高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法專利背景

2012年，中國多條高速鐵路客運專線正在采用縱連板式無砟軌道，在特殊地段將出現(xiàn)長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路結構。雖然無砟軌道和橋上無縫線路的研究已經取得了很多成果，但對于高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路這種新的結構，相關的研究較少。特別是在大跨度連續(xù)梁上采用縱連板式無砟軌道結構之后，其梁軌相互作用機理更加復雜。高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路集中了高速鐵路、長大橋梁、縱連板式無砟軌道和橋上無縫線路等多種技術難點，某些關鍵技術方面存在的問題還需要解決 。

高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法專利目的

針對2012年技術的不足，《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》提供高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜、動力學模型，對不同的軌道參數和橋梁參數等設計因素的影響規(guī)律進行了計算與分析，對相關設計提出了有益的補充 。

高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法技術方案

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》技術方案如下：

高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，該方法包括：應用ANSYS軟件對鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板、L型側向擋塊、橋梁和橋墩、摩擦板和端刺錨固體系，以及路基土體和路基上支撐層結構進行模擬仿真，建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型并對該耦合靜力學模型進行靜力學分析；應用ABAQUS軟件對高速車輛的結構、縱連板式無砟軌道無縫線路的結構和長大橋梁的結構進行模擬仿真，建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型，并對該耦合動力學模型進行動力學分析。

所述建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型具體如下：

（1）鋼軌選用梁單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩參數，鋼軌按照支承節(jié)點劃分單元，全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角；

（2）扣件采用彈簧單元進行模擬，全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度，扣件的阻力和剛度均根據實測值取值；

（3）軌道板和底座板在全橋范圍內連續(xù)鋪設，標準軌道板之間通過6根精軋螺紋鋼筋相互連接，軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性；

（4）為了減小橋梁溫度變形對無砟軌道結構的影響，在底座板寬度范圍內的梁面上連續(xù)設置“兩布一膜”滑動層，使底座板與橋梁間保持滑動狀態(tài)，橋上底座板與梁面間的“兩布一膜”滑動層采用彈簧單元進行模擬；

（5）在每孔橋梁的固定支座上方，通過在梁體預設剪力齒槽和錨固筋組成的固結機構實現(xiàn)底座板與梁體之間的固結，在梁縫處一定范圍內的梁面鋪設高強度擠塑板，以減小列車荷載作用下橋梁撓曲變形對無砟軌道結構的影響，固結機構和高強度擠塑板采用彈簧單元進行模擬；

（6）由于橋梁和無砟軌道結構之間只在固定支座上方進行了連接，為保證軌道結構的橫向和豎向穩(wěn)定性，在底座板兩側設置一定數量的L型側向擋塊，約束橋上底座板的橫向和豎向位移，L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性；

（7）橋梁采用實體單元進行模擬，全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性，考慮橋梁墩臺頂縱橫向剛度基本為線性，采用線性彈簧單元進行模擬；

（8）為保證橋梁臺后路基和無砟軌道結構的穩(wěn)定，在路橋過渡段范圍內設置一定長度的摩擦板和端刺組成錨固體系進行錨固，為實現(xiàn)路橋過渡段與區(qū)間無砟軌道結構的剛度平順過渡，在摩擦板和端刺后設置一定長度的過渡板，摩擦板、端刺和過渡板采用實體單元進行模擬，全面考慮整個臺后錨固體系的幾何尺寸和物理屬性。

