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高速 铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法

阅读：504发布：2020-12-05

专利汇可以提供高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，属于高速铁路轨道设计施工技术领域，包括确定滑动钢枕的数目、固定钢枕及滑动钢枕、钢纵梁的截面尺寸、滑动钢枕的刚度参数及固定钢枕的刚度参数；基于有限元法，构建车辆-轨道结构- 桥梁梁缝-伸缩抬枕装置的一体化空间力学模型，对伸缩抬枕装置的动力学响应和结构强度稳定性进行计算分析，获取匹配方案。本发明确定了梁端伸缩构造的合理结构型式，判断伸缩抬枕装置各参数是否合理，提高伸缩抬枕缩装置使用性能，为高速铁路桥上伸缩抬枕装置的铺设提供可靠依据，为大跨桥上高速铁路更快更好地建设与发展提供有力保障，具有重要的理论与现实意义。，下面是高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，包括如下流程步骤：
确定滑动钢枕的数目；
确定固定钢枕、滑动钢枕及钢纵梁的截面尺寸；
确定滑动钢枕的刚度参数；
确定固定钢枕的刚度参数；
基于有限元法，结合滑动钢枕的数目、固定钢枕的截面尺寸、滑动钢枕的截面尺寸、钢纵梁的截面尺寸、滑动钢枕的刚度参数以及固定钢枕的刚度参数，构建车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置的一体化空间力学模型；其中，一体化空间力学模型包括空间耦合静力学模型和空间耦合动力学模型；
根据所述一体化空间力学模型，对伸缩抬枕装置的动力学响应和结构强度稳定性进行计算分析，获取匹配方案。
2.根据权利要求1所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，确定滑动钢枕的数目包括：
中和温度下第一梁端和第二梁端间隔为L固，第一梁端和第二梁端间距为L，第一梁端和第二梁端的缩短量为L缩，伸长量为L伸，滑动钢枕的宽度为L枕，滑动钢枕的间距为L间距，固定钢枕中心至梁缝边缘的水平距离为L缝，则滑动钢枕的数目n满足如下约束：
L＝L间距×(n+1)-2×L缝
L枕≤L间距≤650mm
L固-L伸≤L≤L固+L缩，
则滑动钢枕的数目n的计算式为：
3.根据权利要求1所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，所述滑动钢枕的刚度参数包括：滑动钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的横向刚度、滑动钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的垂向刚度、滑动钢枕与钢轨间的横向刚度以及滑动钢枕与钢轨间的垂向刚度。
4.根据权利要求1所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，所述固定钢枕的刚度参数包括：固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的横向刚度、固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的纵向刚度、固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的垂向刚度、固定钢枕与钢轨间的纵向刚度、固定钢枕与钢轨间的横向刚度以及固定钢枕与钢轨间的垂向刚度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，构建一体化空间力学模型包括：
车辆是由车体、转向架、轮对及弹簧-阻尼器悬挂系统装置组成的多自由度振动系统；
车体、转向架、轮对均按照实际尺寸采用刚体单元模拟；弹簧-阻尼器悬挂系统装置采用弹簧阻尼单元模拟；
钢轨采用实体单元模拟，按照实际钢轨截面尺寸建模，纵向上按照0.1m的尺寸进行网格，结合钢轨的纵、横、垂向变形，采用偏移钢轨截面的方式施加实测的钢轨不平顺；
钢轨和固定钢枕及钢轨和滑动钢枕间采用扣板进行连接，扣板采用弹簧阻尼单元进行模拟，结合扣板的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣板的阻力和刚度根据实测值进行取值；
针对有砟轨道，道床、轨枕、固定钢枕、滑动钢枕均采用实体单元进行模拟，轨枕和道床间采用绑定接触；针对无砟轨道底座板、自密实混凝土、轨道板同样采用实体单元模拟；
伸缩抬枕装置位于第一梁端和第二梁端之间的梁缝处，包括钢纵梁、固定钢枕、滑动钢枕、钢纵梁与固定钢枕间的连接螺栓和扣板、滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板；
其中，钢纵梁、固定钢枕及滑动钢枕根据实际尺寸采用实体单元模拟，滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，纵向上钢纵梁与滑动钢枕可自由滑动，位于第一梁端的两根固定钢枕与钢纵梁一端间的连接螺栓和扣板采用纵、横、垂三向弹簧模拟，位于第二梁端的两根固定钢枕与钢纵梁梁另一端间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，滑动钢枕纵向上可在第二梁端的钢枕上自由移动。
6.根据权利要求5所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，根据所述一体化空间力学模型对伸缩抬枕装置的动力学响应进行计算分析包括：
不同行车速度下的动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及钢抬枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标；
不同梁缝宽度条件下的动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及钢抬枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标。
7.根据权利要求6所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，根据所述一体化空间力学模型对伸缩抬枕装置的结构强度稳定性进行计算分析包括：
对不同工况下的稳定性指标进行检算，其中，稳定性指标包括钢纵梁最大竖向位移、钢纵梁最大横向位移、钢纵梁最大应力、钢轨最大竖向位移、钢轨最大横向位移、钢轨最大应力、滑动钢枕最大竖向位移、滑动钢枕最大横向位移、滑动钢枕最大应力。
8.根据权利要求7所述的高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，其特征在于，所述工况包括：
工况1：结构仅承受竖向荷载250kN；
工况2：结构仅承受横向水平荷载100kN；
工况3：结构仅承受1mm梁端支点竖向位移差；
工况4：结构同时承受竖向荷载、水平荷载及梁端支点竖向位移差。

