无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算方法及系统与流程

本发明涉及轨道工程设计，具体涉及一种无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算方法及系统。

背景技术：

1、无缝线路作为铁路轨道工程中的关键技术，特别是大跨度桥梁桥上无缝线路检算对桥上无缝线路设计、设计锁定轨温确定及是否设置钢轨伸缩调节器具有重要意义。随着我国铁路路网不断完善，山区铁路建设不断突破，铁路中悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁、超长隧道工程不断出现，越来越多的桥隧过渡段出现在工程中。过渡段隧道洞口内外在线路纵向存在温度梯度，以往无缝线路设计规范中未详细考虑过渡段温度梯度对无缝线路影响，且既有无缝线路自动化检算软件若考虑桥隧过渡段温度梯度荷载作用，需对软件进行大幅度更改且不能适用不同工点、工况，通用性差。若采用有限元方法建模进行无缝线路检算，存在大量的建模工作量、计算工况复杂繁琐，时间及人力成本高，无法满足设计工作需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算方法及系统，以明确桥隧过渡段隧道洞口内外温度梯度对无缝线路的影响。

2、根据第一方面，一种实施例中提供一种无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算方法，所述方法包括：

3、建立仅包含钢轨、道床的桥上无缝线路桥隧过渡段有限元简化模型，其中桥隧过渡段为隧道外桥梁区域和隧道内区域之间的过渡段；

4、基于建立的桥隧过渡段有限元简化模型，对桥隧过渡段的钢轨施加温度荷载并进行温度荷载工况下的力学行为分析，计算得到包括钢轨纵向力、钢轨纵向位移的力学分析结果，其中隧道外桥梁区域和隧道内区域的实际轨温均定义为预设的固定值，且隧道外桥梁区域和隧道内区域的实际轨温不同导致桥隧过渡段存在温度梯度，桥隧过渡段的实际轨温定义为从桥隧分界点向隧道内呈线性变化，所述桥隧过渡段段施加的温度荷载为实际轨温与设计锁定轨温的差值；

5、将计算得到的钢轨纵向力与理论温度力进行差值计算，得到桥隧过渡段温度梯度附加力结果。

6、进一步地，建立仅包含钢轨、道床的桥上无缝线路桥隧过渡段有限元简化模型，具体包括：

7、钢轨采用梁单元进行模拟，截面属性按实际断面考虑，钢轨单元按小单元划分，并与下部基础弹簧单元节点进行对应；

8、道床采用三向弹簧单元进行模拟，垂向、横向刚度采用线性弹簧，纵向刚度采用非线性弹簧；垂、横向刚度采用扣件垂、横向刚度，纵向刚度有砟轨道取道床纵向阻力，无砟轨道取扣件纵向阻力，采用小阻力扣件时，采用小阻力扣件纵向阻力，弹簧底部采用全约束。

9、进一步地，隧道外桥梁区域和隧道内区域的实际轨温不同导致桥隧过渡段存在温度梯度，具体包括：

10、温度梯度分为夏季和冬季两种情况，夏季隧道外实际轨温高于隧道内实际轨温，冬季隧道外实际轨温低于隧道内实际轨温，温度梯度即为隧道外桥梁区域与隧道内区域的实际轨温的差值。

