为设计模型、 静力检算模型和动力评估模型， 设计 模型能够实现对轨道结构在荷载作用下的弯矩、 轴力进行提取 ； 检算模型考虑轨道板、 底座 板等的配筋影响， 以及层与层之间的传力钢筋如剪力销钉、 门型筋的的影响， 并能对钢轨、 轨道板、 砂浆层、 底座板、 钢筋等的内力、 应力与变。

13、形 ； 动力评估模型考虑详细的车辆与下部 结构方式， 利用自编程序完成轮轨接触， 实现对车辆高速运行下动力指标的提取。具体如 下 ： 0007 基于空间细部实体模型的无砟轨道设计及检算体系包括以下步骤 ： 建立钢轨、 无 砟轨道系统、 下部基础的有限元模型 ； 根据上述模型， 计算荷载作用下轨道系统各结构层的 说 明 书 CN 103514309 A 4 2/13 页 5 弯矩和内力 ； 根据计算所得弯矩和内力， 建立实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部 基础的细部检算模型 ； 根据上述检算模型， 检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形情况， 并对细部。

14、连接钢筋的受力进行检算 ； 根据动力学计算原 理， 建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型 ； 根据上述动力学评估模型， 对车辆运行过 程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算与评估。 0008 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中 ： 钢轨以及无砟轨道 系统中的轨道板、 砂浆层、 底座板均采用实体建模 ； 扣件采用3至4根非线性弹簧进行模拟 ； 上下层之间采用接触算法对节点进行耦合 ； 下部基础根据路基或桥梁的实际尺寸建立模 型， 与轨道结构相耦合进行计算。 0009 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中， 建立多块板并在端 部采用对称约束。 。

15、0010 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中， 考虑的因素包括 ： 无砟轨道层与层之间的粘接方式， 整体浇筑或者隔离层摩擦接触等 ； 无砟轨道细部如凸台 与凹槽间的复杂接触关系 ； 无砟轨道系统中所使用的橡胶垫层模型。 0011 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 计算荷载根据 高 速铁路设计规范 （试行） 及无砟轨道再创新中的相关规定。 0012 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 荷载作用主要包 括 ： 温度荷载， 整体年温差及温度梯度 ； 车辆荷载， 车辆垂、 横向荷载及制动牵引力等 ； 以及 自重荷载、 混凝土收缩、 基础。

16、沉降变形等不同荷载。 0013 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 通过 python 语言 编程的方法对荷载作用下的计算结果进行后处理， 得出板纵横向的弯矩和内力， 并提取凸 台根部的内力。 0014 上述建立实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的细部检算模型步骤 中， 根据计算所得弯矩和内力， 建立板内配筋实体模型， 对预应力筋施加预应力。 0015 上述预应力施加法可根据设计条件分为先张法或后张法。 0016 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 荷载条件包括恒荷载和活。

17、荷载， 分为自重 荷载、 混凝土收缩荷载、 预应力荷载、 温度荷载及车辆荷载等。 0017 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 对不同荷载条件下的钢轨、 轨道板、 砂浆 层、 底座板及内部配筋等的内力、 应力及变形情况进行检算。 0018 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 对细部连接钢筋如剪力销钉、 门型筋等的 受力进行检算。 0019 上述建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型步骤中， 动力学模型中包括细部 。

18、的钢筋模型、 实体无砟轨道模型、 无砟轨道各层间的接触、 多刚体的车辆模型、 轮轨耦合模 型、 轨道不平顺模型等完善的动力学计算元素。 0020 上述建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型步骤中， 通过 FORTRAN 语言对车 辆结构建模， 并对车辆结构模型及轮轨接触模型进行模拟。 说 明 书 CN 103514309 A 5 3/13 页 6 0021 上述车辆结构建模中， 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。 0022 上述钢轨按实际截面属性进行建模， 轮轨之间以动态轮轨接触关系进行耦合。

