极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法

摘要

本发明公开一种极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性的分析方法，包括以下步骤：(1)建立桥隧过渡段无缝线路完整模型，其中，钢轨、轨枕、桥梁采用梁单元模拟，扣件纵横向阻力、道砟纵横向阻力采用非线性弹簧模拟，墩顶抗推刚度采用线性弹簧模拟，路基填充层、隧道部分采用实体单元模拟；(2)通过整体模型屈曲模态分析对轨道结构施加初始弯曲；(3)针对极端温度特征对模型施加纵向非线性温度荷载，以此研究桥隧过渡段无缝线路横向变形规律。本发明充分考虑了各类结构之间的非线性相互作用，并以屈曲模态为依据对模型施加初始缺陷，其分析结果更符合实际情况，可为极端温度条件下无缝线路的稳定性分析提供重要方法。

说明书

技术领域

本发明涉及无缝线路稳定性分析技术，尤其是极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定 性分析方法。

背景技术

目前我国青藏和黑龙江等极端温度条件地区往往采用有砟轨道无缝线路。线路通过复杂 地形地质区域时，桥梁与隧道之间常通过超短路基相连，无缝线路-桥梁-路基-隧道构成了统 一的整体。在寒潮、持续高温、以及昼夜温差较大的情况下，钢轨承受着极大的轴力。一方 面，桥梁在温度的作用下发生伸缩变形，引起桥梁与轨道之间的非线性相互作用。另一方面， 隧道口内外一定范围内，钢轨温度纵向存在着明显的非线性分布，导致钢轨与路基或隧道之 间也存在着非线性相互作用。加之环境温度的时变特性，系统各结构之间的非线性行为更加 复杂。

在温度的反复作用下，隧道口钢轨将发生横向变形甚至屈曲破坏，直接威胁列车运行安 全。近年来，我国青藏线和川藏线部分隧道口钢轨已出现了碎弯现象，引起了工务部门的广 泛关注，研究桥隧过渡段温度作用下轨道结构的变形规律有其必要性。

目前，在进行无缝线路稳定性分析时，往往采用规范建议的统一稳定性计算公式，但无 法考虑桥梁结构变形的影响；在进行桥上无缝线路稳定性分析时，往往采用假设钢轨初始弯 曲服从三角函数分布，通过修改钢轨初始坐标模拟钢轨初始缺陷。事实上，由于各构件之间 存在着相互影响和相互制约，在进行桥隧过渡段无缝线路稳定性分析时，必须建立综合考虑 桥梁-路基和隧道以及有砟轨道细部结构的系统仿真模型。在施加钢轨初始缺陷时，必须从系 统的角度来看，寻找钢轨的薄弱位置，参照屈曲模态施加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有分析方法的不足，提供一种考虑周全、计算合理、 能够贴近实际情况的桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性分析 方法，包括以下步骤：

(1)建立桥隧过渡段无缝线路完整模型，其中，钢轨、轨枕、桥梁采用梁单元模拟，扣 件纵横向阻力、道砟纵横向阻力采用非线性弹簧模拟，墩顶抗推刚度采用线性弹簧模拟，路 基填充层、隧道部分采用实体单元模拟；

(2)通过整体模型屈曲模态分析对轨道结构施加初始弯曲；

(3)针对极端气象温度特征对模型施加纵向非线性温度荷载，以此研究桥隧过渡段无缝 线路横向变形规律。

优选地，步骤(1)中的扣件纵横向阻力、道砟纵横向阻力的非线性约束参数按照现行规 范或实测结果取值。

优选地，步骤(1)中，桥梁梁单元的梁体中性轴至桥面和至支座的距离采用刚臂单元模 拟，刚臂刚度取为主梁刚度的40倍。

优选地，步骤(1)中隧道实体单元依照实际结构进行模拟或仅模拟出隧道衬砌即可，模 拟长度取为20m。

优选地，步骤(2)中施加初始弯曲时，对系统第一阶模态各节点变形进行调幅，最大幅 值取为0.45m的1/1000。

优选地，步骤(3)中的纵向非线性温度荷载采用二次曲线模拟，隧道口内外各取10m 模拟。

优选地，步骤(1)中扣件纵向阻力按下式取值：

其中，扣件纵向阻力r，单位为kN，钢轨与轨枕间的纵向相对位移x，单位为mm。

优选地，步骤(1)中扣件横向阻力按下式取值：

$r_H=\left(\begin{array}{cc}4.5x& \left|x\right|\le 2mm\\ 9& \left|x\right|>2mm\end{array}\right)$

其中，扣件横向阻力r_H，单位为kN，钢轨与轨枕间横向相对位移x，单位为mm。

优选地，步骤(1)中道砟纵向和横向阻力采用理想弹塑性模型，按下式计算：

其中，r表示阻力，单位为kN/m，u为桥梁和轨枕间的相对位移，单位为mm。

优选地，步骤(3)中的纵向非线性温度荷载采用表达式拟合为二次曲线：

T＝0.07x²+0.9x+5

其中T为钢轨应施加的温度，单位为℃，x为距离隧道口的距离，单位为m。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、将轨道、桥梁、路基和隧道视为一个有机系统，研究系统的受力及变形规律；

