桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法技术

本发明专利技术公开一种桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法，分别建立列车子模型和纵连板式无砟轨道

【技术实现步骤摘要】
桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法


[0001]本专利技术涉及一种桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法
。

技术介绍

[0002]为摆脱土地资源
、
线路环境
、
地质条件和轨道平顺性等因素的限制，使列车高速平稳运行，桥梁结构在我国高铁线路中得到了大量采用，但由于地底资源的开采及其它因素影响，桥墩沉降现象层出不穷
。
现有运营的高铁线路多处发生工后非均匀沉降，大多已超高速铁路计规范中
5mm
限值，严重沉降区的桥墩不均匀沉降更是逼近了扣件的最大调高量
30mm。
一旦桥墩发生沉降，势必影响列车运行的安全性与舒适性
。
[0003]作为研究高速列车行车安全的基础，高速铁路基础变形与轨面变形间的表征模式是近几年铁路工程中的热点
。
例如，
Chen
等推导了板式无砟轨道系统的桥墩沉降与轨道变形的映射关系，研究表明：多墩沉降轨道变形是单墩沉降轨道变形的叠加
。Feng
等在考虑无砟轨道
‑
桥梁系统层间相互作用的基础上，基于势能驻值原理，提出桥梁变形与轨面变形间映射模型
。
揭示了钢轨变形随桥梁变形产生明显的“跟随”特性
。Gou
等建立了桥墩沉降
、
梁体错台
、
梁端转角等桥梁损伤变形与轨面变形的映射解析模型，定量研究了桥梁变形幅值对轨面变形的影响
。/>[0004]已有研究表明，桥墩沉降导致的轨道附加不平顺是高铁行车安全的重要因素，为进一步探究桥梁基础损伤下列车动态特性的变化规律，众多学者开展了一系列的的研究
。Zhang
等建立了单元板式无砟轨道有限元模型和列车
‑
轨道
‑
动力相互作用模型，分析了桥墩沉降变形对高速列车运行的影响，结果表明：单墩沉降比多墩沉降对列车运行安全的影响更大
。Hwang
等根据实测数据，研究了列车车体加速度与长波长轨道不平顺的相关性，提出了季节性温度变化下的长波长轨道不平顺的控制方法
。
[0005]然而，虽然基于映射模型探讨桥墩沉降与列车走行性能动力学指标间的内在拓扑关系的研究已然很多，但仍然存在以下问题：
[0006](1)
现有的研究均局限于轮轨垂向力或车体加速度等单一评价指标的拟合回归分析，未能将轮轨垂向力
、
轮重减载
、
脱轨系数及车体垂向加速度等行车指标综合考虑；这将导致研究的结果不能准确反映出桥墩沉降值与行车性能指标间的实际内在拓扑关系
。
[0007](2)
现有的研究均为桥轨界面接触完好情况下的研究，未考虑桥梁沉降引起的桥轨界面联结失效对列车运行安全的影响；这将导致计算的行车性能指标值比实际情况小，从而使提出的桥墩沉降限值偏大
。
[0008]因此，有必要将层间联结失效和桥墩沉降纳入轨道
‑
桥梁系统，研究列车动力学指标变化量与折减扣件力及沉降值的拟合相关性，为快速精准评价桥墩沉降下高速铁路桥上行车安全提供充分保证保障
。