（9）為避免摩擦板區(qū)段的集中受力，路基上底座板與摩擦板間鋪設兩層土工布，路基上底座板與摩擦板間“兩布”滑動層采用彈簧單元進行模擬；

（10）橋梁臺后路基土體以及路基上支撐層采用實體單元進行模擬，全面考慮路基土體及支撐層的幾何尺寸和物理屬性。

所述應用ANSYS軟件建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型進行靜力學分析，計算得到在溫度變化、撓曲作用和制動條件下，采用不同的橋上或摩擦板上滑動層摩擦系數、扣件縱向阻力、橋梁溫差、無砟軌道結構溫差、砂漿充填層彈性模量、底座板彈性模量折減程度、固結機構縱向剛度、路基土體彈性模量、連續(xù)梁橋墩縱向剛度和連續(xù)梁橋跨長度等條件下的鋼軌最大縱向力，軌道板、砂漿層、底座板、錨固體系和端刺區(qū)土體最大應力，固結機構和連續(xù)梁橋墩最大縱向力，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和錨固體系最大縱向位移，梁縫縱向變化量，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和橋梁最大垂向位移，梁端轉角。

所述應用ABAQUS軟件建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型具體如下：

（1）高速車輛為多剛體模型，由車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛組成；

（2）鋼軌選用實體單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩參數，鋼軌按照較小的長度劃分單元，以滿足動力學計算的需要，全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角，鋼軌上施加現(xiàn)場實測不平順軌道譜，并考慮鋼軌底下的軌底坡；

（3）扣件采用彈簧單元進行模擬，全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度；

（4）軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性；

（5）底座板與梁面之間設置的“兩布一膜”滑動層采用罰函數接觸進行模擬，橋梁接縫區(qū)域的固結機構和高強度擠塑板采用線性接觸剛度進行模擬；

（6）L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，全面考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性；

（7）橋梁采用實體單元進行模擬，全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性。

應用ABAQUS軟件建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型進行動力學分析，計算得到包括輪軌垂向和橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、車體垂向和橫向加速度的各項動力學安全性指標、包括鋼軌加速度、垂向和橫向位移、軌距和軌向變化量的鋼軌動力學計算結果、包括軌道板垂向加速度、垂向位移、動應力，砂漿層垂向加速度、垂向位移、動應力，底座板垂向加速度、垂向位移、動應力，L型側向擋塊垂向加速度、動應力的無砟軌道結構動力學計算結果、包括橋梁垂向和橫向加速度、橋梁撓度、梁端轉角的橋梁動力學計算結果。

所述高速車輛的結構包括車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛。

所述縱連板式無砟軌道無縫線路的結構包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板和L型側向擋塊。

所述長大橋梁的結構包括簡支箱梁、連續(xù)箱梁和橋墩 。

高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法改善效果

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》可以彌補高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路研究的不足，有助于形成中國高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道的技術條件，完善中國高速鐵路技術體系，研究成果將直接服務于中國高速鐵路的建設，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》所建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路空間耦合模型，結構更加完善，模型更加細致，各項參數均可以按照實際設計參數和現(xiàn)場實測數據取值，可以得到各細部結構在靜、動力學條件下的計算結果，解決了設計、鋪設和養(yǎng)護維修等方面面臨的各項技術難題 。

