一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的设计方法，其在充分调研既有有轨电车轨道路基设计资料，基本掌握有轨电车车辆、轨道和路基的设计参数基础上，采用响应面法进行试验并对结构进行回归分析，进而得到钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与各主要设计参数的函数关系，并根据所述函数关系进行嵌入式轨道路基结构设计方案的评价以及优化，最终得到经济合理的设计方案。

An optimized design method for tramway embedded railway subgrade structure

The invention relates to a design method for the embedded track subgrade structure of tram, which is based on the design data of the track subgrade of tram, basically mastering the design parameters of the tram vehicle, track and subgrade. The response surface method is used to carry out the test and regression analysis on the structure, and then the rail is obtained. The relationship between the vertical displacement, the longitudinal bending moment of the track plate, the deformation of the top surface of the base bed and the dynamic stress of the top surface of the bed and the main design parameters, and the evaluation and optimization of the design scheme of the embedded track subgrade structure according to the relation of the function, and finally get the economical and reasonable design case.

【技术实现步骤摘要】
一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的优化设计方法
本专利技术涉及一种优化设计有轨电车嵌入式轨道路基结构的方法，属于城市轨道交通领域。
技术介绍
现代有轨电车同属于城市轨道交通范畴，与地铁和轻轨有较多相似之处，但同时又具备其自身独有的技术和运营特征。现代有轨电车车辆型式独特、路权形式复杂、且下部嵌入式轨道结构较传统板式无砟轨道有较大的区别(如图1所示)，故在设计、施工与养护维修等方面不能盲目地套用地铁与轻轨的设计标准。然而，由于我国现代有轨电车研究起步较晚等原因，目前现代有轨电车轨道路基的设计和修建并无统一标准，多参照国外应用情况或借鉴其他城市轨道交通方式。因此，研究嵌入式轨道路基系统的联合设计，将有利于确保现代有轨电车系统安全稳定运营，延长线路使用寿命，促进我国现代有轨电车不断发展，具有良好的社会经济效益。因此亟需提出一种简便快捷的优化设计嵌入式轨道路基结构的方法。
技术实现思路
本专利技术针对当前对嵌入式轨道路基设计参数对各项设计指标影响规律的理论和研究不足，为提高轨道路基设计的经济性和合理性，提供一种简便优化设计嵌入式轨道路基结构设的方法。本专利技术能够正确的反映各关键轨道路基参数对设计指标的影响，同时大大提高了设计效率，进一步弥补了现代有轨电车嵌入式轨道路基设计方法的不足，具有较强的实用性和广泛的工程运用前景。为达上述及其它目的，本专利技术是通过以下技术方案实现：一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、充分调研既有有轨电车轨道路基设计资料，基本掌握有轨电车车辆、轨道和路基的设计参数，主要包括有：有轨电车轴重(A/t)，嵌入式轨道所采用的高分子材料弹性模量(B/MPa)，轨道板厚度(C/m)，路基基床总厚度(D/m)以及基床压实指标K30(E/(MPa/m))，从而确定设计参数的合理取值范围；步骤二、根据步骤一所收集的设计参数轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型；步骤三、根据步骤二所建立的有限元模型采用单因子变量法进行轨道路基结构参数影响分析，确定关键影响参数；步骤四、采用Box-Behnken试验设计方法进行响应面试验方案的设计；步骤五、采用逐步回归分析方法对数据进行回归分析，从而得到钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与步骤三所述关键影响因素之间的函数关系。进一步地，其特征在于：在步骤二中建立三块轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型，以中间一块轨道板所对应的轨道路基结构为研究对象。进一步地，其特征在于：所述关键影响参数为高分子填充材料弹性模量(A/MPa)，轨道板厚度(B/m)，路基基床总厚度(C/m)以及基床压实指标K30(D/(MPa/m))进一步地，其特征在于：所述的钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与步骤一所述五种因素的函数关系分别为：R1＝1.51700-0.24148*A+0.44218*B+0.15034*C-0.00061*D-0.00095*C*D+0.02037*A^2R2＝-3.58416+0.35598*A+85.28571*B+0.52415*C-0.012728*D+0.71429*A*B-0.00524*C*D-0.036296*A^2-136.05442*B^2R3＝0.17848+0.018201*A+0.58503*B+0.17381*C-0.00166*D-0.047619*A*B-0.00095*C*D-0.02381*C^2R4＝18.86752+0.18712*A-45.02721*B-7.61395*C+0.086799*D+2.24490*B*C-0.066667*B*D-0.014286*C*D+85.03401*B^2+3.08503*C^2其中：R1、R2、R3、R4分别表示钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形、基床顶面动应力，A为高分子材料弹性模量，B为轨道板厚度，C为基床总厚度，D为基床压实指标K30。进一步地，其特征在于：在步骤五之后还包括对所述方程误差分析和修正。进一步地，其特征在于：所述误差分析和修正包括步骤六：以复相关系数R2、修正的复相关系数和P值为评价指标进行误差分析，如果误差分析结果为不合格，则回到步骤四重新进行试验方案设计。进一步地，其特征在于：所述误差分析和修正包括步骤七：分别以钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力的最小值为优化目标，采用基于GA的BP神经网络对步骤五中所得函数关系进行优化分析，进一步地，其特征在于：所述误差分析和修正包括步骤八：根据层次分析法构建判断矩阵，并对判断矩阵进行一致性检验，并采用MATLAB编程求解判断矩阵的特征向量。进一步地，其特征在于：所述误差分析和修正包括步骤九：将步骤八所得权重系数对步骤七进行加权处理，从而得到最优的嵌入式轨道路基设计方案。所述的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型根据所收集的设计参数借助有限元软件ANSYS进行建立，槽型钢轨、高分子材料、轨道板、素混凝土支承层和路基均采用实体单元模拟，列车荷载通过一对作用在轨道板板中的集中力进行模拟。建立的有轨电车嵌入式轨道路基有限元模型如图2所示。本专利技术的优点：1)针对既有的嵌入式轨道路基结构设计的理论和方法尚不完善的情况，在轨道路基有限元模型的基础上，充分利用了有限元计算结果和统计学原理，提出了一种简便快捷的优化设计嵌入式轨道路基结构的方法，可以对嵌入式轨道路基结构的设计方案进行评价和优化，从而使得设计方案更加经济合理。2)响应面法能够利用较少的试验次数得到一系列评价指标，并通过回归分析得到各评价指标与因素之间的二次回归方程，从而在保证回归方程正确性的基础之上大大节省了宝贵的时间。3)层次分析法能够将设计人员的定性和定量分析相结合，从而使得设计人员可以很方便的根据以往工程经验和实际需求对嵌入式轨道路基设计方案进行调整。附图说明图1为本专利技术的流程图图2为嵌入式轨道路基结构示意图图3为嵌入式轨道路基结构有限元模型图图中标记如下：1-钢轨，2-高分子填充材料，3-轨道板，4-素混凝土支承层，5-路基。具体实施方式本实施方式所述一种简便优化设计嵌入式轨道路基结构的方法包括以下步骤：步骤一、充分调研既有有轨电车轨道路基设计资料，基本掌握有轨电车轨道路基结构的设计参数。以某有轨电车实际工程为例，有轨电车轴重为12.5t，设计速度为70km/h，动力系数为1.5，高分子材料弹性模量为3MPa，轨道板长度为6m，轨道板宽度为2.1m，轨道板厚度为0.22m，支承层宽度为2.1m，支承层厚度为0.2m，路基总厚度为1.5m，压实指标K30为110MPa/m。步骤二、根据步骤一所述的轨道设计参数和路基设计参数建立有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型；优选地，为消除边界效应对计算结果的影响，建立三块轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型，以中间一块轨道板所对应的轨道路基结构为研究对象；步骤三、根据步骤二所建立的有限元模型采用单因子变量法进行轨道路基结构参数影响分析，从而确定出关键影响因素。经过申请人的研究和试验结果表明：(1)随着高分子填充材料弹性模量的增加，钢轨垂向位移显著减小；(2)轨道板长度和宽度对各项评价指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、充分调研既有有轨电车轨道路基设计资料，基本掌握有轨电车车辆、轨道和路基的设计参数，主要包括有：有轨电车轴重(A/t)，嵌入式轨道所采用的高分子材料弹性模量(B/MPa)，轨道板厚度(C/m)，路基基床总厚度(D/m)以及基床压实指标K30(E/(MPa/m))，从而确定设计参数的合理取值范围；步骤二、根据步骤一所收集的设计参数轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型；步骤三、根据步骤二所建立的有限元模型采用单因子变量法进行轨道路基结构参数影响分析，确定关键影响参数；步骤四、采用Box‑Behnken试验设计方法进行响应面试验方案的设计；步骤五、采用逐步回归分析方法对数据进行回归分析，从而得到钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与步骤三所述关键影响因素之间的函数关系。