说明书全文

高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高速铁路桥设计施工技术领域，具体涉及一种高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法。

背景技术

[0002] 长大桥梁因温度伸缩、列车制动等因素，通常梁缝变化量较大，导致梁端端钢轨支撑间距过大，引起梁端轨道刚度同区间轨道刚度不一致，造成局部轨道刚度不均匀，为避免梁端钢轨支撑间距过大所造成的轨道不平顺，尽可能减小线路的刚度不均匀过渡，梁端错台、梁端扣板上拔等问题，需在梁端设置伸缩抬枕装置，改善梁端轨道受力状态。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，以解决上述背景技术中存在的至少一个技术问题。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

[0005] 本发明提供的一种高速铁路桥伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法，包括如下流程步骤：确定滑动钢枕的数目；确定固定钢枕、滑动钢枕及钢纵梁的截面尺寸；确定滑动钢枕的刚度参数；确定固定钢枕的刚度参数；

[0006] 基于有限元法，结合滑动钢枕的数目、固定钢枕的截面尺寸、滑动钢枕的几面尺寸、钢纵梁的截面尺寸、滑动钢枕的刚度参数以及固定钢枕的刚度参数，构建车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置的一体化空间力学模型；其中，空间力学模型包括空间耦合静力学模型和空间耦合动力学模型；

[0007] 根据所述一体化空间力学模型，对伸缩抬枕装置的动力学响应和结构强度稳定性进行计算分析，获取匹配方案。

[0008] 优选的，确定滑动钢枕的数目包括：中和温度下第一梁端和第二梁端间隔为L固，第一梁端和第二梁端间距为L，第一梁端和第二梁端的缩短量为L缩，伸长量为L伸，滑动钢枕的宽度为L枕，滑动钢枕的间距为L间距，固定钢枕中心至梁缝边缘的水平距离为L缝，则滑动钢枕的数目n满足如下约束：

[0009] L＝L间距×(n+1)-2×L缝

[0010] L枕≤L间距≤650mm

[0011] L固-L伸≤L≤L固+L缩，

[0012] 则滑动钢枕的数目n的计算式为：

[0013]

[0014] 优选的，所述滑动钢枕的刚度参数包括：滑动钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的横向刚度、滑动钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的垂向刚度、滑动钢枕与扣板间的横向刚度以及滑动钢枕与扣板间的垂向刚度。

[0015] 优选的，所述固定钢枕的刚度参数包括：固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的横向刚度、固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的纵向刚度、固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓间的垂向刚度、固定钢枕与钢轨的纵向刚度、固定钢枕与钢轨间的横向刚度以及固定钢枕与扣板间的垂向刚度。

[0016] 优选的，构建一体化空间力学模型包括：车辆是由车体、转向架、轮对及弹簧-阻尼器悬挂系统装置组成的多自由度振动系统；车体、转向架、轮对均按照实际尺寸采用刚体单元模拟；弹簧-阻尼器悬挂系统装置采用弹簧阻尼单元模拟；钢轨采用实体单元模拟，按照实际钢轨截面尺寸建模，纵向上按照0.1m的尺寸进行网格，结合钢轨的纵、横、垂向变形，采用偏移钢轨截面的方式施加实测的钢轨不平顺；钢轨和轨枕、固定钢枕及滑动钢枕间采用扣板进行连接，扣板采用弹簧阻尼单元进行模拟，结合扣板的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣板的阻力和刚度根据实测值进行取值；针对有砟轨道，道床、轨枕、固定钢枕、滑动钢枕均采用实体单元进行模拟，轨枕和道床间采用绑定接触；针对无砟轨道底座板、自密实混凝土、轨道板同样采用实体单元模拟；伸缩抬枕装置位于第一梁端和第二梁端之间的梁缝处，包括钢纵梁、固定钢枕、滑动钢枕、钢纵梁与固定钢枕间的连接螺栓和扣板、滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板；

