基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分析方法
【專利摘要】本發明公開一種基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分析方法，包括如下步驟：根據現場測量得到的無砟軌道的幾何尺寸和物理屬性，建立無砟軌道的有限元模型；對無砟軌道的軌枕塊施加耦合力來描述列車荷載，計算無砟軌道受力情況；計算出的無砟軌道軌枕四角、軌枕中部、枕角周圍位置的等效應力確定裂縫出現的位置；在所述無砟軌道的有限元模型上，按照裂縫萌生的位置預制一裂縫；應用擴展有限元方法，計算荷載作用下預制裂縫繼續發展情況。本發明既通過力學方法確定了裂縫出現的位置，又可以通過在確定的出現位置處預制裂縫，分析荷載作用下預制裂縫繼續擴展的情況。
【專利說明】基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分 析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及城市軌道交通無砟軌道裂縫萌生位置的確定以及裂縫產生后繼續擴 展的分析方法。
【背景技術】
[0002] 無砟軌道連續澆注混凝土開裂在許多地方的高速鐵路的軌道中都有出現，而且運 營后在長期荷載和自然因素的雙重作用下會逐漸發展，使裂縫延伸和加寬。大量裂縫的存 在勢必將影響無砟軌道結構的性能和使用壽命，所以，通過對連續澆筑道床板混凝土變形 性能的基礎研究來控制其道床板或底座板的裂縫是保證無砟軌道結構滿足高速鐵路正常 運營、達到設計使用壽命的關鍵。
[0003] 我國城市軌道交通主要采用無砟軌道，但運營中常常會在軌枕周圍出現裂縫，且 具有一定的規律性，裂縫多從承軌臺處呈45度發展。針對無砟軌道這種裂縫現象，目前主 要從施工規范性、材料控制、混凝土澆筑后養護等表觀層面進行了分析，地鐵運營公司多采 用表面涂膜、壓力注漿、開槽修補等方法，進行養護維修。限于技術方法，尚不清楚道床開裂 的內在原因。
[0004] 如上所述，無砟軌道道床板混凝土的開裂問題在軌道建設和運營中比較普遍，而 眾所周知，體積變形是影響混凝土開裂最重要的因素之一，其中以收縮徐變最為關鍵。而如 何合理利用無砟軌道道床板的許多優良特性，更新評價和預測無砟軌道道床板混凝土變形 (這里主要是收縮徐變變形）與開裂關系的方法，以此來尋求控制無砟軌道道床板混凝土 變形的抗裂措施，降低開裂的可能性、以及由此造成的性能劣化對長期性能和耐久性的影 響，成為十分必要和緊迫的問題。
[0005] 目前工程界對混凝土變形尤其是連續澆注道床板混凝土變形的理論發展尚不完 善，對于混凝土變形開裂原因和控制技術缺乏相關理論依據，特別是評價和預測無砟軌道 道床板混凝土變形與其開裂關系，所以極有必要對混凝土變形做新的嘗試性研究，以完善 混凝土變形相關理論，為日后無砟軌道道床板和底座板等工程實際提供理論依據。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發 展的分析方法。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案：
[0008] -種基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分析方法，包括如下 步驟：
[0009] 根據現場測量得到的無砟軌道的幾何尺寸和物理屬性，建立無砟軌道的有限元模 型；
[0010] 對無砟軌道的軌枕塊施加耦合力來描述列車荷載，計算無砟軌道受力情況； toon] 計算出的無砟軌道軌枕四角、軌枕中部、枕角周圍位置的等效應力確定裂縫出現 的位置；
[0012] 在所述無砟軌道的有限元模型上，按照裂縫萌生的位置預制裂縫；
[0013] 應用擴展有限元方法，計算荷載作用下預制裂縫繼續發展情況。
[0014] 優選地，所述無砟軌道的物理屬性包括密度、彈性模量、泊松比。
[0015] 優選地，選取四個軌枕塊即列車的一個轉向架的距離施加耦合力，對選取的四個 軌枕塊施加的f禹合力包括垂向荷載加縱向荷載、垂向荷載加橫向荷載、垂向荷載加橫向荷 載加縱向荷載三種工況。
[0016] 優選地，所述預制裂縫為長方形。
[0017] 本發明的有益效果如下：