圖1為鋼軌梁單元模型圖。

圖2為標準軌道板實體單元模型圖。

圖3為軌道板、砂漿層和底座板實體單元模型圖。

圖4為橋上“兩布一膜”滑動層位移與摩擦系數關系圖。

圖5為L型側向擋塊實體單元模型圖。

圖6為32米簡支箱梁實體單元模型圖。

圖7為（80 128 80）米連續(xù)箱梁實體單元模型圖。

圖8為臺后錨固體系實體單元模型圖。

圖9為摩擦板上“兩布”滑動層位移與摩擦系數關系圖。

圖10為路基土體實體單元模型圖。

圖11為路基上支撐層實體單元模型圖。

圖12為橋梁地段縱連板式無砟軌道結構靜力學模型圖。

圖13為路基地段縱連板式無砟軌道結構靜力學模型圖。

圖14為高速車輛整體模型圖。

圖15為鋼軌實體單元模型圖。

圖16為標準軌道板實體單元模型圖。

圖17為軌道板、砂漿層和底座板實體單元模型圖。

圖18為L型側向擋塊實體單元模型圖。

圖19為32米簡支箱梁實體單元模型圖。

圖20為（80 128 80）米連續(xù)箱梁實體單元模型圖。

圖21為高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型正視圖。

圖22為高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型整體圖。

圖23為不同橋上滑動層摩擦系數條件下鋼軌伸縮力比較圖。

圖24為不同橋上滑動層摩擦系數條件下鋼軌伸縮位移比較圖。

圖25為不同連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下鋼軌制動力比較圖。

圖26為不同連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下鋼軌制動位移比較圖。

圖27為輪軌垂向力時程圖。

圖28為輪軌橫向力時程圖。

圖29為輪軸橫向力時程圖。

圖30為脫軌系數時程圖。

圖31為輪重減載率時程圖。

圖32為車體垂向加速度時程圖。

圖33為車體橫向加速度時程圖。

圖34為鋼軌加速度時程圖。

圖35為鋼軌垂向（絕對）位移時程圖。

圖36為鋼軌橫向位移時程圖。

圖37為軌道板垂向加速度時程圖匯總。

圖38為軌道板動應力時程圖匯總。

圖39為底座板垂向加速度時程圖匯總。

圖40為底座板動應力時程圖匯總。

圖41為L型側向擋塊動應力時程圖匯總。

圖42為橋梁撓度時程圖匯總 。

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》屬于鐵道工程設計技術領域，特別涉及高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法 。

1.高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，該方法包括：應用ANSYS軟件對鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板、L型側向擋塊、橋梁和橋墩、摩擦板和端刺錨固體系，以及路基土體和路基上支撐層結構進行模擬仿真，建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型并對該耦合靜力學模型進行靜力學分析；應用ABAQUS軟件對高速車輛的結構、縱連板式無砟軌道無縫線路的結構和長大橋梁的結構進行模擬仿真，建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型，并對該耦合動力學模型進行動力學分析；所述建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型具體如下：（1）鋼軌選用梁單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩參數，鋼軌按照支承節(jié)點劃分單元，全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角；（2）扣件采用彈簧單元進行模擬，全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度，扣件的阻力和剛度均根據實測值取值；（3）軌道板和底座板在全橋范圍內連續(xù)鋪設，標準軌道板之間通過6根精軋螺紋鋼筋相互連接，軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性；（4）為了減小橋梁溫度變形對無砟軌道結構的影響，在底座板寬度范圍內的梁面上連續(xù)設置“兩布一膜”滑動層，使底座板與橋梁間保持滑動狀態(tài)，橋上底座板與梁面間的“兩布一膜”滑動層采用彈簧單元進行模擬；（5）在每孔橋梁的固定支座上方，通過在梁體預設剪力齒槽和錨固筋組成的固結機構實現(xiàn)底座板與梁體之間的固結，在梁縫處一定范圍內的梁面鋪設高強度擠塑板，以減小列車荷載作用下橋梁撓曲變形對無砟軌道結構的影響，固結機構和高強度擠塑板采用彈簧單元進行模擬；（6）由于橋梁和無砟軌道結構之間只在固定支座上方進行了連接，為保證軌道結構的橫向和豎向穩(wěn)定性，在底座板兩側設置一定數量的L型側向擋塊，約束橋上底座板的橫向和豎向位移，L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性；（7）橋梁采用實體單元進行模擬，全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性，考慮橋梁墩臺頂縱橫向剛度基本為線性，采用線性彈簧單元進行模擬；（8）為保證橋梁臺后路基和無砟軌道結構的穩(wěn)定，在路橋過渡段范圍內設置一定長度的摩擦板和端刺組成錨固體系進行錨固，為實現(xiàn)路橋過渡段與區(qū)間無砟軌道結構的剛度平順過渡，在摩擦板和端刺后設置一定長度的過渡板，摩擦板、端刺和過渡板采用實體單元進行模擬，全面考慮整個臺后錨固體系的幾何尺寸和物理屬性；（9）為避免摩擦板區(qū)段的集中受力，路基上底座板與摩擦板間鋪設兩層土工布，路基上底座板與摩擦板間“兩布”滑動層采用彈簧單元進行模擬；（10）橋梁臺后路基土體以及路基上支撐層采用實體單元進行模擬，全面考慮路基土體及支撐層的幾何尺寸和物理屬性。

