一种基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法技术

本发明专利技术适用于铁路工程领域，提供了一种基于CA砂浆伤损的高速铁路板式无砟轨道结构评估方法。在本发明专利技术中，综合轨道结构力学、轮轨系统动力学和有限元等理论，借助ANSYS、ANSYS/LSDYNA等大型有限元软件，经过合理力学简化，较为准确的模拟CA砂浆伤损行为，并根据模拟结果生成相应的CA砂浆伤损养护维修各级标准。本发明专利技术的方法可以得出板式无砟轨道系统钢轨、轨道板、砂浆填充层等各部件的变形与受力，以及车辆和轨道系统各部振动加速度等参量，从而可以有效评估CA砂浆伤损对轨道结构受力和行车安全及舒适性的影响，对于板式无砟轨道的养护维修管理具有重要的实际意义。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术适用于铁路工程领域，提供了一种基于CA砂浆伤损的高速铁路板式无砟轨道结构评估方法。在本专利技术中，综合轨道结构力学、轮轨系统动力学和有限元等理论，借助ANSYS、ANSYS/LSDYNA等大型有限元软件，经过合理力学简化，较为准确的模拟CA砂浆伤损行为，并根据模拟结果生成相应的CA砂浆伤损养护维修各级标准。本专利技术的方法可以得出板式无砟轨道系统钢轨、轨道板、砂浆填充层等各部件的变形与受力，以及车辆和轨道系统各部振动加速度等参量，从而可以有效评估CA砂浆伤损对轨道结构受力和行车安全及舒适性的影响，对于板式无砟轨道的养护维修管理具有重要的实际意义。【专利说明】一种基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法
本专利技术属于铁道工程
，尤其涉及一种基于CA砂浆伤损的高速铁路板式无砟轨道结构评估方法。
技术介绍
我国幅员辽阔、环境条件复杂多样，无砟轨道作为行车的基础且一直暴露于复杂的大气环境中，受列车荷载、环境条件等多种因素长期作用的影响，难以避免产生各种病害。单元板式轨道作为拼装式结构，垂向层状结构一旦不稳定，会导致最薄弱的CA(Cement Asphalt Mortar, CAM)砂衆层破损并可能引起轨道板伤损,尤其是当CA砂衆伤损至碎裂掉块时，将导致轨道板底部脱空，造成轨道刚度局部突变，劣化轨道动态平顺性，降低轨道结构承载能力，不利于高速列车安全平稳运行。高速铁路和客运专线要求轨道结构具备极高的耐久性和可靠性，板式无砟轨道系统砂浆调整层出现伤损如何影响轨道平顺性和结构承载能力，对高速列车运行的安全性及平稳性的影响亟待解决。现有技术常运用有限元方法建立无砟轨道结构梁板模型或梁体模型，考虑“准静态”的列车荷载和温度荷载，针对无CA砂浆伤损状态的板式无砟轨道结构受力进行静力分析。并通过有限元方法建立车辆-无砟轨道系统耦合振动模型，但多数是针对无CA砂浆伤损状态的板式无砟轨道结构动力特性进行研究。目前，尚缺乏系统全面的针对CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构有效评估方法，难以建立合理的CA砂浆伤损的维修标准。砂浆伤损对轨道结构自身受力的影响最明显，现有的静力学梁板模型难以有效解决袋装施工CA砂浆层与轨道板之间的接触模拟，基于构造方法模拟CA砂浆掉块等伤损过于复杂繁琐。此外，较为轻微的轨道病害可能并不会对行车的安全性和平稳性造成较大的影响，但当轨道病害发展到一定阶段后，严重时将直接影响行车的平稳性和安全性。因此，有必要通过动力仿真分析来确定不同程度的轨道病害对行车的安全性和平稳性的影响。现有的动力学计算模型尚未建立合理的CA砂浆伤损本构模型，并且缺乏现场实测的验证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法，旨在解决现有技术存在的上述问题。本专利技术是这样实现的，一种基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法，所述方法包括:根据现场调查分析CA砂浆伤损的特征和机理，明确砂浆伤损形式和成因，并且建立CA砂楽;伤损本构初步模型；根据所述CA砂浆伤损本构初步模型，利用有限元分析软件，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从静、动力学两个角度出发，模拟和评估CA砂浆伤损行为；针对CA砂浆伤损进行现场动态测试，评估基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道动力学特性，并且利用现场动态测试结果对CA砂浆伤损本构初步模型进行优化，得到CA砂浆伤损本构优化模型；根据CA砂浆伤损本构优化模型，针对不同位置、形式和程度的CA砂浆伤损进行理论计算分析，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，评价CA砂浆伤损对轨道结构受力、行车安全性及平稳性的影响；根据所述CA砂浆伤损对轨道结构受力、行车安全性及平稳性的影响，将CA砂浆伤损级别划分多个等级，并相应生成CA砂浆伤损养护维修标准。