桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术力学模型更加精细，荷载模型更加完善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铁道工程应用计算与设计
，尤其涉及一种桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法及系统。
技术介绍
桥上纵连板式无砟轨道是我国高速铁路桥上一种主要无砟轨道结构类型，在包括京沪高铁在内多条客运专线上得到应用。和其它类型桥上无砟轨道相比，桥上纵连板式无砟轨道具有众多优点：通过在轨道板中设置假缝，可以有效控制裂缝在无砟轨道中出现的位置；通过对无砟轨道板进行打磨处理，可以减少线路的精调量，并有效提高高速铁路线路的平顺性；通过在无砟轨道底座和桥梁间设置滑动层，可以大大降低桥梁墩台—桥梁—桥上无砟轨道—钢轨之间纵向相互作用力，有利于减少大跨度桥上钢轨伸缩调节器的数量，保证列车在桥上高速运行，并有利于降低桥梁墩台造价；通过在桥梁梁缝处设置挤塑板，可以缓解梁端转角对梁端无砟轨道和扣件系统受力的不利影响，提高列车高速通过桥梁梁缝时的平顺性。桥上纵连板式无砟轨道虽有种种优点，但由于桥上纵连板式无砟轨道钢筋在纵向是连续的，混凝土则是按开裂设计的，相比其它类型桥上无砟轨道，桥上纵连板式无砟轨道受力更为复杂，不但列车垂向荷载、无砟轨道不均匀温差荷载、下部基础变形荷载对其受力有较大影响，而且对其它类型桥上无砟轨道力学特性影响较小的列车纵向荷载(线路制动地段为列车制动荷载，线路牵引地段则为列车牵引荷载)、无砟轨道均匀温度荷载、无砟轨道混凝土收缩荷载等，对桥上纵连板式无砟轨道也会产生较大影响。另外，由于桥上纵连板式无砟轨道在纵向是连续的，一旦损坏，相比其它类型桥上无砟轨道，其修复要困难得多，而我国幅员广阔，高速铁路行车密度大，不少线路还有大量的跨线列车运行，安排长天窗时间进行线路维修作业十分困难。能否做到少维修，对于我国桥上纵连板式无砟轨道线路极为重要，甚至关系到桥上纵连板式无砟轨道的成败。因此，桥上纵连板式无砟轨道在服役期间复杂荷载循环作用下是否会发生疲劳破坏，是工程界十分关注的问题。随着桥上纵连板式无砟轨道在我国高速铁路上的广泛应用，国内一些学者对桥上纵连板式无砟轨道力学特性进行过一些研究，但大多数研究是针对纵向荷载作用下桥上纵连板式无砟轨道纵向力学特性、桥上纵连板式无砟轨道温度场及其引起的翘曲变形和层间离缝、桥上纵连板式无砟轨道稳定性及列车—纵连板式无砟轨道—桥梁耦合动力特性，对桥上纵连板式无砟轨道疲劳特性虽有过一些研究，但研究还不够深入，如作为桥上纵连板式无砟轨道疲劳特性研究的重要组成部分，桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的研究大多没有考虑服役期间荷载的时变特性和组合作用，也没有考虑一些对桥上纵连板式无砟轨道力学特性有重要影响的荷载，如列车制动和牵引荷载、无砟轨道混凝土收缩荷载、无砟轨道温度荷载，研究还存在很大的不足。为了更深入研究桥上纵连板式无砟轨道疲劳特性，迫切需要对组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法进行深入的研究。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开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。为实现上述目的，本专利技术公开一种桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，包括：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；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；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；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；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；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；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。为实现上述目的，本专利技术还公开一种桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析系统，包括：第一处理单元、用于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；第二处理单元、用于采用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，结合第一处理单元所得的服役期间时间-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；第三处理单元、用于采用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，结合第一处理单元所得的服役期间时间-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；第四处理单元、用于用高速列车—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；第五处理单元、用于将第二、三、四处理单元所得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；第六处理单元、用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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；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；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；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；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；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；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。...

【技术特征摘要】
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：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；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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：步骤(11)、从气象局网站下载某一地区气象局相关气象资料，包括年、月、日、平均风速、平均气温、日照时数、日最低气温、日最高气温、总辐射日总量；步骤(12)、借鉴国内外工程结构物温度场研究成果，建立桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型；步骤(13)、根据气象局的气象资料，在MATLAB环境下进行二次开发，得到桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型边界条件，并写入一文本文件；步骤(14)、在ANSYS环境下用APDL进行二次开发，编制桥上纵连板式无砟轨道温度场计算程序；计算程序读入MATLAB生成的桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型边界条件并求解，得到服役期间桥上纵连板式无砟轨道温度场；步骤(15)、根据服役期间桥上纵连板式无砟轨道温度场的计算结果，进一步得到服役期间桥上纵连板式无砟轨道温度及温度梯度时程曲线。3.根据权利要求1所述的桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，其特征在于，所述步骤(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；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。4.根据权利要求3所述的桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，其特征在于，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：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；钢轨选用梁单元进行模拟；扣件采用弹簧-阻尼单元进行模拟；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；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；CA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；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；桥梁采用实体单元进行模拟，将桥梁断面简化为矩形断面；以竖向弹簧单元连接裂缝两侧轨道板及底座；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。5.根据权利要求1所述的桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱分析方法，其特征在于，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：钢轨选用梁单元进行模拟；扣件采用非线性弹簧-阻尼单元进行模拟；无砟轨道混凝土以梁单元进行模拟；无砟轨道钢筋以梁单元进行模拟；桥梁以梁单元进行模拟；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；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；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；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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐庆元，李奕金，张泽，娄平，宋旭明，周小林，陈伟，张向民，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43