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地震作用下 桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法

阅读：871发布：2020-05-15

专利汇可以提供地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种地震作用下桥梁 -轨道系统碰撞效应的分析方法，包括以下步骤：（1）采用非线性杆单元或弹簧单元模拟桥梁与轨道间的非线性约束；（2）采用质量单元模拟桥梁二期恒载；（3）采用弹簧和阻尼器并联后再串联空隙来模拟桥梁间的碰撞行为；（4）桥梁范围外各建立一定长度的钢轨；（5）采用非线性弹簧模拟滑动支座；（6）采用非线性纤维梁单元模拟桥墩；（7）通过在等效刚度弹簧模拟桩-土共同作用；（8）通过在墩底建立大质量单元并施加加速度时程来进行一致或非一致激励。相对现有技术，本发明考虑了轨道结构对桥梁地震响应的影响，不仅可进行桥梁-轨道系统地震响应分析，还可研究梁体间的碰撞效应，其分析结果更符合实际情况。，下面是地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过非线性杆单元或弹簧单元模拟桥梁和轨道间的非线性约束；
(2)采用质量单元模拟桥梁二期恒载；
(3)采用弹簧和阻尼器并联后再串联空隙来模拟桥梁间的碰撞响应；
(4)在桥梁范围外各建立一定长度的钢轨；
(5)采用非线性弹簧模拟滑动支座；
(6)采用非线性纤维梁单元模拟桥墩；
(7)通过等效刚度弹簧模拟桩-土共同作用；
(8)通过在墩底建立大质量单元并施加加速度时程来进行一致或非一致激励，计算得出地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应。
2.根据权利要求1所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：步骤(1)中的非线性约束包括桥梁和轨道间顺桥向、横桥向和竖向的非线性约束，其非线性约束参数按照现行规范或实测结果取值。
3.根据权利要求1所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：步骤(3)中的碰撞单元弹簧刚度取为梁体的伸缩刚度，空隙取为梁体间梁缝的初始宽度，阻尼采用下式计算：
ζ为阻尼比，r为恢复系数，m1和m2分别为碰撞单元两端梁体的质量。
4.根据权利要求1所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：步骤(4)中桥梁范围外建立的路基段钢轨长度应不小于100m。
5.根据权利要求1所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：步骤(5)中采用的非线性弹簧采用理想弹塑性方法。
6.根据权利要求1所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：步骤(8)中大质量点质量应为系统质量的1e6倍，激励方向为顺桥向、横桥向或竖向。
7.根据权利要求1-5任一所述的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，其特征在于：桥梁-轨道系统采用Rayleigh阻尼，阻尼比取为0.05。

说明书全文

地震作用下 桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及结构振动与撞击分析技术，尤其是一种地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法。

背景技术

[0002] 目前铁路桥梁上普遍铺设无缝线路，多种荷载作用下，桥梁与轨道之间存在着非线性相互作用，桥梁结构与无缝线路结构构成一个统一的系统。

[0003] 一方面连续的轨道结构相当于连梁装置，为桥梁提供了纵向额外约束。另一方面，轨道结构通过非线性滞回消耗系统能力。因此，在进行铁路桥梁的地震响应研究时，必须考虑无缝线路轨道结构的影响。

[0004] 目前，在进行地震作用下铁路桥梁的动力响应或碰撞效应分析时，大多未考虑轨道结构的影响，这不符合实际情况，其计算结果存在较大偏差。在目前已考虑轨道结构的铁路桥梁地震响应分析中，并未考虑桥梁的碰撞效应，其计算结果显示梁体已发生了互相侵入的情况，也不符合实际情况。

[0005] 因此，亟需一种结构清晰且有效的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是克服现有分析方法的不足，提供一种结构清晰、能够贴近实际情况的桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出一种地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法，包括以下步骤：

[0008] (1)通过非线性杆单元或弹簧单元模拟桥梁和轨道间的非线性约束；

[0009] (2)采用质量单元模拟桥梁二期恒载；

[0010] (3)采用弹簧和阻尼器并联后再串联空隙模拟桥梁间的碰撞响应；

[0011] (4)在桥梁范围外各建立一定长度的钢轨；

[0012] (5)采用非线性弹簧模拟滑动支座；

[0013] (6)采用非线性纤维梁单元模拟桥墩；

[0014] (7)通过等效刚度弹簧模拟桩-土共同作用；

[0015] (8)通过在墩底建立大质量单元并施加加速度时程来进行一致或非一致激励，计算得出地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应。

[0016] 优选地，步骤(1)中的桥梁和轨道间的非线性杆单元或非线性弹簧的非线性约束包括纵向、横向和竖向三类。纵向非线性约束取为理想弹塑性关系。横向非线性约束取为通过试验获得的非线性曲线关系。竖向非线性约束取为理想弹塑性关系或线性关系。

[0017] 优选地，步骤(2)中的二期恒载包括桥面铺装层、无砟轨道或道砟、挡砟墙或防撞墙，以及栏杆、盖板等桥梁附属结构的质量。

[0018] 优选地，步骤(3)的碰撞单元弹簧刚度取为梁体的伸缩刚度，空隙取为梁体间梁缝的初始宽度，阻尼采用下式计算：

[0019]