19、， 对 轨面和踏面形状进行离散， 用迹线法动态确定轮轨空间接触几何关系。 0023 上述轮轨接触采用赫兹非线性接触理论以及轮轨蠕滑理论进行建模。 0024 上述对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算与评估步骤中， 通 过耦合计算分析， 得到车辆的运行安全性、 平稳性指标， 轮轨接触力信息、 轨道结构振动指 标、 混凝土内部配筋应力幅值、 细部销钉或凸台的剪切力幅值信息等多种检算指标。 0025 本发明中的主要步骤也可以独立成体系， 单独使用 ： 0026 （1） 基于空间细部实体单元有限单元的无砟轨道设计方法， 包括以下步骤 ： 建立钢 轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元。

20、模型 ； 根据上述模型， 计算荷载作用下轨道系统各结 构层的弯矩和内力 ； 对实体单元截面内力的求解， 提供设计所需的截面弯矩、 轴向压力等内 力条件， 从而根据混凝土结构设计原理进行结构设计。 0027 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中 ： 钢轨以及无砟轨道 系统中的轨道板、 砂浆层、 底座板均采用实体建模 ； 扣件采用3至4根非线性弹簧进行模拟 ； 上下层之间采用接触算法对节点进行耦合 ； 下部基础根据路基或桥梁的实际尺寸建立模 型， 与轨道结构相耦合进行计算。 0028 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中， 建立多块板并在端 部采用对称约。

21、束。 0029 上述建立钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的有限元模型步骤中， 考虑的因素包括 ： 无砟轨道层与层之间的粘接方式， 整体浇筑或者隔离层摩擦接触等 ； 无砟轨道细部如凸台 与凹槽间的复杂接触关系 ； 无砟轨道系统中所使用的橡胶垫层模型。 0030 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 计算荷载根据 高 速铁路设计规范 （试行） 及无砟轨道再创新中的相关规定。 0031 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 荷载作用主要包 括 ： 温度荷载， 整体年温差及温度梯度 ； 车辆荷载， 车辆垂、 横向荷载及制动牵引力等 ； 以及 自重荷载、 混凝土收缩、。

22、 基础沉降变形等不同荷载。 0032 上述计算荷载作用下轨道系统各结构层的弯矩和内力步骤中， 通过 python 语言 编程的方法对荷载作用下的计算结果进行后处理， 得出板纵横向的弯矩和内力， 并提取凸 台根部的内力。 0033 （2） 包含实体钢筋单元、 无砟轨道体系实体单元及下部基础的完善的细部检算方 法， 包括以下步骤 ： 在设计模型中加入配筋设计结果， 引入实体钢筋单元， 并根据需要对实 体钢筋单元进行预应力加载 ； 在上一步的基础上检算不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系 统、 下部基础的内力、 应力及变形情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算 ； 0034 上述预应力施加法为先张法或。

23、后张法。 0035 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 荷载条件为恒荷载加活荷载， 包括自重荷 载、 混凝土收缩荷载、 预应力荷载、 温度荷载及车辆荷载等。 0036 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 说 明 书 CN 103514309 A 6 4/13 页 7 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 对不同荷载条件下的钢轨、 轨道板、 砂浆 层、 底座板及内部配筋等的内力、 应力及变形情况进行检算。 0037 上述检算在不同荷载条件下的钢轨、 无。

24、砟轨道系统、 下部基础的内力、 应力及变形 情况， 并对细部连接钢筋的受力进行检算步骤中， 对细部连接钢筋如剪力销钉、 门型筋等的 受力进行检算。 0038 （3） 基于细部模型对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动特性进行检算与评 估的方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 根据动力学计算原理， 建立车辆与轨道结构耦合的 动力学评估模型 ； 根据上述动力学评估模型， 对车辆运行过程中车辆、 轨道、 下部基础振动 特性进行检算与评估。 0039 上述建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模型步骤中， 动力学模型中包括细部 的钢筋模型、 实体无砟轨道模型、 无砟轨道各层间的接触、 多刚体的车辆。