【技术特征摘要】
1.一种有轨电车嵌入式轨道路基结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、充分调研既有有轨电车轨道路基设计资料，基本掌握有轨电车车辆、轨道和路基的设计参数，主要包括有：有轨电车轴重(A/t)，嵌入式轨道所采用的高分子材料弹性模量(B/MPa)，轨道板厚度(C/m)，路基基床总厚度(D/m)以及基床压实指标K30(E/(MPa/m))，从而确定设计参数的合理取值范围；步骤二、根据步骤一所收集的设计参数轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型；步骤三、根据步骤二所建立的有限元模型采用单因子变量法进行轨道路基结构参数影响分析，确定关键影响参数；步骤四、采用Box-Behnken试验设计方法进行响应面试验方案的设计；步骤五、采用逐步回归分析方法对数据进行回归分析，从而得到钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与步骤三所述关键影响因素之间的函数关系。2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：在步骤二中建立三块轨道板长度的有轨电车嵌入式轨道路基结构有限元模型，以中间一块轨道板所对应的轨道路基结构为研究对象。3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述关键影响参数为高分子填充材料弹性模量(A/MPa)，轨道板厚度(B/m)，路基基床总厚度(C/m)以及基床压实指标K30(D/(MPa/m))。4.根据权利要求1-3任一项所述的优化设计方法，其特征在于：所述的钢轨垂向位移、轨道板纵向弯矩、基床顶面变形和基床顶面动应力与步骤一所述五种因素的函数关系分别为：R1＝1.51700-0.24148*A+0.44218*B+0.15034*C-0.00061*D-0.00095*C*D+0.02037*A^2R2＝-3.58416+0.35598*A+85.28571*B+0.52415*C-0.0127...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯青松，孙魁，王威，张思皓，黎子荣，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西,36