2.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，應用ANSYS軟件建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型進行靜力學分析，計算得到在溫度變化、撓曲作用和制動條件下，采用不同的橋上或摩擦板上滑動層摩擦系數、扣件縱向阻力、橋梁溫差、無砟軌道結構溫差、砂漿充填層彈性模量、底座板彈性模量折減程度、固結機構縱向剛度、路基土體彈性模量、連續(xù)梁橋墩縱向剛度和連續(xù)梁橋跨長度條件下的鋼軌最大縱向力，軌道板、砂漿層、底座板、錨固體系和端刺區(qū)土體最大應力，固結機構和連續(xù)梁橋墩最大縱向力，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和錨固體系最大縱向位移，梁縫縱向變化量，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和橋梁最大垂向位移，梁端轉角。

3.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，所述應用ABAQUS軟件建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型具體如下：（1）高速車輛為多剛體模型，由車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛組成；（2）鋼軌選用實體單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩參數，鋼軌按照較小的長度劃分單元，以滿足動力學計算的需要，全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角，鋼軌上施加現(xiàn)場實測不平順軌道譜，并考慮鋼軌底下的軌底坡；（3）扣件采用彈簧單元進行模擬，全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度；（4）軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性；（5）底座板與梁面之間設置的“兩布一膜”滑動層采用罰函數接觸進行模擬，橋梁接縫區(qū)域的固結機構和高強度擠塑板采用線性接觸剛度進行模擬；（6）L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，全面考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性；（7）橋梁采用實體單元進行模擬，全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性。

4.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，應用ABAQUS軟件建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型進行動力學分析，計算得到包括輪軌垂向和橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、車體垂向和橫向加速度的各項動力學安全性指標、包括鋼軌加速度、垂向和橫向位移、軌距和軌向變化量的鋼軌動力學計算結果、包括軌道板垂向加速度、垂向位移、動應力，砂漿層垂向加速度、垂向位移、動應力，底座板垂向加速度、垂向位移、動應力，L型側向擋塊垂向加速度、動應力的無砟軌道結構動力學計算結果、包括橋梁垂向和橫向加速度、橋梁撓度、梁端轉角的橋梁動力學計算結果。

5.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，所述高速車輛的結構包括車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛。

6.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，所述縱連板式無砟軌道無縫線路的結構包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板和L型側向擋塊。

7.根據權利要求1所述的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，其特征在于，所述長大橋梁的結構包括簡支箱梁、連續(xù)箱梁和橋墩 。

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》提供高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法。應用ANSYS軟件建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型，主要考慮鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板、L型側向擋塊、橋梁和橋墩、摩擦板和端刺錨固體系、路基土體和路基上支撐層等結構的組成。具體如下：

（1）鋼軌選用梁單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩等參數。鋼軌按照支承節(jié)點劃分單元，可全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角。鋼軌梁單元模型如圖1所示。

（2）扣件采用彈簧單元進行模擬，可以全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度，扣件的阻力和剛度均可根據實測值取值。

（3）軌道板和底座板在全橋范圍內連續(xù)鋪設，標準軌道板之間通過6根精軋螺紋鋼筋相互連接。軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，可以全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性。標準軌道板實體單元模型如圖2所示，軌道板、砂漿層和底座板的實體單元模型如圖3所示。