[0018] 本發明提供一種確定無砟軌道道床裂縫位置的方法，該方法不僅可以在城市軌道 交通領域使用，也可以延伸到高速鐵路無砟軌道裂縫分析中；本發明還提供了一種無砟軌 道道床裂縫出現后繼續發展情況分析方法，為無砟軌道裂縫出現后繼續發展提供了一種預 測手段；本發明既通過力學方法確定了裂縫出現的位置，又可以通過在確定的出現位置處 預制裂縫，分析荷載作用下預制裂縫繼續擴展的情況。區別于以往只能夠對軌道結構進行 受力分析，利用擴展有限元方法突破了傳統有限元方法只能進行受力分析的局限。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0020] 圖1示出本發明的流程框圖。
[0021] 圖2示出本發明一個實施例的道床有限元模型。
[0022] 圖3示出本發明一個實施例的荷載示意圖。
[0023] 圖4示出本發明一個實施例的無砟軌道各部位等效應力數值圖。
[0024] 圖5示出本發明一個實施例的無砟軌道各部位等效應力云圖。
[0025] 圖6示出本發明一個實施例的預裂縫示意如圖。
[0026] 圖7示出本發明一個實施例的施加荷載示意圖。
[0027] 圖8示出本發明一個實施例的無砟軌道裂縫擴展圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說 明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具 體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。
[0029] 如圖1所示，一種基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分析方 法，包括如下步驟：
[0030] 一.裂縫位置確定
[0031] 1采用ABAQUS軟件建立無砟軌道有限元模型，模擬不同工況下列車荷載的作用， 分析軌枕周圍的無砟軌道受力情況，從而確定后期列車運營產生裂縫的位置。
[0032] 1. 1如圖2所示，采集無砟軌道幾何尺寸和物理屬性，包括軌道材料的密度、彈性 模量、泊松比，采用ABAQUS軟件建立無砟軌道有限元模型；無砟軌道的道床板幾何尺寸為 長6m，寬4. 44m厚0· 55m，中間排水溝寬0· 55m，深0· 2m，軌枕塊幾何尺寸為長0· 51m，寬 0. 26m，高0. 19m。道床板采用C30混凝土，其彈性模量為3. OXKTPa，泊松比為0. 25,密度 為2500kg/m3,軌枕塊采用C50混凝土，其彈性模量為3. 5 X KTPa，泊松比為0. 20,密度為 2500kg/m3。
[0033] 1. 2如圖3所示，通過分別選取軌道板中間部分的四個軌枕塊即列車一個轉向架 的距離來施加耦合力，在這四個軌枕塊的中心以上適合位置處選取一參考點，在ABAQUS軟 件中創建該參考點并與四個軌枕塊上表面相互耦合，按列車運行情況和線路狀態分三種工 況施加列車荷載，如下表1所示，來模擬無砟軌道受力。
[0034] 表1無砟軌道模型施加荷載工況表
[0035]
【權利要求】
1. 一種基于擴展有限元的無砟軌道整體道床裂縫產生及發展的分析方法，其特征在 于：包括如下步驟 根據現場測量得到的無砟軌道的幾何尺寸和物理屬性，建立無砟軌道的有限元模型； 對無砟軌道的軌枕塊施加耦合力來描述列車荷載，計算無砟軌道受力情況； 計算出無砟軌道軌枕四角、軌枕中部、枕角周圍位置的等效應力確定裂縫出現的位 置； 在所述無砟軌道的有限元模型上，按照裂縫萌生的位置預制裂縫； 應用擴展有限元方法，計算荷載作用下預制裂縫繼續發展情況。
2. 根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述無砟軌道的物理屬性包括密度、 彈性模量、泊松比。
3. 根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：選取四個軌枕塊即列車的一個轉向 架的距離施加耦合力，對選取的四個軌枕塊施加的耦合力包括垂向荷載加縱向荷載、垂向 荷載加橫向荷載、垂向荷載加橫向荷載加縱向荷載三種工況。
4. 根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述預制裂縫為長方形。
【文檔編號】G06F17/50GK104281748SQ201410524414
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】肖宏, 高亮, 方樹薇, 李啟航, 彭華, 蔡小培, 井國慶, 辛濤, 楊松 申請人:北京交通大學