[0020] ζ为阻尼比，r为恢复系数(混凝土材料取为0.65)，m1和m2分别为碰撞单元两端梁体的质量。

[0021] 优选地，步骤(4)中桥梁范围外建立的路基段钢轨长度不小于100m。

[0022] 优选地，步骤(5)中采用的非线性弹簧采用理想弹塑性方法。

[0023] 优选地，步骤(6)中采用非线性纤维梁单元，混凝土采用Mander材料方法。

[0024] 优选地，步骤(8)中大质量单元质量应取为系统质量的1e6倍，激励方向为顺桥向、横桥向或竖向。

[0025] 优选地，桥梁-轨道系统采用Rayleigh阻尼，阻尼比取为0.05，阻尼系数计算方法如下：

[0026]

[0027] 其中，w1和w2为第一阶和对结构纵向振型贡献最大的一阶频率。

[0028] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0029] 1、将桥梁和轨道结构视为一个有机系统，研究系统的地震响应规律；

[0030] 2、充分考虑了轨道、梁体、支座、下部结构的非线性特征；

[0031] 3、考虑了梁体之间、梁体与桥台之间的非线性碰撞效应；

[0032] 4、结构清晰，便于程序实现。附图说明

[0033] 图1是本发明中桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法示意图。

[0034] 图2是本发明碰撞效应模拟示意图。

[0035] 图3是本发明实施例中采用本发明计算得到的梁体与桥台间距的时变曲线。

[0036] 图4是本发明实施例中采用本发明计算得到的钢轨应力包络图。

[0037] 图例说明：

[0038] 1、梁体与钢轨间的非线性杆单元；2、用于模拟二期恒载的质量单元；3、碰撞单元；4、路基段钢轨；5、用于模拟滑动支座的非线性弹簧单元；6、非线性纤维梁单元；7、墩底等效刚度弹簧单元；8、大质量单元。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0040] 如图1所示，本实施例地震作用下桥梁-轨道系统碰撞效应分析方法包括如下步骤。

[0041] 步骤一：创建轨道和梁体结构。

[0042] 钢轨采用三维梁单元，为简化起见，轨道单元长度设为1m，除桥梁范围内的轨道外，在桥梁两端各建立200m长路基上的轨道4。

[0043] 梁体采用三维梁单元，截面特性按照结构实际情况设置，单元长度也设为1m。在梁体单元上共节点设置上刚臂和下刚臂。上刚臂长度取为梁体中性轴至钢轨中性轴的距离，上刚臂每米设置1个。下刚臂仅在梁端设置，其长度取为梁体中性轴至支座的距离。刚臂刚度取为梁体刚度的30倍。上刚臂顶端设置质量单元2来模拟桥梁二期恒载。

[0044] 步骤二：创建钢轨与梁体间的非线性约束。

[0045] 在钢轨和梁体相应节点之间错位设置等长度的非线性杆单元1。杆单元的刚度按照线路纵向阻力进行换算，如理想弹塑性线路纵向阻力按下式计算：

[0046]

[0047] 其中，r表示线路纵向阻力，u为桥梁和钢轨间的相对位移。

[0048] 同时在钢轨和梁体相应节点之间设置非线性杆单元模拟扣件的横向和竖向约束，其刚度取值参考行业规范或试验结果。

[0049] 步骤三：建立梁体之间的非线性碰撞单元3。

[0050] 在梁体之间建立由弹簧和阻尼器并联后再传力空隙的碰撞单元。图2显示了碰撞单元的结构。其中，k取为梁体轴向抗压刚度，c为阻尼，g为梁体之间的初始间距。阻尼的计算方法如下：

[0051]

[0052] 其中，ζ为阻尼比，r为恢复系数，m1和m2分别为碰撞单元两端梁体的质量。

[0053] 步骤四：采用非线性弹簧单元5模拟滑动支座。

[0054] 在下刚臂节点与桥墩顶部节点之间建立纵向非线性弹簧，弹簧采用理想弹塑性方法，摩擦系数取为0.03。

[0055] 步骤五：建立桥墩单元。

[0056] 按照桥墩实际高度和截面形式，采用非线性纤维梁单元6模拟桥墩。根据实际情况，将纤维单元赋予相应的材料属性。

[0057] 其中，混凝土采用Mander材料方法，钢筋采用Giuffre-Menegotto-Pinto材料方法。

[0058] 步骤六：建立等效刚度弹簧单元7模拟桩-土共同作用。

[0059] 采用M法计算得到群桩基础的6个等效刚度，在大质量单元和墩底单元之间建立6个等效刚度弹簧。

[0060] 步骤七：建立大质量单元8。

[0061] 在等效刚度弹簧底部建立大质量单元，单元质量取为系统质量的1e6倍。

[0062] 步骤八：系统阻尼的设置。

[0063] 桥梁-轨道系统采用Rayleigh阻尼，阻尼比取为0.05，阻尼系数按下式计算：

[0064]

[0065] 其中α和β为阻尼系数，w1和w2为第一阶和对结构纵向振型贡献最大的一阶频率。

[0066] 步骤九：地震激励方式。

[0067] 将地面加速度时程曲线进行滤波处理，采样时间调整为0.02s，将加速度时程施加至大质量单元。

[0068] 通过调整相位差，即可考虑行波效应的影响。其中，路基段所有大质量单元均施加与相邻桥台相同的加速度时程曲线。

[0069] 假设桥梁所处场地类型为Ⅳ型，场地特征周期为0.75s，考虑行波效应，视波速取为200m/s，地震波峰值加速度调整为0.57g。采用本发明计算3跨32m简支梁-轨道系统的碰撞效应。梁体与桥台之间的距离随时间的变化情况见图3，地震作用下考虑碰撞的桥上钢轨应力包络图见图4。

[0070] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

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