基于扩展有限元的无砟轨道整体道床裂缝产生及发展的分析方法

摘要

本发明公开一种基于扩展有限元的无砟轨道整体道床裂缝产生及发展的分析方法，包括如下步骤：根据现场测量得到的无砟轨道的几何尺寸和物理属性，建立无砟轨道的有限元模型；对无砟轨道的轨枕块施加耦合力来描述列车荷载，计算无砟轨道受力情况；计算出的无砟轨道轨枕四角、轨枕中部、枕角周围位置的等效应力确定裂缝出现的位置；在所述无砟轨道的有限元模型上，按照裂缝萌生的位置预制一裂缝；应用扩展有限元方法，计算荷载作用下预制裂缝继续发展情况。本发明既通过力学方法确定了裂缝出现的位置，又可以通过在确定的出现位置处预制裂缝，分析荷载作用下预制裂缝继续扩展的情况。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通无砟轨道裂缝萌生位置的确定以及裂缝产生后 继续扩展的分析方法。

背景技术

无砟轨道连续浇注混凝土开裂在许多地方的高速铁路的轨道中都有出 现，而且运营后在长期荷载和自然因素的双重作用下会逐渐发展，使裂缝延 伸和加宽。大量裂缝的存在势必将影响无砟轨道结构的性能和使用寿命，所 以，通过对连续浇筑道床板混凝土变形性能的基础研究来控制其道床板或底 座板的裂缝是保证无砟轨道结构满足高速铁路正常运营、达到设计使用寿命 的关键。

我国城市轨道交通主要采用无砟轨道，但运营中常常会在轨枕周围出现 裂缝，且具有一定的规律性，裂缝多从承轨台处呈45度发展。针对无砟轨道 这种裂缝现象，目前主要从施工规范性、材料控制、混凝土浇筑后养护等表 观层面进行了分析，地铁运营公司多采用表面涂膜、压力注浆、开槽修补等 方法，进行养护维修。限于技术方法，尚不清楚道床开裂的内在原因。

如上所述，无砟轨道道床板混凝土的开裂问题在轨道建设和运营中比较 普遍，而众所周知，体积变形是影响混凝土开裂最重要的因素之一，其中以 收缩徐变最为关键。而如何合理利用无砟轨道道床板的许多优良特性，更新 评价和预测无砟轨道道床板混凝土变形(这里主要是收缩徐变变形)与开裂关 系的方法，以此来寻求控制无砟轨道道床板混凝土变形的抗裂措施，降低开 裂的可能性、以及由此造成的性能劣化对长期性能和耐久性的影响，成为十 分必要和紧迫的问题。

目前工程界对混凝土变形尤其是连续浇注道床板混凝土变形的理论发展 尚不完善，对于混凝土变形开裂原因和控制技术缺乏相关理论依据，特别是 评价和预测无砟轨道道床板混凝土变形与其开裂关系，所以极有必要对混凝 土变形做新的尝试性研究，以完善混凝土变形相关理论，为日后无砟轨道道 床板和底座板等工程实际提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于扩展有限元的无砟轨道整体道床裂缝产 生及发展的分析方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种基于扩展有限元的无砟轨道整体道床裂缝产生及发展的分析方法， 包括如下步骤：

根据现场测量得到的无砟轨道的几何尺寸和物理属性，建立无砟轨道的 有限元模型；

对无砟轨道的轨枕块施加耦合力来描述列车荷载，计算无砟轨道受力情 况；

计算出的无砟轨道轨枕四角、轨枕中部、枕角周围位置的等效应力确定 裂缝出现的位置；

在所述无砟轨道的有限元模型上，按照裂缝萌生的位置预制裂缝；

应用扩展有限元方法，计算荷载作用下预制裂缝继续发展情况。

优选地，所述无砟轨道的物理属性包括密度、弹性模量、泊松比。

优选地，选取四个轨枕块即列车的一个转向架的距离施加耦合力，对选 取的四个轨枕块施加的耦合力包括垂向荷载加纵向荷载、垂向荷载加横向荷 载、垂向荷载加横向荷载加纵向荷载三种工况。