（4）為了減小橋梁溫度變形對無砟軌道結構的影響，在底座板寬度范圍內的梁面上連續(xù)設置“兩布一膜”滑動層，使底座板與橋梁間保持滑動狀態(tài)。橋上底座板與梁面間的“兩布一膜”滑動層采用彈簧單元進行模擬，橋上“兩布一膜”滑動層的位移與摩擦系數的關系如圖4所示。

（5）在每孔橋梁的固定支座上方，通過在梁體預設剪力齒槽和錨固筋組成的固結機構實現(xiàn)底座板與梁體之間的固結。在梁縫處一定范圍內的梁面鋪設高強度擠塑板，以減小列車荷載作用下橋梁撓曲變形對無砟軌道結構的影響。固結機構和高強度擠塑板采用彈簧單元進行模擬。

（6）由于橋梁和無砟軌道結構之間只在固定支座上方進行了連接，為保證軌道結構的橫向和豎向穩(wěn)定性，在底座板兩側設置一定數量的L型側向擋塊，約束橋上底座板的橫向和豎向位移。L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，可以全面考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性。L型側向擋塊的實體單元模型如圖5所示。

（7）橋梁采用實體單元進行模擬，可以全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性。32米簡支箱梁的實體單元模型如圖6所示，（80 128 80）米連續(xù)箱梁的實體單元模型如圖7所示。

（8）考慮橋梁墩臺頂縱橫向剛度基本為線性，采用線性彈簧單元進行模擬。

（9）為保證橋梁臺后路基和無砟軌道結構的穩(wěn)定，在路橋過渡段范圍內設置一定長度的摩擦板和端刺組成錨固體系進行錨固。為實現(xiàn)路橋過渡段與區(qū)間無砟軌道結構的剛度平順過渡，在摩擦板和端刺后設置一定長度的過渡板。摩擦板、端刺和過渡板采用實體單元進行模擬，可以全面考慮整個臺后錨固體系的幾何尺寸和物理屬性。臺后錨固體系的實體單元模型如圖8所示。

（10）為避免摩擦板區(qū)段的集中受力，路基上底座板與摩擦板間鋪設兩層土工布。路基上底座板與摩擦板間“兩布”滑動層采用彈簧單元進行模擬，摩擦板上“兩布”滑動層的位移與摩擦系數的關系如圖9所示。

（11）橋梁臺后路基土體以及路基上支撐層采用實體單元進行模擬，可以全面考慮路基土體及支撐層的幾何尺寸和物理屬性。路基土體的實體單元模型如圖10所示，路基上支撐層的實體單元模型如圖11所示。

橋梁地段縱連板式無砟軌道結構靜力學模型如圖12所示，路基地段縱連板式無砟軌道結構靜力學模型如圖13所示。

根據《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》所建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合靜力學模型進行靜力學分析，可以計算得到在溫度變化、撓曲作用和制動條件下，采用不同的橋上或摩擦板上滑動層摩擦系數、扣件縱向阻力、橋梁溫差、無砟軌道結構溫差、砂漿充填層彈性模量、底座板彈性模量折減程度、固結機構縱向剛度、路基土體彈性模量、連續(xù)梁橋墩縱向剛度和連續(xù)梁橋跨長度等條件下的鋼軌最大縱向力，軌道板、砂漿層、底座板、錨固體系和端刺區(qū)土體最大應力，固結機構和連續(xù)梁橋墩最大縱向力，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和錨固體系最大縱向位移，梁縫縱向變化量，鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板和橋梁最大垂向位移，梁端轉角等。具體計算結果見實施例所示。

《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》的目的在于，提供基于精細化靜動力仿真的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法，應用ABAQUS軟件建立高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型，主要考慮高速車輛（包括車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等）、縱連板式無砟軌道無縫線路（包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、滑動層、固結機構、高強度擠塑板和L型側向擋塊等）和長大橋梁（包括簡支箱梁、連續(xù)箱梁和橋墩）等結構的組成。具體如下：