[0017] 其中，钢纵梁、固定钢枕及滑动钢枕根据实际尺寸采用实体单元模拟，滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，纵向上钢纵梁与滑动钢枕可自由滑动，位于第一梁端的两根固定钢枕与钢纵梁一端间的连接螺栓和扣板采用纵、横、垂三向弹簧模拟，位于第二梁端的两根固定钢枕与钢纵梁另一端间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，钢纵梁纵向上可在第二梁端的固定钢枕上自由移动。

[0018] 优选的，根据所述一体化空间力学模型对伸缩抬枕装置的动力学响应进行计算分析包括：不同行车速度下的动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及滑动钢枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标；不同梁缝宽度条件下的动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及滑动钢枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标。

[0019] 优选的，根据所述一体化空间力学模型对伸缩抬枕装置的结构强度稳定性进行计算分析包括：对不同工况下的稳定性指标进行检算，其中，稳定性指标包括钢纵梁最大竖向位移、钢纵梁最大横向位移、钢纵梁最大应力、钢轨最大竖向位移、钢轨最大横向位移、钢轨最大应力、滑动钢枕最大竖向位移、滑动钢枕最大横向位移、滑动钢枕最大应力。

[0020] 优选的，所述工况包括：

[0021] 工况1：结构仅承受竖向荷载250kN；

[0022] 工况2：结构仅承受横向水平荷载100kN；

[0023] 工况3：结构仅承受1mm梁端支点竖向位移差；

[0024] 工况4：结构同时承受竖向荷载、水平荷载及梁端支点竖向位移差。

[0025] 本发明有益效果：确定了梁端伸缩构造的合理结构型式，判断梁端伸缩抬枕装置各参数取值是否合理，从而提高伸缩抬枕缩装置构造使用性能，确定梁端伸缩构造总体结构型式和细部构造方案，为高速铁路桥上伸缩抬枕装置的铺设提供可靠依据，弥补此方面的不足，为大跨桥上高速铁路更快更好地建设与发展提供有力保障，具有重要的理论与现实意义。

[0026] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1为本发明实施例所述的高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构的匹配优化方法流程图。

[0029] 图2为本发明实施例所述的梁端伸缩抬枕装置模型示意图。

[0030] 图3为本发明实施例所述的未设伸缩抬枕前的钢轨垂向位移变形曲线示意图。

[0031] 图4为本发明实施例所述的未设伸缩抬枕前的轮轨力时程曲线示意图。

[0032] 图5为本发明实施例所述的未设伸缩抬枕前的脱轨系数和轮重减载率时程曲线图。

[0033] 图6为本发明实施例所述的伸缩抬枕装置布置示意图。

[0034] 图7为本发明实施例所述的钢纵梁及滑动钢枕设计尺寸示意图。

[0035] 图8为本发明实施例所述的梁端伸缩抬枕装置的动力响应示意图。

[0036] 图9为本发明实施例所述的梁缝区域的轨道结构的动力响应示意图。

[0037] 图10为本发明实施例所述的列车荷载以250km/h的速度通过桥梁时的轨道结构及车辆的动力学响应示意图。

[0038] 图11为本发明实施例所述的列车以250km/h运行在边跨桥上时的脱轨系数和轮重减载率示意图。

[0039] 图12为本发明实施例所述的列车以250km/h运行在边跨桥上时的车体加速度示意图。

[0040] 图13为本发明实施例所述的不同列车速度通过梁缝时的结构动力响应示意图。

[0041] 图14为本发明实施例所述的行车安全性指标示意图。

[0042] 图15为本发明实施例所述的行车舒适性指标示意图。

[0043] 图16为本发明实施例所述的列车以250km/h的通过不同梁缝宽度时的结构动力响应示意图。

[0044] 其中：1—扣板；2—钢纵梁固定端；3—钢纵梁；4—第一梁端；5—第二梁端；6—钢轨；7—钢纵梁活动端；8—固定钢枕；9—滑动钢枕。

具体实施方式

[0045] 下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

[0046] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

[0047] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0048] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

[0049] 本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

[0050] 实施例

[0051] 如图1所示，本发明实施例1提供一种高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构匹配设计方法，应用ABAQUS 软件建立车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静、动力学模型。模型考虑了车辆、钢轨、扣板、道床、滑动钢枕、钢纵梁、扣压件、桥梁等结构以及高速车辆的作用，可以对梁端位置处的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横、垂向力、车体垂向和横向加速度等结构动力响应进行计算，得到轨道和桥梁各细部结构的受力与变形。