进一步地，所述根据所述CA砂浆伤损本构初步模型，利用有限元分析软件，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从静、动力学两个角度出发，模拟和评估CA砂浆伤损行为的步骤包括:对钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板及基础进行仿真模拟，对砂浆层与轨道板之间的层间接触关系进行模拟，将伤损区域砂浆单元予以杀死，生成含砂浆伤损的CRTS I型板式无砟轨道静力学梁体模型，在列车竖向荷载和温度荷载作用下，针对不同位置和尺寸大小的砂浆伤损，计算并输出显示轨道结构受力；对机车车辆、钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板及基础进行仿真模拟，伤损区域砂浆采用零刚度和零阻尼的离散梁单元进行模拟，生成含砂浆伤损的车辆-CRTS I型板式无砟轨道垂向耦合振动空间模型，针对不同位置和尺寸大小的砂浆伤损，计算并输出显示车辆和轨道系统动力特性。进一步地，对钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板及基础进行仿真模拟，对砂浆层与轨道板之间的层间接触关系进行模拟，将伤损区域砂浆单元予以杀死，生成含砂浆伤损的CRTS I型板式无砟轨道静力学梁体模型的步骤包括:对钢轨采用梁单元进行模拟，赋予实际截面属性，考虑纵、垂向位移及转角；对扣件采用线性弹簧单元进行模拟，考虑扣件的垂向刚度；对轨道板、砂浆层及底座板采用实体单元进行模拟，轨道板与砂浆层之间采用接触单元模拟，砂浆层与底座板之间按粘结处理；采用单元生死技术将伤损区域砂浆单元予以杀死进行模拟砂浆伤损；采用线性弹簧单元模拟底座板底部支承，支承刚度由弹簧数量及基础类型决定。进一步地，所述在列车竖向荷载和温度荷载作用下，针对不同位置和尺寸大小的砂浆伤损，计算并输出显示轨道结构受力的步骤包括:在列车荷载和温度荷载作用下，针对不同位置出现不同大小的砂浆伤损，计算并输出显示钢轨、轨道板、砂浆层及底座板垂向位移；在列车荷载和温度荷载作用下，针对不同位置出现不同大小的砂浆伤损，计算并输出显示轨道板、砂浆层及底座板纵横垂向应力。进一步地，所述对机车车辆、钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板及基础进行仿真模拟，伤损区域砂浆采用零刚度和零阻尼的离散梁单元进行模拟，生成含砂浆伤损的车辆-CRTS I型板式无砟轨道垂向耦合振动空间模型的步骤具体包括:针对机车车辆采用多刚体模型，包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂；针对钢轨采用离散弹性点支承基础上Euler梁模拟，支承点间隔为扣件间距，约束钢轨横向位移；针对轨道板、底座均采用弹性薄板单元模拟，尺寸和材料参数按实际取值，并忽略凸形挡台及砂浆对轨道板提供的横向弹性约束；针对扣件、砂浆层和基础支承均考虑为弹簧-阻尼单元，采用垂向离散梁单元进行模拟，并赋予相应的线性刚度和粘性阻尼，伤损区域砂浆弹簧-阻尼单元赋予零刚度和零阻尼。进一步地，所述计算并输出显示车辆和轨道系统动力特性的步骤包括:钢轨、轨道板及底座板动态垂向位移和垂向振动加速度，扣件、砂浆层及基础支承弹簧单元动态垂向力，车体、转向架及轮对垂向振动加速度，轮轨垂向作用力。在本专利技术中，综合轨道结构力学、轮轨系统动力学和有限元等理论，借助ANSYS、ANSYS/LSDYNA等大型有限元软件，经过合理力学简化，较为准确的模拟CA砂浆伤损行为，并根据模拟结果生成相应的CA砂浆伤损养护维修各级标准。本专利技术的方法可以得出板式无砟轨道系统钢轨、轨道板、砂浆填充层等各部件的变形与受力，以及车辆和轨道系统各部振动加速度等参量，从而可以有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法，其特征在于，所述方法包括：根据现场调查分析CA砂浆伤损的特征和机理，明确砂浆伤损形式和成因，并且建立CA砂浆伤损本构初步模型；根据所述CA砂浆伤损本构初步模型，利用有限元分析软件，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从静、动力学两个角度出发，模拟和评估CA砂浆伤损行为；针对CA砂浆伤损进行现场动态测试，评估基于CA砂浆伤损的板式无砟轨道动力学特性，并且利用现场动态测试结果对CA砂浆伤损本构初步模型进行优化，得到CA砂浆伤损本构优化模型；根据CA砂浆伤损本构优化模型，针对不同位置、形式和程度的CA砂浆伤损进行理论计算分析，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，评价CA砂浆伤损对轨道结构受力、行车安全性及平稳性的影响；根据所述CA砂浆伤损对轨道结构受力、行车安全性及平稳性的影响，将CA砂浆伤损级别划分多个等级，并相应生成CA砂浆伤损养护维修标准。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学毅，任娟娟，杨荣山，颜华，林红松，赵坪锐，刘克飞，李培刚，张雷，蔡文峰，
申请(专利权)人：西南交通大学， 中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51