25、模型、 轮轨耦合模 型、 轨道不平顺模型等完善的动力学计算元素。 0040 上述车辆结构建模中， 通过 FORTRAN 语言对车辆结构建模， 并对车辆结构模型及 轮轨接触模型进行模拟。 0041 上述车辆结构建模中， 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。 0042 上述钢轨按实际截面属性进行建模， 轮轨之间以动态轮轨接触关系进行耦合， 对 轨面和踏面形状进行离散， 用迹线法动态确定轮轨空间接触几何关系。 0043 上述轮轨接触采用赫兹非线性接触理论以及轮轨蠕滑理论进行建模。 0044 上述检算。

26、与评估步骤中， 通过耦合计算分析， 得到车辆的运行安全性、 平稳性指 标， 轮轨接触力信息、 轨道结构振动指标、 混凝土内部配筋应力幅值、 细部销钉或凸台的剪 切力幅值信息等多种检算指标。 0045 基于上述计算模型的设计方法的主要特点在于 ： 设计模型能够基于实体建模， 避 免了既有研究结果仅能够使用梁单元或者壳单元计算无砟轨道内力的缺陷， 并且能够处理 包括无砟轨道纵连与非纵连的问题、 板间隔离层非线性接触等诸多设计上的难题， 计算结 果能够更好的指导设计实践。检算模型中加入了无砟轨道配筋模型， 能够实现对无砟轨道 的纵横向预应力等方面进行精确模拟， 从而对无砟轨道细部结构进行详细检算， 。

27、并能够检 算无砟轨道内部钢筋应力。动力学模型基于无砟轨道的检算模型， 利用自编软件实现车辆 与轮轨接触关系的建模， 再将所建立的车辆模型与有限元轨道模型相耦合， 从而对无砟轨 道线路动力学性能进行综合评价。 附图说明 0046 图 1 无砟轨道设计、 检算与评估一体化思路图 0047 图 2 站线无砟轨道平立面及细部布置图 0048 图 3 钢轨轨下扣件模型示意图 0049 图 4 支承层下路基弹簧模型示意图 0050 图 5 轨道结构有限元模型剖面图 0051 图 6 车辆荷载作用下轨道各层横向弯矩示意图 0052 图 7 车辆荷载作用下轨道各层纵向轴力示意图 说 明 书 CN 103514。

28、309 A 7 5/13 页 8 0053 图 8 道床板与支承层细部配筋模型图 0054 图 9 轨道不同结构层振动加速度时程图 0055 图 10 轨道不同结构层振动位移时程图 0056 图 11 轨道不同结构层纵向应力时程图 0057 图 12 轮轨接触力时程图 0058 图 13 梯子式轨道平面布置图 0059 图 14 梯子式轨道有限元模型图 0060 图 15 荷载作用于梯子式轨道不同位置处轨道板弯矩示意图 0061 图 16 梯子式轨道断面钢筋布置图 0062 图 17 梯子式轨道混凝土与预应力钢筋耦合模型图 0063 图 18 施加预应力后单侧混凝土梁截面弯矩图 0064 图 。

29、19 施加预应力后单侧混凝土梁截面纵向轴力图 0065 图 20 车辆运行过程轮轨力时程图 0066 图 21 车辆运行过程脱轨系数时程图 0067 图 22 车辆运行过程轮重减载率时程图 0068 图 23 车辆运行过程车体加速度时程图 0069 图 24 车辆运行过程钢轨垂向加速度时程图 0070 图 25 车辆运行过程轨枕垂向加速度时程图 0071 图 26 车辆运行过程钢轨垂向位移时程图 0072 图 27 车辆运行过程梯子式轨道板端错动量时程图 0073 图 28CRTSIII 型板式无砟轨道平面布置图 0074 图 29CRTSIII 型板式无砟轨道断面图 0075 图 30CRT。