11、进一步地，将计算得到的钢轨纵向力与理论温度力进行差值计算，得到桥隧过渡段温度梯度附加力结果，具体包括：

12、

13、式中：

14、p计算为基于有限元模型计算的钢轨纵向力；

15、p温度力为理论温度力；e为钢轨弹性模量；a为钢轨断面面积；α为钢轨线膨胀系数；△t为无缝线路钢轨升降温幅度；

16、pwt为桥隧过渡段温度梯度附加力计算结果。

17、进一步地，所述方法还包括：

18、基于得到的桥隧过渡段温度梯度附加力结果，建立无缝线路桥隧过渡段钢轨进行强度检算和稳定性检算判据，实现对无缝线路桥隧过渡段钢轨的强度检算和稳定性检算。

19、进一步地，无缝线路桥隧过渡段钢轨强度检算判据为：

20、若满足下式，表明钢轨强度满足要求：

21、

22、

23、式中：

24、σ底d为轨底边缘动弯应力；

25、σt为钢轨最大温度应力；

26、σf为钢轨最大附加应力；

27、σz为钢轨牵引应力；

28、[σ]为钢轨容许应力；

29、σs为钢轨钢屈服强度；

30、k为安全系数；

31、σwt为温度梯度附加应力，σwt=pwt/a，pwt为桥隧过渡段温度梯度附加力计算结果，a为钢轨断面面积。

32、进一步地，无缝线路桥隧过渡段钢轨强度检算判据为：

33、无缝线路桥隧过渡段钢轨稳定性检算判据为：

34、根据下式计算无缝线路桥隧过渡段允许温升[△tu]：

35、

36、式中：

37、e为钢轨弹性模量；

38、α为钢轨线膨胀系数；

39、a为钢轨断面面积；

40、pf为桥上无缝线路为伸缩力和挠曲力的最大值；

41、[p]为两股钢轨的允许温度压力；

42、pwt为桥隧过渡段温度梯度附加力计算结果；

43、将计算的允许温升与实际温升幅度进行比较，若允许温升大于实际温升幅度，则稳定性满足要求，否则会有失稳风险。

44、根据第二方面，一种实施例中提供一种无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算系统，所述系统包括：

45、有限元模型构建模块，用于建立仅包含钢轨、道床的桥上无缝线路桥隧过渡段有限元简化模型，其中桥隧过渡段为隧道外桥梁区域和隧道内区域之间的过渡段；

46、荷载工况分析模块，用于基于建立的桥隧过渡段有限元简化模型，对桥隧过渡段的钢轨施加温度荷载并进行温度荷载工况下的力学行为分析，计算得到包括钢轨纵向力、钢轨纵向位移的力学分析结果，其中隧道外桥梁区域和隧道内区域的实际轨温均定义为预设的固定值，且隧道外桥梁区域和隧道内区域的实际轨温不同导致桥隧过渡段存在温度梯度，桥隧过渡段的实际轨温定义为从桥隧分界点向隧道内呈线性变化，所述桥隧过渡段段施加的温度荷载为实际轨温与设计锁定轨温的差值；

47、温度梯度附加力计算模块，用于将计算得到的钢轨纵向力与理论温度力进行差值计算，得到桥隧过渡段温度梯度附加力结果。

48、进一步地，所述温度梯度附加力计算模块具体用于：

49、

50、式中：

51、p计算为基于有限元模型计算的钢轨纵向力；

52、p温度力为理论温度力；e为钢轨弹性模量；a为钢轨断面面积；α为钢轨线膨胀系数；△t为无缝线路钢轨升降温幅度；

53、pwt为桥隧过渡段温度梯度附加力计算结果。

54、进一步地，所述系统还包括：

55、基于得到的桥隧过渡段温度梯度附加力结果，建立无缝线路桥隧过渡段钢轨进行强度检算和稳定性检算判据，实现对无缝线路桥隧过渡段钢轨的强度检算和稳定性检算。

56、本发明提供一种无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算方法及系统，具有以下有益效果：

57、1）采用有限元软件建立了用于温度梯度附加力计算的无缝线路桥隧过渡段有限元简化模型，模型中仅考虑了钢轨、道床结构，可模拟不同下部基础、不同范围道床阻力、不同温度梯度过渡长度、不同温度梯度值等因素，且考虑钢轨设计锁定轨温，根据气象资料在钢轨上施加不同轨温与设计锁定轨温差值计算钢轨纵向力、钢轨纵向位移，通过与理论温度力对比，计算温度梯度附加力对钢轨纵向力的影响，模型简单、计算方便，大大节约了计算成本，满足无缝线路桥隧过渡段温度梯度附加力计算要求。

58、2）本发明计算的温度梯度附加力可对无缝线路荷载组合进行完善，可一定程度上扩大无缝线路钢轨伸缩调节器设置的桥梁温度跨度，减少钢轨伸缩调节器设置数量，降低线路养护维修工作量，可对无缝线路设计锁定轨温进行调整，为无缝线路桥隧过渡段设计及设计锁定轨温的准确确定提供一些理论支撑及服务。