2、充分考虑了轨道、轨枕、桥梁之间的非线性特征；

3、采用系统模型屈曲模态来施加钢轨初始缺陷，便于明确钢轨薄弱节点的位置及钢轨受 力后的变形特征。

4、模型结构清晰，便于程序实现。

附图说明

图1是本发明中桥隧过渡段无缝线路稳定性分析模型立面示意图。

图2是本发明中桥隧过渡段无缝线路稳定性分析模型平面示意图。

图3是本发明实施例中采用隧道口20m内钢轨纵向温度分布曲线。

图例说明：

1、第一梁单元，2、第一非线性弹簧，3、第二梁单元，4、第二非线性弹簧，5、第三梁 单元，6、线性弹簧，7、第一实体单元，8、第二实体单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法包括如下步骤。

步骤一：建立钢轨单元结构

钢轨采用三维第一梁单元1模拟，轨道单元长度取为扣件间距，除桥梁范围外路基上建 立100m钢轨，桥梁与隧道之间建立20m路基上的钢轨，隧道内钢轨长度取为20m，另一侧 隧道外建立100m钢轨。

步骤二：建立轨枕

轨枕采用三维第二梁单元3模拟，轨枕截面尺寸、长度和分布间距按照实际取值。

步骤三：建立钢轨和轨枕之间的非线性约束

钢轨和轨枕之间采用扣件连接，扣件纵向阻力参考现行规范按下式取值：

其中，扣件纵向阻力r，单位为kN。钢轨与轨枕间的纵向相对位移x，单位为mm。

扣件横向阻力参照试验结果，按下式取值：

$r_H=\left(\begin{array}{cc}4.5x& \left|x\right|\le 2mm\\ 9& \left|x\right|>2mm\end{array}\right)$

其中，扣件横向阻力r_H，单位为kN。钢轨与轨枕间横向相对位移x，单位为mm。

钢轨和轨枕之间设置竖向位移耦合。扣件纵向横向弹簧采用第一非线性弹簧2模拟。

步骤四：建立桥梁单元

梁体采用三维第三梁单元5模拟，截面特性按照结构实际情况设置，单元长度与钢轨单 元长度一致。在梁体单元上共节点设置上下刚臂。刚臂刚度取为桥梁刚度的40倍。上刚臂长 度取为梁体中性轴至桥面的距离。下刚臂仅在梁端设置，长度取为梁体中性轴至支座的距离。

步骤五：建立轨枕与与梁体间的非线性约束

在轨枕和梁体相应节点之间设置等间距的第二非线性弹簧4模拟。道砟纵向和横向阻力 采用理想弹塑性模型，按下式计算：

其中，r表示阻力，单位为kN/m，u为桥梁和轨枕间的相对位移，单位为mm。

在轨枕和梁体相应节点之间设置竖向位移耦合。

步骤六：建立墩顶抗推刚度弹簧。

在桥梁固定支座处设置线性弹簧6，弹簧一端固结，弹簧刚度参照现行规范偏安全地取 为500kN/cm。

步骤七：建立路基单元。

采用第一实体单元7建立路基填充层，隧道部分长度为20m，路基与轨枕之间采用步骤 五的方法进行连接。

步骤八：建立隧道单元。

按照隧道衬砌实际截面形式建立第二实体单元8，隧道长度取为20m，隧道另一侧建立 100m路基上的钢轨，轨枕与隧道底部之间采用步骤五的方法进行连接。

所建立的模型如图1和图2所示。

步骤九：进行屈曲模态分析。

对整个模型进行屈曲模态分析，第一阶模态钢轨最大变形为0.45m，最大横向变形出现 在路隧交接处。桥路相交附近也存在着较大的横向变形，为0.32m。表明桥梁和隧道结构刚 度相对较大，系统薄弱点出现在结构相交处。

步骤十：对钢轨施加初始弯曲。

对系统第一阶模态各节点变形进行调幅，最大幅值取为0.45m的1/1000。

步骤十一：施加温度荷载，分析钢轨横向变形规律。

钢轨施加如图3所示的温度荷载模式，其表达式拟合为二次曲线：

T＝0.07x²+0.9x+5

其中T为钢轨应施加的温度，单位为℃，x为距离隧道口的距离，单位为m。隧道口外 钢轨温度相对较低，为5℃，桥梁及路基范围内的其他钢轨施加5℃温度荷载。隧道口10m 附近钢轨温度升高到21℃，隧道内其他范围内钢轨也施加21℃温度荷载。温度荷载施加范围 为隧道口内外各10m。

梁体参照现行规范，按降温15℃计算。

计算结果如表1所示。可以看出，在上述条件下情况下，钢轨温度变形较小，系统仍处 于稳定状态，不影响列车通行。

表1关键部位钢轨变形计算结果

位置 钢轨横向变形 钢轨纵向变形 桥梁跨中 0.5mm 2.1mm 桥梁-路基交接处 0.9mm 5.2mm 路基中部 0.4mm 2.3mm 路基-隧道交接处 1.2mm 3.5mm 隧道中部 0.7mm 1.8mm 隧道路基交接处 0.4mm 1.2mm

相对于现有技术，本发明聚焦于极端温度条件，针对桥隧过渡段这一复杂工程结构，通 过建立轨道-桥梁-路基-隧道结构，分析此类地段有砟轨道的横向变形特征。本发明充分考虑 了各类结构之间的非线性相互作用，并以屈曲模态为依据对模型施加初始缺陷，其分析结果 更符合实际情况，可为极端温度条件下无缝线路的稳定性分析提供重要方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对 于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视 为本发明的保护范围。