一种桥上无缝道岔结构体系及其动力分析方法

摘要

一种桥上无缝道岔结构体系及其动力分析方法，属于铁道工程应用计算与设计技术领域。本发明方法首先利用FORTRAN自编程序模块完成车辆结构的建模；然后利用ANSYS软件模块来完成道岔和桥梁结构的建模；最后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。本发明方法采用自编程序和商业软件相结合的方法，既充分考虑岔区复杂的轮轨接触关系，又尽量按实际状态完成对道岔和桥梁结构的建模，充分保证模型的细致、完整、准确，相对传统建模方法具有明显的改进。

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。

所述道岔结构建模中，对于有砟轨道无缝道岔，岔枕采用空间梁单元模拟；对于无砟轨道无缝道岔，轨道板采用空间板单元模拟；岔枕或轨道板下的支承采用弹簧-阻尼单元来模拟。

所述道岔结构建模中，根据道岔结构的力学特性进行道岔结构建模，所述道岔结构的力学特征包括：间隔铁与顶铁之间的非线性作用；尖轨与基本轨之间的非线性作用；心轨与翼轨之间的非线性作用；尖轨与滑床台之间的非线性作用；以及，心轨与滑床台之间的非线性作用。

所述桥梁结构建模中，根据桥梁结构的力学特性，对桥梁结构进行合理简化，采用空间变截面梁单元进行模拟。

在所述耦合求解中，所述车岔之间的动力相互作用以轮轨接触的方式体现，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，从而满足岔区轮轨接触的复杂性要求。

在所述耦合求解中，所述道岔与桥梁之间的动力相互作用是指，根据不同的连接型式确定相应的刚度和阻尼参数，通过弹簧-阻尼单元进行模拟。

在所述耦合求解中，所述FORTRAN模块包含了车辆结构建模所需要的全部信息，所述车辆结构建模所需要的全部信息包括：车辆结构自由度的分配以及车辆各部分的质量、刚度和阻尼参数；所述ANSYS模块包含了道岔结构和桥梁结构建模需要的信息，所述道岔结构和桥梁结构建模需要的信息包括：自由度的分配以及各子结构的质量、刚度和阻尼参数。

在所述耦合求解中，所述接口和控制程序FORSYS通过所述FORTRAN模块和所述ANSYS模块完成车辆和道岔的耦合，判断车岔相对位置，确定轮轨接触状态，计算轮轨相互作用力，并对所组成的车辆-道岔-桥梁空间耦合系统进行求解，从而得到系统各部分的动力响应。

所述道岔包括有砟轨道道岔和无砟轨道道岔，所述桥梁包括简支梁桥和连续梁桥。

本发明的有益效果

该发明提供了一种准确有效的桥上无缝道岔结构体系动力分析方法，其采用自编程序和商业软件相结合的方法，既充分考虑岔区复杂的轮轨接触关系，又尽量按实际状态完成对道岔和桥梁结构的建模，充分保证了模型的细致、完整、准确，相对传统建模方法具有明显的改进。根据本发明的建模方法将自编程序、商业软件两者建模手段巧妙结合，既可以发挥自编程序建模较为灵活、易于扩展和再开发的优势，又可以充分发挥商业软件在结构建模上细致、准确、快速的特点，十分便于桥上无缝道岔系统的建模分析，具有很高的理论价值和商业推广前景。

附图说明

图1为桥上无缝道岔结构体系建模过程示意图；

图2为车辆计算模型图示；

图3为轮轨垂向力图示；

图4为轮轨横向力图示；

图5为脱轨系数图示；

图6为轮重减载率图示；

图7为车体横向加速度图示；

图8为转向架横向加速度图示；

图9为钢轨垂向加速度图示；

图10为轨道板垂向加速度图示；

图11为轨道板横向加速度图示；

图12为轨道板垂向位移图示；

图13为轨道板横向位移图示；

图14为桥梁垂向加速度图示；

图15为桥梁横向加速度图示；

图16为桥梁垂向位移图示；

图17为桥梁横向位移图示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1：本发明实现一种桥上无缝道岔结构体系的动力分析方法。在本实施例中，基于空间耦合模型对桥上无缝道岔结构体系进行动力分析。桥上无缝道岔结构体系包括：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。