（1）高速車輛為多剛體模型，由車體、轉向架、輪對、一系懸掛（軸箱懸掛）和二系懸掛（中央懸掛）等部分組成。高速車輛的整體模型如圖14所示。

（2）鋼軌選用實體單元進行模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩等參數。鋼軌按照較小的長度劃分單元，以滿足動力學計算的需要，可以全面考慮鋼軌的縱、橫、垂向線位移及轉角。鋼軌上施加現(xiàn)場實測不平順軌道譜，并考慮鋼軌底下的軌底坡。鋼軌實體單元模型如圖15所示。

（3）扣件采用彈簧單元進行模擬，可以全面考慮扣件的縱向阻力、橫向剛度和垂向剛度。動力計算時扣件動剛度按1.5倍靜剛度取值。

（4）軌道板、砂漿充填層和底座板采用實體單元進行模擬，可以全面考慮各部分結構的幾何尺寸和物理屬性。標準軌道板的實體單元模型如圖16所示，軌道板、砂漿層和底座板的實體單元模型如圖17所示。

（5）底座板與梁面之間設置的“兩布一膜”滑動層采用罰函數接觸進行模擬，橋梁接縫區(qū)域的固結機構和高強度擠塑板采用線性接觸剛度進行模擬。

（6）L型側向擋塊采用實體單元進行模擬，可以全面考慮擋塊的幾何尺寸和物理屬性。L型側向擋塊的實體單元模型如圖18所示。

（7）橋梁采用實體單元進行模擬，可以全面考慮橋梁結構的幾何尺寸和物理屬性。32米簡支箱梁的實體單元模型如圖19所示，（80 128 80）米連續(xù)箱梁的實體單元模型如圖20所示。

由以上各部分組成的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型如圖21和圖22所示。

根據《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》所建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型進行動力學分析，可以計算得到各項動力學安全性指標（包括輪軌垂向和橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、車體垂向和橫向加速度）、鋼軌動力學計算結果（包括鋼軌加速度、垂向和橫向位移、軌距和軌向變化量）、無砟軌道結構動力學計算結果（包括軌道板垂向加速度、垂向位移、動應力，砂漿層垂向加速度、垂向位移、動應力，底座板垂向加速度、垂向位移、動應力，L型側向擋塊垂向加速度、動應力）、橋梁動力學計算結果（包括橋梁垂向和橫向加速度、橋梁撓度、梁端轉角）等。具體計算結果見實施例所示。

以下結合實施例和附圖對《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》的內容作更進一步的說明，但《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》的內容不僅限于實施例中所涉及的內容 。

• 實施例1：

該部分比較分析橋上“兩布一膜”滑動層摩擦系數分別為0.25、0.30和0.35時的主要溫度力和位移計算結果。不同的橋上滑動層摩擦系數條件下的鋼軌受力和鋼軌位移比較如圖23和圖24所示。橫坐標的零點為橋臺與橋梁一側的交界處，下同。不同橋上滑動層摩擦系數條件下的主要溫度力和位移計算結果比較見表1和表2 。

表1：不同橋上滑動層摩擦系數條件下主要受力計算結果比較

表2：不同橋上滑動層摩擦系數條件下主要位移計算結果比較

由以上計算結果分析得出，橋上滑動層的摩擦系數越小，在溫度變化的條件下軌道結構受到橋梁伸縮變形的影響越小，越有利于軌道和橋梁結構的安全使用。而隨著長大橋梁無砟軌道無縫線路的投入使用，橋上滑動層的摩擦系數可能會由于“兩布一膜”的磨損而有所增大，這一因素在設計中也應予以考慮。

• 實施例2：

該部分比較分析連續(xù)梁橋跨長度分別為（80 128 80）米、（60 100 60）米和（48 80 48）米時的主要撓曲力和位移計算結果。不同連續(xù)梁橋跨長度條件下的主要撓曲力和位移計算結果比較見表3至表5 。