[0052] 如图2所示，桥上伸缩抬枕装置设置在大跨桥梁梁端，桥上伸缩抬枕装置包括设置于桥梁相邻的第一梁端4与第二梁端5之间的多根相互平行的滑动钢枕9、第一梁端和4第二梁端5的梁端部分别设置两根固定钢枕8、滑动钢枕9的承托结构―钢纵梁3、钢纵梁3下的刚度调节垫板、滑动钢枕9与钢纵梁3间的连接螺栓和扣板、钢纵梁与固定钢枕间的连接螺栓和扣板1、枕距调节连杆。

[0053] 第一梁端和第二梁端的端部别设置两根固定钢枕，两钢枕中心线间距0.6m，所述的钢纵梁一端与第一梁端的两根钢枕采用连接螺栓固结，另一端与第二梁端的两根钢枕采用扣板进行连接，第二梁端上的钢枕可与钢纵梁间在纵向上产生较大的相对位移；钢纵梁位于梁缝跨中部分与滑动钢枕采用连接螺栓和扣板进行连接；滑动钢枕和钢轨通过扣板进行连接；

[0054] 连杆机构，其位于所述钢枕的外侧且连接在各所述滑动钢枕的端部以及与所述钢枕相邻设置的两个所述固定钢枕的端部，所述连杆机构包括多个串联相连的菱形四边形结构。

[0055] 所述四边形结构由四个等长的连杆依次首尾滑动相接组成，相邻的两个所述滑动钢枕之间、以及所述滑动钢枕与所述滑动钢枕相邻的所述固定钢枕之间分别通过一个所述四边形结构的两个对角端连接。

[0056] 应用ABAQUS软件对高速车辆、桥上有/无砟轨道无缝线路结构、伸缩抬枕装置结构进行模拟。结合高速铁路桥梁实际结构特征及受力变形特点对伸缩抬枕装置滑动钢枕数目进行设计；针对高速铁路桥上轨道结构特征与受力变形特点对固定钢枕、滑动钢枕和钢纵梁的截面尺寸进行设计；针对高速铁路桥上轨道结构特征与受力变形特点对滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板横、垂向刚度进行设计；针对高速铁路桥上轨道结构特征与受力变形特点对固定钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板纵、横、垂向刚度进行设计；应用ABAQUS软件进行复杂行车条件下伸缩装置的动力学检算分析；应用ABAQUS软件进行伸缩装置结构强度及稳定性静力学检算分析。

[0057] 应用ABAQUS建立车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静、动力学模型。建模对象包括车辆、钢轨、扣板、道床、滑动钢枕、固定钢枕、钢纵梁、扣压件、桥梁。

[0058] 在模型中，车辆是由车体、转向架、轮对及弹簧-阻尼器悬挂系统装置组成的多自由度振动系统。车体、转向架、轮对均按照实际尺寸采用刚体单元模拟；弹簧-阻尼器悬挂系统装置采用弹簧阻尼单元模拟。

[0059] 钢轨采用实体单元模拟，按照实际钢轨截面尺寸建模，纵向上按照0.1m的尺寸进行网格，并采用偏移钢轨截面的方式施加实测的钢轨不平顺，可全面考虑钢轨的纵、横、垂向变形。

[0060] 钢轨和轨枕、固定钢枕及滑动钢枕间采用扣板进行连接，扣板采用弹簧阻尼单元进行模拟，全面考虑扣板的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，扣板的阻力和刚度根据实测值进行取值；

[0061] 道床结构在全桥范围内连续铺设，针对有砟轨道，道床、轨枕、固定钢枕、滑动钢枕均采用实体单元进行模拟，轨枕和道床间采用绑定接触；针对无砟轨道底座板、自密实混凝土、轨道板同样采用实体单元模拟，且全面考虑各部分结构的几何尺寸和物理属性；桥梁采用实体单元模拟，按照实际截面属性建模；道床和桥梁间采用Tie进行连接；

[0062] 伸缩装置位于第一梁端和第二梁端之间的梁缝处，主要包括钢纵梁、固定钢枕、滑动钢枕、钢纵梁与固定钢枕间的连接螺栓和扣板、滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板；

[0063] 其中，钢纵梁、固定钢枕及滑动钢枕根据实际尺寸采用实体单元模拟。滑动钢枕与钢纵梁间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，纵向上钢纵梁与滑动钢枕可自由滑动，位于第一梁端的两根固定钢枕与钢纵梁一端间的连接螺栓和扣板采用纵、横、垂三向弹簧模拟，位于第二梁端的两根固定钢枕与钢纵梁另一端间的连接螺栓和扣板采用横、垂向弹簧模拟，钢纵梁纵向上可在第二梁端的固定钢枕上自由移动。

[0064] 对复杂行车条件下伸缩装置的动力学响应分析时，应用所述车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合动力学模型，通过该模型可计算得到以下结果：