技术实现思路

[0009]基于上述提出的现有桥墩沉降值与行车性能指标间的内在拓扑关系研究的局限
性及问题，本专利技术提供一种考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间的内在拓扑关系分析方法，以纵连板式无砟轨道
‑
桥梁系统为研究对象，建立考虑层间联结失效和桥墩沉降的列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型，研究列车动力学指标变化量与折减扣件力及沉降值的拟合相关性，推导桥墩沉降与列车力学指标之间的定量关系
。
具体技术方案如下：
[0010]一种桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法，包括如下步骤：
[0011]1)
建立列车子模型；
[0012]2)
建立纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型；
[0013]3)
桥墩沉降致桥轨层间联结失效和轨道附加不平顺的模拟；
[0014]4)
将建立的列车子模型和纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型组装，获得列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型，并将模拟的桥墩沉降致桥轨层间联结失效和轨道附加不平顺嵌入所述列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型中，建立考虑桥墩沉降和层间联结失效的列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型；
[0015]5)
验证所述考虑层间联结失效和桥墩沉降的列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型计算结果的准确性；
[0016]6)
分析桥墩沉降和层间联结失效对列车
‑
轨道
‑
桥梁动力特性的影响，探明考虑层间联结失效的桥墩沉降幅值与行车动态指标的内在拓扑关系，据此提出桥墩沉降阈值
。
[0017]前述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，步骤
1)
中，所述列车子模型为采用动力学理论建立；该列车子模型为四轴车辆，其由1个车体
、2
个转向架和4个轮对组成，共计
31
个自由度；所述车体
、
转向架与轮对之间的悬挂系统采用弹簧
‑
阻尼单元模拟，车体和两个转向架考虑横移
、
沉浮
、
侧滚
、
点头和摇头5个自由度，每个轮对考虑横移
、
沉浮
、
侧滚与摇头4个自由度，车体
、
构架和轮对均为刚体
。
[0018]前述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，所述列车子模型的运动方程为：
[0019][0020]式中：
M
v
、C
v
、K
v
和
U
v
分别为车辆的质量矩阵
、
阻尼矩阵
、
刚度矩阵和位移向量，
v
表示车辆；
F
g
和
F
w
分别为车辆的自重向量和轮轨力向量，
g
表示车辆自重，
w
表示轮轨相互作用
。
[0021]前述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，步骤
2)
中，所述纵连板式无砟轨道
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的建立方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)
建立列车子模型；
2)
建立纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型；
3)
桥墩沉降致桥轨层间联结失效和轨道附加不平顺的模拟；
4)
将建立的列车子模型和纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型组装，获得列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型，并将模拟的桥墩沉降致桥轨层间联结失效和轨道附加不平顺嵌入所述列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型中，建立考虑桥墩沉降和层间联结失效的列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型；
5)
验证所述考虑桥墩沉降和层间联结失效的列车
‑
轨道
‑
桥梁系统耦合动力学联合仿真模型计算结果的准确性；
6)
分析桥墩沉降和层间联结失效对列车
‑
轨道
‑
桥梁动力特性的影响，探明考虑层间联结失效的桥墩沉降幅值与行车动态指标的内在拓扑关系，据此提出桥墩沉降阈值
。2.
根据权利要求1所述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，其特征在于：步骤
1)
中，所述列车子模型为采用动力学理论建立；该列车子模型为四轴车辆，由1个车体
、2
个转向架和4个轮对组成，共计
31
个自由度；所述车体
、
转向架与轮对之间的悬挂系统采用弹簧
‑
阻尼单元模拟，车体和两个转向架考虑横移
、
沉浮
、
侧滚
、
点头和摇头5个自由度，每个轮对考虑横移
、
沉浮
、
侧滚与摇头4个自由度，车体
、
构架和轮对均为刚体
。3.
根据权利要求2所述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，其特征在于：所述列车子模型的运动方程为：式中：
M
v
、C
v
、K
v
和
U
v
分别为车辆的质量矩阵
、
阻尼矩阵
、
刚度矩阵和位移向量，
v
表示车辆；
F
g
和
F
w
分别为车辆的自重向量和轮轨力向量，
g
表示车辆自重，
w
表示轮轨相互作用
。4.
根据权利要求1所述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，其特征在于：步骤
2)
中，所述纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型为采用有限元理论建立的轨道
‑
桥梁耦合系统静力学子模型，其主要包括钢轨
、
扣件
、
轨道板
、CA
砂浆层
、
底座板
、
两布一膜滑动层及简支梁；其中，所述钢轨
、
轨道板
、
底座板和桥梁均采用
3D
梁单元模拟，所述扣件
、CA
砂浆层和滑动层均采用弹簧
‑
阻尼单元模拟
。5.
根据权利要求4所述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性能指标间内在拓扑关系的分析方法，其特征在于：所述纵连板式无砟轨道
‑
桥梁子模型的运动方程为：式中：
M
tb
、C
tb
、K
tb
和
U
tb
分别为轨道
‑
桥梁子系统的质量矩阵
、
阻尼矩阵
、
刚度矩阵和位移向量，
tb
轨道
‑
桥梁子系统，
t
表示轨道系统，
b
表示桥梁系统
。6.
根据权利要求1所述的考虑板底脱空长度和折减扣件力最值的桥墩沉降值与行车性
能指标间内在拓扑关系的分析方法，其特征在于：步骤
3)
中，所述桥轨层间联结失效和桥墩沉降致轨道附加不平顺的模拟在桥轨变形通用标准模型中进行，所述桥轨层间联结失效为由桥墩沉降引起的轨道层间联结失效，主要为底座板板底脱空；所述桥墩沉降致轨道附加不平顺为桥墩沉降与轨道变形的表征关系，其通用表征为：式中：
V
r
代表钢轨变形矩阵，
V
s
代表轨道板变形矩阵，
V
p
代表底座板变形矩阵，
r
表示钢轨，
s
表示轨道板，
p
表示底座板；
A、B、C1、C2、D、H1、H2、I
分别代表轨道各层结构位移的影响矩阵；
Q
r
、Q
s
、Q
p
分别代表轨道各层结构的自重矩阵；
F、P、N
分别代表轨道各层间弹簧力矩阵，表示为式中：
k
c
、k
ca
、k
p
分别代表扣件弹簧
、
砂浆弹簧及接触弹簧刚度矩阵；
V
b
代表路基不均匀沉降位移矩阵；
c
表示扣件弹簧，
ca
表示砂浆弹簧，
p
表示接触弹簧，
b
表示路基；联立求解式
(4)
～
(5)
，轨道各层结构变形，表示为：式中：
E
表示单位矩阵，
k
c
、k
ca
、k
p
分别代表扣件弹簧
、
砂浆弹簧及接触弹簧刚度矩阵；
c
表示扣件弹簧，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉林，侯宇，谈遂，何彬彬，吴子轩，梅宇航，周旺保，蒋丽忠，
申请(专利权)人：中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心，
类型：发明
国别省市：