表3：不同連續(xù)梁橋跨長度條件下主要受力計算結果比較

表4：不同連續(xù)梁橋跨長度條件下主要縱向位移計算結果比較

表5：不同連續(xù)梁橋跨長度條件下主要垂向位移及梁端轉角計算結果比較

由以上計算結果分析得出，雖然在長大橋梁上采用了縱連板式無砟軌道結構與滑動層，但在撓曲力的作用下，長大橋梁的跨長或聯(lián)長依然對軌道和橋梁結構的受力與變形有較大的影響。因此，在對長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路進行設計計算和檢算時，依然要重點考慮橋梁跨長的影響。

• 實施例3：

該部分比較分析連續(xù)梁橋墩縱向剛度分別為2600千牛/厘米、3600千牛/厘米和4600千牛/厘米時的主要制動力和位移計算結果。不同的連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下的鋼軌受力和鋼軌位移比較如圖25和圖26所示。不同連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下的主要制動力和位移計算結果比較見表6和表7 。

表6：不同連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下主要受力計算結果比較

表7：不同連續(xù)梁橋墩縱向剛度條件下主要位移計算結果比較

由以上計算結果分析得出，隨著連續(xù)梁橋墩縱向剛度的增大，在制動力的作用下，軌道和橋梁結構的大部分受力與變形都有所減小，但相對來說變化不大，而連續(xù)梁橋墩受力則明顯增大。因此，應根據實際需要對橋墩尺寸進行設計，以避免材料的浪費。

• 實施例4：

該實施例采用《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》所建立的高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合動力學模型進行動力學分析，計算得到輪軌垂向和橫向力的時程曲線如圖27和圖28所示，輪軌垂向力最大值為127.665千牛，輪軌橫向力最大值為13.502千牛。根據輪軌橫向力計算得到的輪軸橫向力時程曲線如圖29所示，最大值為7.586千牛。根據輪軌垂向和橫向力計算得到的脫軌系數和輪重減載率的時程曲線如圖30和圖31所示，脫軌系數最大值為0.154，輪重減載率最大值為0.566。計算得到車體的垂向和橫向加速度的時程曲線如圖32和圖33所示，車體垂向加速度的最大值為0.044克，橫向加速度的最大值為0.024克。

計算得到鋼軌加速度時程曲線如圖34所示，最大值為336.335克。計算得到鋼軌垂向（絕對）位移時程曲線如圖35所示，最大值為3.708毫米。計算得到鋼軌橫向位移時程曲線如圖36所示，最大值為0.403毫米。根據計算得到的鋼軌橫向位移，可以算得軌距和軌向變化量，軌距變化量最大值為0.412毫米，軌向變化量最大值為0.268毫米。

計算得到連續(xù)梁上不同位置處軌道板垂向加速度的時程曲線匯總如圖37所示，最大值為9.218克；動應力時程曲線匯總如圖38所示，最大值為0.286兆帕。計算得到連續(xù)梁上不同位置處底座板垂向加速度的時程曲線匯總如圖39所示，最大值為2.025克；動應力時程曲線匯總如圖40所示，最大值為0.127兆帕。計算得到連續(xù)梁上不同位置處L型側向擋塊動應力的時程曲線匯總如圖41所示，最大值為0.012兆帕。

計算得到連續(xù)梁上不同位置處橋梁垂向加速度最大值為0.010g，橋梁橫向加速度最大值為0.009克。計算得到連續(xù)梁上不同位置處橋梁撓度的時程曲線匯總如圖42所示，橋梁撓度最大值為2.746毫米 。