30、SIII 型板式无砟轨道底座板模型及内部钢筋笼模型 0076 图 31 门型钢筋与轨道板、 自密实混凝土耦合计算模型示意 具体实施方式 0077 本发明提供一种基于细部模型的无砟轨道设计与检算方法， 设计模型中考虑轨道 结构为实体， 突破了实体模型无法提供设计所需的荷载作用下的内力效应计算的障碍， 并 在实际配筋模型下对不同荷载条件进行检算， 为无砟轨道的设计与检算提供了一种崭新的 方式。在动力计算模型中， 利用自主编程与商业软件相结合的方法， 以细部模型为基础， 加 入多刚体车辆模型与轮轨耦合计算程序， 同时解决有限元模型中轮轨接触建模的困难与编 程计算中下部结构无法细化的困难。 0078 。

31、车辆与轮轨接触的建模 ： 在动力学检算过程中， 需要建立车辆与轮轨接触模型， 这 部分主要通过自主编程来完成。考虑车体和前后转向架的沉浮、 点头、 横移、 侧滚和摇头运 动， 以及每一轮对的沉浮、 横移、 侧滚和摇头运动特征， 选取 31 自由度的整车模型进行动力 学仿真。轮轨接触采用赫兹非线性接触理论以及轮轨蠕滑理论进行建模。 0079 钢轨的建模 ： 在设计及检算模型中， 钢轨采用细化的实体有限元模型， 以便考虑钢 轨在荷载作用下的内力及应力应变。 在动力学检算模型中， 用梁单元进行模拟， 以便与上部 车辆及轮轨接触模型做接口。 说 明 书 CN 103514309 A 8 6/13 页 。

32、9 0080 无砟轨道系统的建模 ： 在设计模型中， 无砟轨道系统用实体建模， 并且考虑无砟轨 道层与层之间的粘接方式 （整体浇筑或者隔离层摩擦接触等） ， 并考虑无砟轨道细部如凸台 与凹槽间的复杂接触关系， 以及无砟轨道系统中所使用的橡胶垫层模型等， 从价更加合理、 精确的模拟无砟轨道受力。设计模型的计算荷载根据 高速铁路设计规范 （试行） 及无砟 轨道再创新中的相关规定进行考虑， 主要包括温度荷载 （整体年温差及温度梯度） 、 车辆荷 载 （车辆垂、 横向荷载及制动牵引力等） 、 自重荷载、 混凝土收缩、 基础沉降变形等不同荷载。 为了对无砟轨道设计做指导， 根据不同结构系统的受力特点， 。

33、运用自主编制的后处理程序， 主要提取无砟轨道板的内力及弯矩等设计所需内力， 另外， 提取凸台根部的建立， 为凸台配 筋提供内力。在静力检算模型中， 将配筋结果加入无砟轨道系统的建模， 并对无砟轨道板 进行预应力建模。 在轨道板预应力建模的过程中， 区分轨道板的预应力施加方法 （先张与后 张） 。静力学检算荷载与设计荷载相类似， 但区分恒荷载 （自重、 混凝土收缩、 预应力等） 与活 荷载 （温度及车辆荷载等） ， 计算在不同荷载条件下的混凝土结构应力与变形等， 并计算内 部配筋的受力情况， 验算是否符合规范的要求。 动力学检算模型中， 无砟轨道建模沿用静力 检算模型中的建模元素， 通过对车辆运。

34、营过程进行仿真计算， 输出无砟轨道的振动加速度、 位移、 应力、 转角等时程， 从动力角度评价无砟轨道振动特性。 0081 基础模型 ： 路基上无砟轨道基础可以考虑实际场地情况， 按照实测土工材料进行 建模， 没有实测参数时， 也可以采用无砟轨道再创新理论按照 76MPa/m 的等效刚度进行建 模， 采用弹簧单元进行模拟。 隧道内也可采用实际衬砌及围岩情况进行建模， 没有固定参数 时则与路基上类似采用推荐的等效刚度进行模拟。 桥上无砟轨道则按照桥梁的实际尺寸进 行建模， 梁端采用等效于桥墩刚度的弹簧进行约束。 0082 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 。

