限位結構承載力確定的方法與流程

本發明涉及鐵道工程設計技術領域，具體而言，涉及一種限位結構承載力確定的方法。

背景技術：

無砟軌道結構具有高平順性、高穩定性、高耐久性和高可靠性的特點，在世界高速鐵路和城市軌道交通中得到了廣泛的應用。目前，對于無砟軌道設計方面有著一套系統的理論，從荷載計算取值、荷載作用下的無砟軌道荷載效應、如何配筋到后期裂紋檢算，都有著成熟的計算方法。

目前大量的設計方法多針對無砟軌道主體結構，例如軌道板、底座板承載能力設計及配筋設計、無砟軌道各層配筋后的荷載裂紋檢算等方面，對于細部結構的設計及檢算較少涉及，例如，對crtsⅰ型板式無砟軌道板端圓形限位凸臺以及橋梁梁端位置處的半圓形限位凸臺，橋上crtsⅱ型板式無砟軌道側向擋塊，crtsⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土下凸臺，以及橋上雙塊式無砟軌道板下限位凸臺等，這些結構的設置主要功能在于提供無砟軌道在車輛荷載以及溫度荷載作用下水平向的限位能力，而水平向限位能力是體現無砟軌道整體穩定性的關鍵。

然而，目前設計方法在對上述限位結構進行設計時多基于容許應力法，結合《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土設計規范》中的設計方法進行配筋設計及裂紋檢算，對設計完成后限位結構的真實承載能力及傷損演變過程缺乏認識，主要原因在于缺乏可靠的分析手段對限位結構真實破壞過程進行仿真，而實尺模型破壞試驗往往耗資不菲。限位結構真實承載能力認識不足也導致了工程應用階段出現了限位結構破壞的諸多問題，帶來后期大量的養護維修工作量，也給高速鐵路安全運營帶來了較大的安全隱患。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于提供一種限位結構承載力確定的方法，以解決現有技術中的限位結構容易被破壞的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種限位結構承載力確定的方法，方法包括：根據限位結構的實際工況，建立擴展有限元模型，根據擴展有限元模型引入損傷參數模型對限位結構進行逐級加載以使限位結構產生裂紋，根據裂紋確定限位結構的承載力。

進一步地，實際工況包括：限位結構的第一實際工況以及設置在限位結構內的配筋的第二實際工況。

進一步地，擴展有限元模型包括：根據第一實際工況建立的第一擴展有限元模型以及根據第二實際工況建立的第二擴展有限元模型。

進一步地，第一實際工況包括混凝土彈模參數、泊松比參數、以及混泥土質量參數，第二實際工況包括配筋截面尺寸參數、配筋彈模參數以及配筋屈服強度參數。

進一步地，損傷參數模型包括混凝土破壞應力參數、混泥土應變參數、混凝土軟化模型以及混凝土破壞能參數。

進一步地，混凝土軟化模型通過hillerborg線性軟化模型獲得。

進一步地，方法還包括：在引入損傷參數模型以使限位結構產生裂紋直至裂紋擴展完成后，根據限位結構的加載點建立荷載位移曲線，根據荷載位移曲線確定限位結構的承載力。

進一步地，方法還包括：在引入損傷參數模型以使限位結構產生裂紋直至裂紋擴展完成后，根據限位結構的加載點建立荷載位移曲線，根據擴展完成后的裂紋建立荷載裂紋尖端開口量曲線，根據荷載位移曲線與荷載裂紋尖端開口量曲線確定限位結構的承載力。

進一步地，限位結構的底部與橋面現澆后固結在一起，限位結構的底面采用三向位移約束模擬，根據限位結構的受力位置確定限位結構的加載點。

進一步地，限位結構設置于crtsⅰ型、crtsⅱ型或crtsⅲ型板式無砟軌道板上。

應用本發明的技術方案，限位結構承載力確定的方法，該方法包括根據限位結構的實際工況，建立擴展有限元模型，根據擴展有限元模型引入損傷參數模型對限位結構進行逐級加載以使限位結構產生裂紋，根據裂紋確定限位結構的承載力。采用該方法確定出的限位結構承載力更加準確，提高了限位結構的設置精度，增加了限位結構的可靠性。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1示出了crtsⅰ型板式無砟軌道梁端半圓形限位凸臺尺寸及配筋方案圖；