[0065] 不同行车速度下的伸缩装置动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及钢抬枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标。

[0066] 不同梁缝宽度条件下的伸缩装置动力学响应，包括梁缝跨中钢轨及钢抬枕垂向位移、轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、Sperling指标。

[0067] 对伸缩装置结构强度稳定性进行检算时，应用所述车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静力学模型，利用改模型可计算以下四种工况：工况1：结构仅承受竖向荷载250kN；工况2：结构仅承受横向水平荷载100kN；工况3：结构仅承受1mm梁端支点竖向位移差；工况4：结构同时承受竖向荷载、水平荷载及梁端支点竖向位移差(竖向1mm)。

[0068] 对上述四种工况进行以下指标的检算：钢纵梁最大竖向位移、钢纵梁最大横向位移、钢纵梁最大应力、钢轨最大竖向位移、钢轨最大横向位移、钢轨最大应力、滑动钢枕最大竖向位移、滑动钢枕最大横向位移、滑动钢枕最大应力。

[0069] 实施例2

[0070] 本发明实施例2提供了一种高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构匹配设计方法。本发明实施例2以某主梁跨长为1428m的钢桁梁桥梁端的伸缩抬枕装置为例进行设计。已知：钢桁桥梁桥主梁长度为(84+84+1092+84+84)m的5跨钢桁梁，边跨为(57.2×4)m的钢桁梁；桥上铺设双线有砟轨道，钢轨采用60kg/m轨，扣板采用弹条Ⅵ常阻力扣板，设计时速
250km/h，列车轴重17t；中和温度下第一梁端和第二梁端间间隔1.2m，考虑历史最不利温差，钢桁主梁的第一梁端伸缩量将达到±600mm，即最低梁温条件下第一梁端与第二梁端间的间距可达1800mm，最高梁温条件下第一梁端与第二梁端间的间距仅600mm。

[0071] 应用ABAQUS软件对高速车辆、桥上有砟轨道无缝线路结构进行模拟，建立了车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静、动力学模型，桥梁两侧各取30m的路基，模型全长285.2m。

[0072] 当结构未设伸缩抬枕装置时，考虑列车以250km/h的速度在桥梁边跨上行驶，当列车分别行驶到桥墩顶部及第一梁端和第二梁端跨中的梁缝位置处时，钢轨的垂向位移曲线如图3所示。其中，图3(a)为第二跨桥梁墩顶垂向位移曲线，图3(b)为梁缝跨中垂向位移曲线图。

[0073] 由图3可知，当车行驶在桥上普通地段时，钢轨的垂向位移为2.37mm，当列车行驶至梁缝跨中处时，钢轨垂向位移较大为5.04mm，即梁缝处的钢轨存在较大的结构不平顺。

[0074] 图4为车辆在桥上行驶时的轮轨力时程曲线图。其中，图4(a)为轮轨垂向力时程曲线图，图4(b)为轮轨横向力时程曲线图。由图4可知，车轮的轮轨垂向力在85kN附近上下波动，车辆的轮轨横向力在7.5kN上下波动，当列车运行至梁缝处时，轮轨垂向力和轮轨横向力均出现了较大的波动，轮轨最大横(垂)向力为12.38kN(136.74kN)，最小横(垂)向力为1.99kN(28.00kN),车轮出现了较为严重的减载现象。

[0075] 图5为脱轨系数和轮重减载率时程曲线图。其中，图5(a)为脱轨系数时程曲线图，图5(b)为轮重减载率时程曲线图。由图5可知，脱轨系数峰值为0.094；轮重减载率峰值为0.71，已超过《高速铁路设计规范》中的规范限值0.6，行车的安全性受到了威胁。

[0076] 经上述分析知：在主梁梁端若不设伸缩抬枕装置，梁缝处的钢轨垂向变形量较大，车辆轨道结构的轮轨力产生剧烈波动，且车辆的轮重减载率因超限而存在倾覆的风险，故应考虑在梁端设置伸缩抬枕装置。

[0077] 实施例3

[0078] 本发明实施例3提供的高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构匹配设计方法。按《高速铁路设计规范》的规定及实桥布置，确定滑动钢枕的设置数目，桥面正线有砟区轨道扣板节点间距为600mm，梁端无砟区轨道扣板节点间距不宜大于650mm。考虑钢制滑动轨枕截面宽度按200mm计，设计伸缩量取+600mm/-600mm时，按照《高速铁路设计规范》进行伸缩装置轨枕数目的确定，伸缩装置布置示意图如图6所示。其中，图6(a)为最低温条件下的钢枕布置示意图，图6(b)为最高温条件下的钢枕布置示意图。