35、限于实施例中所涉及的内容。 0083 实施例 1 ： 0084 本实施例为站线无砟轨道的设计与检算， 站线无砟轨道设计方式如图 2 所示。 0085 设计模型中， 建立钢轨实体模型， 扣件以两根笛卡尔坐标系三向弹簧来模拟， 如图 3所示。 道床板与支承层均考虑为实体单元， 支承层下均布路基弹簧， 弹簧刚度根据 高速铁 路设计规范 （试行） 及无砟轨道再创新理论成果取为 76MPa/m， 路基弹簧模型如图 4 所示， 轨道结构整体模型如图 5 所示。 0086 设计及检算所施加荷载包括温度荷载、 车辆荷载、 自重荷载、 混凝土收缩变形、 基 础沉降变形等。整体升温荷载以寒冷地区为例， 考虑最大升。

36、温 45。温度梯度根据 高速 铁路设计规范 （试行） 取为 45 /m。列车单轮单侧静轴重 100kN， 动力冲击系数根据运行 速度定为 3。横向荷载取为 0.8 倍轮重， 即 80kN。制动力按最不利加载方式， 在每个扣件节 点上加载 9kN 的纵向力。混凝土收缩按照降温 30考虑。考虑基础沉降为 15mm/20m， 路基 不均匀沉降的形状取为下凹正弦型半波曲线。 0087 设计过程 ： 0088 根据设计图纸， 建立轨道结构有限元模型， 计算在上述温度、 车辆、 混凝土收缩、 基 础沉降变形等情况下的道床板和支承层的内力。 列举车辆荷载及温度荷载作用下轨道各层 内力计算结果如下表所示。车辆。

37、荷载作用下轨道各结构层内力沿纵向变化如图 6- 图 7 所 示 , 其中， 图 6 为车辆荷载作用下轨道各层横向弯矩示意图， 图 7 为车辆荷载作用下轨道各 说 明 书 CN 103514309 A 9 7/13 页 10 层纵向轴力示意图。不同荷载作用下轨道结构内力见表 1. 0089 表 1 不同荷载作用下轨道结构内力计算结果汇总 0090 0091 0092 根据计算所得内力， 建立轨道结构配筋模型如图 8 所示。根据检算模型， 计算在不 同荷载状态下的轨道结构应力与变形情况。所得计算结果汇总于表 2。 0093 表 2 不同荷载作用下轨道结构应力与变形计算结果汇总 0094 说 明 书。

38、 CN 103514309 A 10 8/13 页 11 0095 通过以上检算， 可以得出， 在配筋后， 车辆荷载与温度荷载作用下道床板与支承层 均处于较小的应力状态， 而混凝土收缩和基础沉降会带来较大的混凝土纵向拉应力， 由于 道床板与支承层均为非预应力结构， 此时两结构将处于带裂缝工作状态。 0096 根据动力学计算原理， 利用自编程序建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模 型， 分析轨道结构的振动特性。轨道初始不平顺激励选择为武广实测不平顺谱。轨道不同 结构层振动加速度时程如图 9 所示， 轨道不同结构层振动位移时程如图 10 所示， 轨道不同 结构层纵向应力时程如图 11 所示， 轮轨。

39、接触力时程如图 12 所示。 0097 基于所建立的细致的动力学仿真计算模型所得出的仿真计算结果汇总于表 3。 0098 表 3 车辆运行过程中轨道结构动力响应汇总 0099 选取指标 计算结果 车辆垂向加速度 （g） 0.035 轮轨垂向力 （kN） 108.9 轮轨横向力 （kN） 13.97 说 明 书 CN 103514309 A 11 9/13 页 12 脱轨系数 0.17 轮重减载率 0.58 钢轨垂向加速度 （g） 170.6 道床板垂向加速度 （g） 4.37 支承层垂向加速度 （g） 3.43 钢轨垂向位移 （mm） 1.07 道床板垂向位移 （mm） 0.33 支承层垂向位。