圖2示出了梁端半圓形凸臺擴展有限分析模型；

圖3示出了梁端限位凸臺內部配筋模型斷面圖；

圖4示出了梁端限位凸臺內部配筋模型平面圖；

圖5示出了hillerborg線性軟化模型荷載-位移曲線；

圖6示出了hillerborg線性軟化模型應力-位移曲線；

圖7示出了分析模型邊界條件及加載示意圖；

圖8示出了荷載位移曲線分析結果；

圖9示出了荷載-裂紋開口量曲線分析結果。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

10、限位結構；20、配筋。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

需要說明的是，本申請的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的術語在適當情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實施方式例如能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。

為了便于描述，在這里可以使用空間相對術語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個器件或特征與其他器件或特征的空間位置關系。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構造上方”或“在其他器件或構造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構造下方”或“在其他器件或構造之下”。因而，示例性術語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉90度或處于其他方位)，并且對這里所使用的空間相對描述作出相應解釋。

現在，將參照附圖更詳細地描述根據本申請的示例性實施方式。然而，這些示例性實施方式可以由多種不同的形式來實施，并且不應當被解釋為只限于這里所闡述的實施方式。應當理解的是，提供這些實施方式是為了使得本申請的公開徹底且完整，并且將這些示例性實施方式的構思充分傳達給本領域普通技術人員，在附圖中，為了清楚起見，有可能擴大了層和區域的厚度，并且使用相同的附圖標記表示相同的器件，因而將省略對它們的描述。

結合圖1至圖9所示，根據本發明的實施例，提供了一種限位結構承載力確定的方法。

該方法包括根據限位結構的實際工況，建立擴展有限元模型，根據擴展有限元模型引入損傷參數模型對限位結構進行逐級加載以使限位結構產生裂紋，根據裂紋確定限位結構的承載力。

在本實施例中，提供了一種無砟軌道限位結構承載力設計新方法。建立限位結構內部實際配筋模型，使得限位結構破壞演變過程模擬更加真實可靠。在限位結構混凝土模型內引入擴展有限元分析方法，實現對荷載作用下裂紋在限位結構內部的發展路徑進行模擬。通過分析結果中的荷載-位移曲線和荷載-裂紋尖端開口量曲線獲取限位結構真實承載能力，使得結構設計更加精準、安全、可靠。同時，該設計模型能夠獲取裂紋擴展路徑，從而能夠依據裂紋擴展路徑進行相應的配筋加強。采用該方法確定出的限位結構承載力更加準確，提高了限位結構的設置精度，增加了限位結構的可靠性。

其中，實際工況包括限位結構的第一實際工況以及設置在限位結構內的配筋20的第二實際工況。擴展有限元模型包括根據第一實際工況建立的第一擴展有限元模型以及根據第二實際工況建立的第二擴展有限元模型。

進一步地，第一實際工況包括混凝土彈模參數、泊松比參數、以及混泥土質量參數，第二實際工況包括配筋截面尺寸參數、配筋彈模參數以及配筋屈服強度參數。損傷參數模型包括混凝土破壞應力參數、混泥土應變參數、混凝土軟化模型以及混凝土破壞能參數。混凝土軟化模型通過hillerborg線性軟化模型獲得。

本實施例中的方法還包括在引入損傷參數模型以使限位結構產生裂紋直至裂紋擴展完成后，根據限位結構的加載點建立荷載位移曲線。根據擴展完成后的裂紋建立荷載裂紋尖端開口量曲線，根據荷載位移曲線與荷載裂紋尖端開口量曲線確定限位結構的承載力。

限位結構10的底部與橋面現澆后固結在一起，限位結構10的底面采用三向位移約束模擬，根據限位結構10的受力位置確定限位結構10的加載點(如圖7中箭頭所示)。限位結構10設置于crtsⅰ型、crtsⅱ型或crtsⅲ型板式無砟軌道板上。

具體地，通過建立細致的限位結構擴展有限元分析模型，對真實限位結構的受力狀況下的限位結構的破壞過程進行仿真，獲取限位結構傷損演變規律，通過荷載-位移曲線及荷載-裂紋尖端開口量曲線來獲取無砟軌道限位結構的真實承載力。