[0079] 结合设计要求，设中和温度下第一梁端和第二梁端间隔为L固(mm)，第一梁端和第二梁端的设计缩短量为L缩(mm)，设计伸长量为L伸(mm)，第一梁端和第二梁端之间的间距为L(mm)，滑动钢枕的宽度为L枕(mm)，滑动钢枕的间距为L间距(mm)，固定钢枕中心至梁缝边缘的水平距离为L缝(mm)，假设滑动轨枕的数目为n根时，由图9知上述变量间存在以下等式关系：

[0080] L＝L间距×(n+1)-2×L缝 (1)

[0081] 而根据规范规定，L间距应满足下述条件：

[0082] L枕≤L间距≤650mm (2)

[0083] 桥梁间隙L应满足的条件为：

[0084] L固-L伸≤L≤L固+L缩， (3)

[0085] 考虑最不利条件，当梁缝隙取最小时，轨枕间矩恰好为轨枕宽度L枕；当梁缝隙取最大时，轨枕间距为600mm。

[0086] 联立上述式子，即可求得应设滑动轨枕的根数n的计算式如下

[0087]

[0088] 由桥梁设计资料知该桥在中和温度条件下主梁第一梁端和第二梁端间的距离为1200mm，主梁梁缝的设计伸缩量为±600mm，L缝的长度为300mm，轨枕的宽度按200mm取，代入上式得到2.8≤n≤3，考虑在梁缝处添加3根滑动钢枕，形成4个可变枕缝，钢枕中心距变化范围为600mm～300mm，相邻轨枕净距为450mm～0mm，此时对应的中和温度(L固＝1200mm)，滑动轨枕间距为450mm，轨枕最大中心距方面符合相关规范的要求。

[0089] 实施例4

[0090] 本发明实施例4提供的高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构匹配设计方法，对伸缩扣压件的合理刚度进行计算。

[0091] 滑动钢枕截面宽度按200mm计，当梁缝最大值为1800mm时轨枕间距为600mm，当梁缝最小值为600mm时轨枕间距为300mm(即3根滑动钢枕纵向上贴合在一起)，截面高度分别取200mm、300mm；钢纵梁采用承压支座同轨枕连在一起，钢纵梁上翼缘及下翼缘宽200mm，高200mm，上翼缘厚80mm，下翼缘厚40mm，腹板厚60mm，长度取3.6m；连接钢轨和滑动钢枕的扣板刚度取值同普通地段无砟轨道扣板刚度取值，即垂向静刚度取40kN/mm；钢纵梁一端和第一梁端上的两根钢枕间采用连接螺栓和扣板在纵、横、垂方向上固结，其承压支座垂向刚度取值参考相关文献分别取160kN/mm、240kN/mm、320kN/mm，横向刚度取120kN/mm；钢纵梁另一端纵向自由、横向、垂向上支撑方式及参数取值同固定支座端。滑动钢枕支点支座向刚度分别取240kN/mm，480kN/mm，720kN/mm，纵向上可自由滑动。

[0092] 因梁端伸缩抬枕装置包含钢纵梁，而钢纵梁支撑在两侧梁端的固定钢枕上，故固定及滑动钢枕需加长，因Ⅲ型轨枕长度为2.6m，考虑滑动/固定钢枕两端长度各增长500mm，即固定/滑动钢枕长度为3600mm，固定/滑动钢枕截面尺寸如图7所示。其中，图7(a)为固定/滑动钢枕尺寸，图7(b)为钢纵梁尺寸。

[0093] (1)固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度设计

[0094] 考虑固定钢枕和钢纵梁间的承压支座刚度分别取160kN/mm、240kN/mm、320kN/mm，滑动钢枕与钢纵梁间的承压支座刚度取480kN/mm，列车以250km/h的速度通过桥梁梁缝时，梁端伸缩抬枕装置的动力响应如图8所示。其中，图8(a)为固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度与垂向位移关系图，图8(b)为固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度与轮轨垂向力及横向力峰值关系图，图8(c)为固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度与脱轨系数及轮重减载率关系图。由图8可知：三种工况下梁缝跨中钢轨的垂向位移峰值分别为3.82mm、3.72mm和3.63mm，相较于未设钢抬枕时的5.04mm，减小了24.21％、26.19％和27.98％；车辆所承受的轮轨垂向力最大值分别为125.03kN、123.62kN和122.10kN，相较于未设抬枕装置时的轮垂向力峰值136.74kN，轮轨力的波动有所减小。但从图8中可以看处，当参考既有承压支座刚度取值，考虑承压支座刚度取320kN/mm。