2020年7月14日，《高速鐵路長大橋梁縱連板式無砟軌道無縫線路設計方法》獲得第二十一屆中國專利優(yōu)秀獎 。2100433B

橋梁縱坡度，橋面沿橋軸線方向的坡度。

為保證橋梁縱向穩(wěn)定，固定橋對縱坡度有明確規(guī)定，如低水橋架設時的最大允許縱坡度為3%。

本書針對中國高速鐵路線/橋結構工程特點，系統(tǒng)闡述了作者十余年來在橋上無縫線路技術領域的創(chuàng)新研究成果及應用實踐。全書共五章，內容涵蓋了國內外橋上無縫線路技術發(fā)展現(xiàn)狀及設計方法對比、各種類型軌道和橋梁結構間縱各相互作用規(guī)律、高速鐵路線/橋結構設計優(yōu)化方法、狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術及下一步研究工作方向等。

超長無縫線路的鋪設是以單元軌條為一段依次分段焊連施工的。焊連時保證鎖定軌溫不超限（在設計中和軌溫范圍）是關鍵。所以根據施工作業(yè)軌溫和施工條件一般有兩種施工方法，一種叫“連入法”，一種叫“插入法”。

無縫線路連入法

采用連入法施工時，是在一個天窗時間內把要鋪設的單元軌條始端用焊接法與前一天鋪設的單元軌條終端焊連，鋪設時同時焊接同時放散，做到一步到位。也就是說，在認為鎖定軌溫相符的條件下，新軌引進換軌車龍門之后，換軌車邊前進邊進行長軌條的始端焊接。這種施工組織難度較大，一般適用于封閉線路鋪設和軌溫變化不大，與鎖定軌溫相同的條件。

無縫線路插入法

是在一個天窗內，與鋪設普通無縫線路一樣，在兩單元軌條之間設一根緩沖軌（長度不短于6m）。而在另一個天窗時間取出緩沖軌，插入經計算確定的軌長放散應力，然后進行最終焊接。第二次焊接作業(yè)，可以選在正在鋪設新軌區(qū)間或相鄰區(qū)間鋪設新單元軌條時的同一個天窗內來進行。作業(yè)地點間隔以相互施工不發(fā)生影響，最好不小于三個單元軌條長。這種施工方法原則上可以任意軌溫下鋪設，施工難度較小，容易做到溫度力均勻，符合設計中和軌溫要求。

超長無縫線路的基本原理與普通無縫線路相同，因此，普通無縫線路的一切養(yǎng)護維修辦法，都適用于超長無縫線路。但超長無縫線路因其軌條特長，也有一些不同于普通無縫線路的特點。

超長無縫線路一經鎖定，其鎖定狀況，因其超長而不易改變。例如，鎖定軌溫不準、軸向力分布不均時，只能進行局部調整，幾乎無法進行整體放散。因此，“鎖定軌溫要準”對超長無縫線路來說格外重要。為此，必須做好：

跟蹤監(jiān)控：大修換軌時，工務段要派遣分管無縫線路的技術人員，對施工中鎖定軌溫的設置實行跟蹤監(jiān)控。施工單位確定的鎖定軌溫之依據是否可靠；新軌的入槽軌溫和落槽軌溫的測定是否準確適時；低溫拉伸時，其拉伸溫差和拉伸量的核定是否無誤，拉伸是否均勻等等，都要認真監(jiān)視、檢查和記錄。嚴格驗收。工程驗交時，有關記錄鎖定軌溫的資料，必須齊全，同時要一一查對核實，如有疑問必須核查清楚。

最終復核：工程驗交以后，工務段要對驗交區(qū)段的軌長表項進行一次取標測量，去掉可疑點，算出各分段的鎖定軌溫值。而后將跟蹤監(jiān)控、交驗資料、取標測算三方面的情況進行一次最終核查，將查定的鎖定軌溫作為日后管理的依據。

日常監(jiān)測。在日常管理中，要對爬行觀測樁和軌長標定的設標點進行定期觀測，并互相核對。如發(fā)現(xiàn)兩觀測樁之間有位移，則進一步對兩觀測樁之間的設標點進行取標測量，詳查發(fā)生位移的實際段落所在。核定后進行局部應力調正，使之均勻。