40、移 （mm） 0.33 钢轨纵向应力 （MPa） 29.62 道床板纵向拉应力 （MPa） 0.355 支承层纵向拉应力 （MPa） 0.065 0100 从上表中可以看出， 车辆垂向最大加速度 0.035g， 小于高速铁路运营舒适性标准 0.13g ； 轮轨垂向力最大值 108.9kN， 冲击系数 1.36， 小于规定冲击系数 3 ； 横向力最大值 13.97kN， 小于最大值 80kN ； 脱轨系数最大值 0.17， 轮重减载率 0.58， 均满足运营的安全性 要求。钢轨纵向应力最大值 30MPa 左右， 道床板纵向最大拉应力 0.4MPa 以内， 支承层纵向 最大拉应力在 0.1MPa 。

41、以内， 均在结构允许应力范围以内。 0101 实施例 2 ： 0102 本实施例中， 针对有预应力的梯子式轨道结构进行静、 动力学设计与检算。 梯子式 轨道属于框架式无砟轨道的一种， 主要应用与城市轨道交通的减振区段。梯子式轨道的布 置如图 13 所示。 0103 梯子式轨道纵梁为预制预应力钢筋混凝土结构， 长 6.15m， 宽 0.46m， 厚度 0.185m， 材料为 C60 混凝土。梯子式轨道钢管用来连接两根纵梁， 使之成为一个整体， 钢管长度 1.85m， 截面尺寸0.1250.075m。 梯子式轨道四周布置纵、 横、 垂向的弹性缓冲及防振材料， 以向四周传递轨道结构振动。根据以上设计。

42、参数所得到的有限元模型如图 14 所示。 0104 梯形轨枕主要应用于城市地下铁中， 多数处于隧道内， 而隧道内轨道结构考虑的 年温差作用较小， 作为单元式结构需要考虑的基础沉降作用也较小， 因此， 以车辆荷载作 为设计轨道结构强度的主要荷载， 在车辆荷载作用于梯形轨枕不同位置处时， 单侧轨道板 所受弯矩如图 15 所示， 其中， 作用于板中时， 最大弯矩 12.9kN/m， 作用于板端时， 最大弯矩 5.42kN/m。 0105 根据结构设计原理， 对梯子式轨道两侧分别施加纵向预应力， 每侧混凝土梁上下 层各配置 9 根预应力刚绞线， 每根钢绞线施加 4t 的预拉力， 具体布置尺寸优化如图 。

43、16 所 示。 说 明 书 CN 103514309 A 12 10/13 页 13 0106 根据配筋设计方案， 建立两侧混凝土梁的预应力配筋的检算模型， 如图 17 所示。 0107 对两侧混凝土梁在预应力作用下的混凝土内力及变形进行计算， 得到表 4。 0108 表 4 预应力作用下梯子式轨道应力与变形计算结果 0109 0110 施加预应力后轨枕主体结构纵向能够达到全截面受压， 仅在侧向挡台处受到 0.6MPa 左右的拉应力， 截面最大压应力达到 11.04MPa。横向拉应力最大值产生于 PC 纵梁 上靠近侧向挡台处。纵向最大位移发生在远离纵向挡台一端， 主要是由于混凝土在施加预 应力。

44、之后产生一定的收缩， 由于纵向挡台有一定的限位作用， 因此， 收缩时以纵向挡台为中 心。钢管在纵向受到混凝土收缩作用， 纵向压应力较大， 为 22.4MPa。施加预应力后单侧混 凝土梁截面弯矩如图 18 所示。由于施加预应力而产生的纵向弯矩较小， 均在 1kN m 以下。 0111 根据所施加的预应力计算结果， 对不同位置断面沿轨道纵向的轴力进行计算， 计 算结果如图 19 所示。 0112 从 PC 纵梁的预应力来看， 理论预压力与实际预压力能够较好的吻合。在每个钢管 处由于钢管承受一部分的压应力， 图 19 中对应每个位置均产生一个突变。 0113 通过以上混凝土后张预应力的施加可以看出，。