[0095] (2)滑动钢枕和钢纵梁间的扣压件垂向刚度设计

[0096] 考虑滑动钢枕支座刚度分别取240kN/mm、480kN/mm、720kN/mm，承压支座刚度取720kN/mm，列车以250km/h的速度通过桥梁梁缝时，梁缝区域的轨道结构的动力响应如图9所示。其中，图9(a)为滑动钢枕与钢纵梁间的垂向刚度和垂向位移值间的关系图，图9(b)为固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度与轮轨垂向力及横向力峰值关系图，图9(c)为固定钢枕和钢纵梁间的垂向刚度与脱轨系数及轮重减载率关系图。

[0097] 由图9可知：随着滑动钢枕与钢纵梁间的垂向刚度的增大，钢轨的垂向位移近似呈线性减小，钢轨垂向位移分别为3.74mm、3.63mm、3.51mm，相较于未设滑动枕时的5.04mm，分别减小了31.7％，34.52％和37.50％；钢轨的垂向力峰值也有所减小，分别为123.69kN、122.10kN、120.54kN；由图8可知，三种工况下钢抬枕跨中垂向位移均达到了3mm以上，变形较大。

[0098] 综上分析可知，相较于钢纵梁与固定钢枕间的垂向刚度取值，滑动钢枕与钢纵梁间的支座垂向刚度参数对轨道结构的动力响应影响更大。参考既有滑动钢枕支点支座垂向刚度取值，考虑承压支座刚度取720kN/mm。从上述分析可知，当固定/滑动钢枕截面高度取200mm时，钢枕及因抗弯刚度不足而变形较大，因此可考虑改变钢枕的尺寸以提高钢枕的抗弯刚度。

[0099] (3)滑动钢枕尺寸选取

[0100] 因钢纵梁截面高度取200mm，滑动钢枕支座刚度和承压扣板刚度均取720kN/mm时钢抬枕跨中变形仍大于3mm，为减小钢抬枕的垂向变形，考虑将滑动钢枕的高度增加至300mm，翼缘及腹板厚度取40mm并且在轨枕跨中增加一根钢纵梁以提高结构的抗弯刚度，保证列车安全平稳过桥。中间钢纵梁的截面尺寸同护轨尺寸，连接螺栓和扣板参数同两侧的连接螺栓和扣板参数。当滑动钢枕截面高度取300mm时，列车荷载以250km/h的速度通过桥梁时的轨道结构及车辆的动力学响应如图10所示，其中，图10(a)为轮轨垂向力变化示意图，图10(b)为轮轨横向力变化示意图。由图10可知，当车辆经过梁缝处的抬枕装置时，梁缝范围内的轮轨垂向力最小值为62.53kN，相较于未设伸缩抬枕装置时的28.00kN，轮轨力增加了1.23倍，对应的轮重减载率大大减小；轮轨垂向力最大值为111.28kN，相较于未设抬枕时的轮轨垂向力峰值136.74kN，轮轨力峰值减小了22.87％；即可减小车辆通过梁缝时的轮轨力波动。

[0101] 图11(a)为列车以250km/h运行在边跨桥上时的脱轨系数示意图，图11(b)为列车以250km/h运行在边跨桥上时的轮重减载率图。由图11(a)可知，当车辆经过梁缝处的抬枕装置时，车辆的脱轨系数最大值小于0.11，该数值在《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》限值范围内；由图11(b)可知，车辆的轮重减载率最大值小于0.52，该数值小于《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规范规定的0.6，即设计的抬枕装置可保证行车的安全性。

[0102] 图12(a)为列车以250km/h运行在边跨桥上时的车体垂向加速度图，图12(b)为列车以250km/h运行在边跨桥上时的车体横向加速度图。由图12(a)可知，车辆运行在桥梁边跨时，车体垂向加速度峰值为0.316m/s2，车体的横向加速度峰值为0.147m/s2；对比图12(a)和图12(b)可知：当车体运行经过梁缝时，设置抬枕装置后车体的垂向振动加速度波动明显比未设抬枕装置时要小，即设置伸缩抬枕装置可较好的改善列车的乘坐舒适度。车体的横、垂向加速度峰值均小于《铁路线路维修规则》中I级限度0.588m/s2，车体的Sperling平稳性指标为1.975，小于规范的限值3.0，即设计的抬枕装置可保证行车的舒适性。

[0103] 实施例5

[0104] 本发明实施例5提供的高速铁路桥上伸缩抬枕装置与轨道结构匹配设计方法，根据车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合动力学模型，对复杂行车条件下伸缩装置的动力学响应进行分析。

[0105] (1)不同行车速度下的伸缩装置动力学响应

[0106] 伸缩抬枕装置承压支座刚度和滑动钢枕支点支座垂向刚度分别取320kN/mm和720kN/mm，滑动钢枕的高度取300mm，钢纵梁高度取200mm时，列车分别以280km/h、300km/h、
330km/h、350km/h、380km/h、400km/h的速度通过梁缝时的结构动力响应如图12所示。