优选地，所述预制裂缝为长方形。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种确定无砟轨道道床裂缝位置的方法，该方法不仅可以在 城市轨道交通领域使用，也可以延伸到高速铁路无砟轨道裂缝分析中；本发 明还提供了一种无砟轨道道床裂缝出现后继续发展情况分析方法，为无砟轨 道裂缝出现后继续发展提供了一种预测手段；本发明既通过力学方法确定了 裂缝出现的位置，又可以通过在确定的出现位置处预制裂缝，分析荷载作用 下预制裂缝继续扩展的情况。区别于以往只能够对轨道结构进行受力分析， 利用扩展有限元方法突破了传统有限元方法只能进行受力分析的局限。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的流程框图。

图2示出本发明一个实施例的道床有限元模型。

图3示出本发明一个实施例的荷载示意图。

图4示出本发明一个实施例的无砟轨道各部位等效应力数值图。

图5示出本发明一个实施例的无砟轨道各部位等效应力云图。

图6示出本发明一个实施例的预裂缝示意如图。

图7示出本发明一个实施例的施加荷载示意图。

图8示出本发明一个实施例的无砟轨道裂缝扩展图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一 步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员 应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制 本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于扩展有限元的无砟轨道整体道床裂缝产生及发展 的分析方法，包括如下步骤：

一.裂缝位置确定

1采用ABAQUS软件建立无砟轨道有限元模型，模拟不同工况下列车荷 载的作用，分析轨枕周围的无砟轨道受力情况，从而确定后期列车运营产生 裂缝的位置。

1.1如图2所示，采集无砟轨道几何尺寸和物理属性，包括轨道材料的密 度、弹性模量、泊松比，采用ABAQUS软件建立无砟轨道有限元模型；无砟 轨道的道床板几何尺寸为长6m，宽4.44m厚0.55m，中间排水沟宽0.55m, 深0.2m，轨枕块几何尺寸为长0.51m，宽0.26m，高0.19m。道床板采用C30 混凝土，其弹性模量为3.0×10¹⁰Pa，泊松比为0.25，密度为2500kg/m³，轨枕 块采用C50混凝土，其弹性模量为3.5×10¹⁰Pa，泊松比为0.20，密度为2500 kg/m³。

1.2如图3所示，通过分别选取轨道板中间部分的四个轨枕块即列车一个 转向架的距离来施加耦合力，在这四个轨枕块的中心以上适合位置处选取一 参考点，在ABAQUS软件中创建该参考点并与四个轨枕块上表面相互耦合， 按列车运行情况和线路状态分三种工况施加列车荷载，如下表1所示，来模 拟无砟轨道受力。

表1无砟轨道模型施加荷载工况表

项目 线路条件 荷载 工况I 直线 垂向荷载+纵向荷载 工况II 曲线 垂向荷载+横向荷载 工况III 曲线 垂向荷载+横向荷载+纵向荷载

1.3如图4所示，利用ABAQUS软件计算出无砟轨道轨枕块四角、轨枕 块中部、枕角周围等处的等效应力。

1.4基于得到的等效应力确定裂缝的出现位置。如图4示出工况II荷载作 用下无砟轨道各部位等效应力数值图。图5所示为轨枕周围无砟轨道等效应 力云图。结合计算所得等效应力数值及等效应力云图可确定轨枕角附近为受 力较大部位，裂缝应由此处开始发生发展。

二预裂缝扩展分析具体步骤

2.1采用ABAQUS软件建立与上述步骤中相同的无砟轨道有限元模型。

2.2如图6所示，采用扩展有限元法(XFEM)方法创建预制裂缝，在 ABAQUS软件中创建一个长50mm,深250mm的长方形预制裂缝，该预制裂缝 无物理属性类型选择为XFEM。将预制裂缝装配在轨枕块角45度的方向，裂 缝区域选择整个无砟轨道，并设置为允许裂缝扩展。

2.3如图7所示，为方便施加荷载，在轨枕块上表面几何中心正上方100mm 处创建参考点，将该参考点与轨枕块耦合，把荷载施加到参考点上；

2.4如图8所示，计算出荷载作用下预制裂缝继续扩展的情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变 化或变动仍处于本发明的保护范围之列。