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，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。

本实施例实现的桥上无缝道岔结构体系动力分析方法包括：

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，利用相应接口和控制程序FORSYS实现FORTRAN模块和ANSYS模块的连接和耦合求解。

本实施例以列车以350km/h速度直向通过客运专线桥上18号无砟轨道无缝道岔为例，对该方法进行介绍。车辆采用国产动车组CRH3车辆参数，车辆全长26.3m，定距17.375m，轴距2.5m，车体质量40t，构架质量3.2t，轮对质量2.4t。道岔位于30.7+48+30.7连续梁上，道岔布置图如图6所示。轨道板厚0.3m，板下支承刚度为21GPa/m。桥梁为连续梁，梁体采用C40混凝土。根据本发明进行桥上无缝道岔结构体系建模，过程如图1所示。

在车辆结构建模中，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。

在道岔结构建模中，对于有砟轨道无缝道岔，岔枕采用空间梁单元模拟；对于无砟轨道无缝道岔，轨道板采用空间板单元模拟；岔枕或轨道板下的支承采用弹簧-阻尼单元来模拟。根据道岔结构的力学特性进行道岔结构建模，这些力学特征包括：间隔铁与顶铁之间的非线性作用；尖轨与基本轨之间的非线性作用；心轨与翼轨之间的非线性作用；尖轨与滑床台之间的非线性作用；以及，心轨与滑床台之间的非线性作用。

在桥梁结构建模中，根据桥梁结构的力学特性，对桥梁结构进行合理简化，采用空间变截面梁单元进行模拟。

根据本实施例的方法可以得到车辆、道岔及桥梁各部分的振动加速度、动位移等动力响应；可以得到轮轨垂向作用力、轮轨横向作用力等动力响应；可以得到脱轨系数、减载率、车体加速度等行车安全、舒适性指标。主要计算结果如图3至图17所示。

在耦合求解中，车岔之间的动力相互作用以轮轨接触的方式体现，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，从而满足岔区轮轨接触的复杂性要求；道岔与桥梁之间的动力相互作用可根据不同的连接型式确定相应的刚度和阻尼参数，通过弹簧-阻尼单元进行模拟。

FORTRAN模块包含了车辆结构建模所需要的全部信息，具体包括：车辆结构自由度的分配以及车辆各部分的质量、刚度和阻尼参数；ANSYS模块包含了道岔结构和桥梁结构建模需要的信息，具体包括：自由度的分配以及各子结构的质量、刚度和阻尼参数。接口和控制程序FORSYS通过FORTRAN模块和ANSYS模块完成车辆和道岔的耦合，判断车岔相对位置，确定轮轨接触状态，计算轮轨相互作用力，并对所组成的车辆-道岔-桥梁空间耦合系统进行求解，从而得到系统各部分的动力响应。轮轨垂向力、横向力如图3和图4所示，可以看出，列车通过辙叉区时比通过转辙区时轮轨力要大，这是由于心轨处存在着较大的结构不平顺造成的。

脱轨系数和轮重减载率最大为0.12、0.55，满足相关规范规定的脱轨系数小于0.80、轮重减载率小于0.60的要求。脱轨系数和轮重减载率如图5和图6所示。

列车直向过岔时车体和转向架的横向加速度分别为0.16m/s²、6.77m/s²，且通过尖轨比通过心轨时加速度要大。车体横向加速度满足小于0.10g的要求。车体和转向架的横向加速度如图7和图8所示。

钢轨加速度最大为811m/s²，轨道板加速度最大为0.85m/s²，轨道板最大位移为0.075mm。钢轨、轨道板的动力响应如图9至图13所示。

桥梁垂向加速度最大为0.60m/s²，横向加速度最大为0.015m/s²，垂向位移最大为0.74mm，横向位移最大为0.001mm，如图14至图17所示。

综合上述动力响应的计算结果可知，钢轨的振动加速度最大，其后依次为轨道板、桥梁的振动加速度，振动自上到下依次衰减。从车体加速度、脱轨系数、轮重减载率等指标来看，在该实施例的计算条件下，列车直向通过桥上无缝道岔可以满足行车安全性、舒适性等各项指标的要求。

本实施例表明，该发明可用于桥上无缝道岔结构体系的动力特性分析和评估。