[0107] 由图13可知：随着行车速度的增加，梁缝跨中钢轨和滑动钢枕的垂向位移逐渐呈线性增加。当行车速度从280km/h增加至400km/h时，钢轨垂向位移峰值由2.74mm增加至2.85mm；滑动钢枕垂向位移峰值由2.28mm增加至2.41mm。

[0108] 图14为行车安全性指标，基本呈现增加的趋势，当行车速度从280km/h增加至400km/h时，脱轨系数由0.108逐渐增加到0.112，轮重减载率由0.523增加至0.534，行车安全性指标变化较小。

[0109] 图15为行车舒适性指标，基本呈现增加的趋势，车体垂向Sperling指标由1.977逐渐增加到1.981，小于规范的限值3.0；即设计的抬枕装置可保证更高行车速度下的舒适性。

[0110] (2)不同梁缝宽度条件下的伸缩装置动力学响应

[0111] 伸缩抬枕装置承压支座刚度和滑动钢枕支点支座垂向刚度分别取320kN/mm和720kN/mm，滑动钢枕的高度取300mm，钢纵梁高度取200mm时，梁缝宽度分别取1200mm和
600mm时列车以250km/h的通过梁缝时的结构动力响应如图16所示。其中，图16(a)为钢轨垂向位移示意图，图16(b)为滑动钢枕垂向位移示意图。

[0112] 由图16可知：当列车以250km/h的速度分别通过1.2m和0.6m的梁缝时，梁缝跨中的钢轨垂向位移最大值为2.20mm和1.96mm，减小了0.24mm；滑动钢枕垂向位移最大值分别为1.78mm和1.44mm，减小了0.34mm。

[0113] 在实施例5中，不同梁缝间距条件下的轮轨横、垂力时程曲线不同，当列车以250km/h的速度分别通过1.2m和0.6m的梁缝时，轮轨垂向力最大值分别为113.26kN和
117.91kN，轮轨横向力最大值分别为10.34kN和11.10kN，均满足《铁路线路维修规则》中规定。

[0114] 在实施例5中，不同梁缝间距条件下的行车安全性指标不同，当列车以250km/h的速度分别通过1.2m和0.6m的梁缝时，脱轨系数和轮重减载率峰值相差不大，系数最大值均为0.09954，轮重减载率最大值分别为0.504和0.498，均满足《铁路线路维修规则》中规定限值。

[0115] 在实施例5中，不同梁缝间距条件下的行车舒适性指标不同，当列车以250km/h的速度分别通过1.2m和0.6m的梁缝时，车体横、垂向加速度时程曲线相差不大，车体垂向加速度最大值分别为0.326m/s2和0.325m/s2，车体横向加速度最大值均为0.147m/s2，车体的垂向Sperling指标均为1.974，均小于《铁路线路维修规则》中规定的限值，车体乘坐舒适性为优。

[0116] 根据本发明所述的车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静、动力学模型，针对优化设计后的伸缩装置，进行结构整体受力检算。检算荷载工况分为以下几种工况：工况1：结构仅承受竖向荷载250kN；工况2：结构仅承受横向水平荷载100kN；工况3：结构仅承受1mm梁端支点竖向位移差；工况4：结构同时承受竖向荷载、水平荷载及梁端支点竖向位移差(竖向1mm)。

[0117] 检算结果如表1所示，伸缩装置的强度满足条件要求。

[0118] 表1

[0119]

[0120] 以上所述五个实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于以上内容，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。

[0121] 综上所述，本发明实例提出的方法，基于有限元方法，建立了车辆-轨道结构-桥梁梁缝-伸缩抬枕装置一体化空间耦合静、动力学模型，对固定钢枕和滑动钢枕的截面尺寸、联结滑动钢枕与钢纵梁的连接螺栓和扣板的横、垂向支承刚度、联结固定钢枕与钢纵梁的连接螺栓和扣板的纵、横、垂向支承刚度进行设计、对复杂行车条件下伸缩装置的动力学响应进行分析、对伸缩装置结构强度稳定性进行检算，确定了梁端伸缩构造的合理结构型式，判断梁端伸缩抬枕装置各参数取值是否合理，从而提高伸缩抬枕缩装置构造使用性能，确定梁端伸缩构造总体结构型式和细部构造方案，为高速铁路桥上伸缩抬枕装置的铺设提供可靠依据，弥补此方面的不足，为大跨桥上高速铁路更快更好地建设与发展提供有力保障，具有重要的理论与现实意义。

[0122] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

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