在模型中，建立限位結構精細化三維實體分析模型，并引入擴展有限元分析方法，允許結構產生開裂并運行裂紋在限位結構內部發展。同時，依據實際配筋方案在限位結構內部建立鋼筋的有限元模型，分析混凝土內部的裂紋擴展過程，因此內部鋼筋可用梁單元或者實體單元進行模擬，考慮實際鋼筋等級、截面，并考慮鋼筋為可屈服。鋼筋與混凝土節點之間采用彈簧進行模擬，彈簧在鋼筋徑向方向用非線性彈簧模擬鋼筋與混凝土間粘結效應，鋼筋法向則為剛彈簧，不考慮鋼筋與混凝土之間的相互侵入。限位結構的模型邊界與荷載作用位置采用實際工作狀態中的邊界條件。

限位結構承載能力設計模型利用擴展有限元方法實現對限位結構失效過程的模擬，建立限位結構內部實際配筋模型，使得限位結構破壞演變過程模擬更加真實可靠。通過分析結果中的荷載-位移曲線和荷載-裂紋尖端開口量曲線獲取限位結構真實承載能力，使得結構設計更加精準，安全，可靠。同時，該設計模型能夠獲取裂紋擴展路徑，從而能夠依據裂紋擴展路徑進行相應的配筋加強，優化設計方案。

具體實施步驟如下：

按照設計實際尺寸，建立限位結構實體有限元分析模型；

按照實際配筋方式，建立限位結構內部配筋的有限元分析模型；

賦予限位結構和鋼筋實際材料參數，包括混凝土彈模、泊松比、質量參數，以及鋼筋截面尺寸、彈模、屈服強度等；

引入混凝土傷損參數，包括破壞應力或應變、混凝土軟化模型、混凝土破壞能等；

根據限位結構設計方案，布置限位結構邊界條件；

根據結構受力位置，對限位結構進行逐級加載，直至裂紋擴展完成；

提取裂紋擴展位置，并獲取加載點位置的荷載-位移曲線；

獲取荷載-裂紋尖端開口量曲線；

通過荷載-位移曲線和荷載-裂紋尖端開口量曲線，獲取限位結構極限承載力。

具體地，橋上crtsⅰ型板式無砟軌道梁端限位結構承載力分析。

橋上crtsⅰ型板式無砟軌道在兩端位置處的限位結構為半圓形凸臺，所受荷載型式主要為沿線路縱向的溫度收縮力，其設計尺寸及配筋方案如圖1所示。

按照實際設置尺寸，建立限位結構實體有限元分析模型，如圖2所示。在本實施例中，采用限位結構承載力確定的方法，該方法包括根據限位結構的實際工況，建立擴展有限元模型，根據擴展有限元模型引入損傷參數模型對限位結構進行逐級加載以使限位結構產生裂紋，根據裂紋確定限位結構的承載力。采用該方法確定出的限位結構承載力更加準確，提高了限位結構的設置精度，增加了限位結構的可靠性。同時，該設計模型能夠獲取裂紋擴展路徑，從而能夠依據裂紋擴展路徑進行相應的配筋加強。采用該方法確定出的限位結構承載力更加準確，提高了限位結構的設置精度。

按照實際配筋方式，建立限位結構內部配筋的有限元分析模型，如圖3和圖4所示。

其中，凸臺與底座材料均為c40混凝土，材料彈性模量34000mpa，泊松比0.167，混凝土極限拉應力ft＝2.7mpa，混凝土材料破壞準則采用最大拉應力準則，服從t-s(tracktion-seperationlaw)準則。

混凝土軟化模型選用hillerborg線性軟化模型，其應力應變關系及應力位移關系如圖5和圖6所示。其中，圖5中的a處表示初始開裂點，b處表示臨界開裂點。

根據結構設計方案，底座板底部與橋面現澆后固結在一起，局部模型中考慮在底座底面設置三向位移約束，根據結構受力位置，對限位結構進行逐級加載，模型邊界條件和加載示意如圖7所示。

通過擴展有限元分析結果，獲取半圓形凸臺破壞演變過程。獲取加載點位置的荷載-位移曲線，如圖8所示，其中，橫坐標表示凸臺縱向位移量，單位mm，縱軸表示凸臺縱向剪切力，單位為kn。

獲取荷載-裂紋尖端開口量曲線如圖9所示，通過荷載-位移曲線和荷載-裂紋尖端開口量曲線，獲取橋上crtsⅰ型半圓形凸臺限位結構極限承載力為85.6kn，而凸臺在54kn左右位置時裂紋呈現迅速擴展趨勢，此時限位凸臺內部配筋產生屈服。其中，a處表示初始開裂點，橫坐標表示裂紋開口量，單位mm，縱軸表示凸臺縱向剪切力，單位為kn。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。