45、 模型对后张预应力的模型效果较 好， 能够很好的模拟无砟轨道板在预应力作用下的应力及内力情况。因此， 基于以上模型， 对梯子式轨道在车辆荷载以及混凝土收缩荷载作用下的轨道受力进行检算与分析。 0114 对不同荷载工况下轨道结构应力与变形进行计算， 得到表 5。 0115 表 5 不同荷载作用下梯子式轨道应力与变形计算结果汇总 0116 说 明 书 CN 103514309 A 13 11/13 页 14 0117 从以上的计算结果中可以看出 ： 0118 在施加预应力后 PC 纵梁在垂向荷载、 横向荷载以及制动力作用下主体部分能够 做到全截面受压， 仅在纵向挡台处受到较小的拉应力， 均在 1M。

46、Pa 以下。整体温降之后 PC 纵 梁预压力有大幅度的降低， 但仍能保证混凝土处于受压状态， 预应力结构在整体温降一定 范围内具有安全稳定性。整体温升之后 PC 纵梁预压力有大幅度的提高， 由于钢管与混凝土 弹模的差别， 在温升之后混凝土与钢管连接面出现了较大的拉应力， 因此， 建议该部位， 进 行结构加强措施， 如需加强对此处的配筋。施加预应力后 PC 纵梁整体的刚度有所增加， 但 增加幅度较小， 垂向力工况一和工况二下， 其垂向最大位移相差在 1% 以下。 0119 由此可以推断， 在上述配筋情况下轨道结构的受力较好， 所设计的预应力值也在 合理的范围之内。 0120 根据动力学计算原理，。

47、 利用自编程序建立车辆与轨道结构耦合的动力学评估模 型， 分析不同速度条件下轨道结构的振动特性， 计算速度选取 40km/h、 60km/h、 80km/h、 100km/h和120km/h。 轨道初始不平顺激励选择为德国轨道不平顺谱 （适用于无砟轨道） 。 动 力学检算结果列于表 6 中。轮轨力时程见图 20， 脱轨系数时程见图 21， 轮重减载率时程见 图22， 车体加速度时程见图23， 钢轨垂向加速度时程见图24， 轨枕垂向加速度时程见图25， 钢轨垂向位移时程见图 26， 梯子式轨道板端错动量时程见图 27。 说 明 书 CN 103514309 A 14 12/13 页 15 012。

48、1 表 6 车辆运行过程中动力学指标仿真结果汇总 0122 0123 从计算结果可以看出 ： 轮轨作用力、 脱轨系数、 轮重减载率和车体垂、 横向加速度 等车辆运行安全性和舒适性指标基本上随着行车速度的增大而增大， 尤其是轮轨作用力， 呈现出明显的非线性增加趋势。 转向架和轮对的振动加速度有随行车速度增大而增大的趋 势， 但受到自身固有频率及激振频率的影响， 并不完全符合速度越大振动越大的规律 ； 钢轨 和轨枕的振动加速度也有随行车速度增大而增大的趋势。钢轨和轨枕的垂、 横向位移有随 速度增大而增大的趋势 ； 轨枕梁端错动量受速度影响略小， 整体上也有速度增大而增大的 趋势。 0124 实施例。

49、 3 ： 0125 本实施例主要介绍本介绍方法在细部检算模型中的应用。以 CRTS 型板式无砟 轨道的应用及检算为例， 介绍该方法在细部检算中的应用。其中， 主要进行以下两项计算 ： 1） 底座板不同配筋方式对底座板受力情况的影响分析 ； 2） 轨道板底部与自密实混凝土相连 接的门型钢筋的强度检算。 0126 CRTS 型板式无砟轨道自上而下由钢轨、 扣件、 轨道板、 门型钢筋、 自密实混凝土、 隔离层、 橡胶垫层、 底座板等组成。钢轨为 CHN60 轨， 扣件为 WJ-8 型扣件系统， 扣件间距为 0.63m， 每组扣件提供的纵向力为9.0kN， 横向静刚度为50kN/mm， 垂向静刚度为35kN/mm。 轨 道板为预制预应力钢筋混凝土结构，。