一种桥上无缝线路设计方法、系统及电子设备与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，特别是涉及一种桥上无缝线路设计方法、系统及电子设备。


背景技术：

2.近年来，我国轨道交通得到了迅猛发展。其中，高架桥凭借其沉降低、占地少及工期短等明显优势得以越来越广泛的应用，考虑桥上无缝线路的受力情况与地下线路有着明显的不同，钢轨除了受列车荷载、温度荷载等影响外，还会受到因桥梁伸缩或挠曲变形而产生的纵向附加力的影响，故在桥上无缝线路的设计过程中，需要对温度、列车荷载作用下的桥上无缝线路进行检算，以确保钢轨、桥跨结构及墩台等结构满足对应的强度条件、稳定条件以及钢轨断缝条件要求，进而指导线路工程设计。
3.现有技术通常采用有限元分析软件建立梁轨相互作用模型，以实现梁轨相互作用的模拟仿真。然而，这类设计方法所构建的模型单元数量较多，且无法实现参数化，导致建模速度和计算速度均较慢；另一方面，城市轨道交通中的桥梁类型、桥梁跨数及多种桥梁的组合形式往往复杂多样，当桥梁的形式以及不同桥梁形式的组合发生改变时，现有的设计方法还需重复建模，往往工作效率低下。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种桥上无缝线路设计方法、系统及电子设备，能够实现桥上无缝线路有限元模型构建的参数化，并有效提升建模和计算效率。
5.第一方面，本发明提供一种桥上无缝线路设计方法，包括：
6.接收输入的桥上无缝线路的结构设计参数，所述结构设计参数包括桥梁结构设计参数、轨道结构设计参数和桥跨布置参数；
7.利用所述结构设计参数进行参数化建模，得到桥上无缝线路有限元模型。
8.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：基于预设荷载条件对所述桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算；
9.根据模拟计算结果验证所述桥上无缝线路有限元模型是否符合设计规范；若不符合，调整所述桥上无缝线路的所述结构设计参数。
10.在一种可能的实现方式中，所述基于预设荷载条件对所述桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算，具体为：
11.计算所述桥上无缝线路有限元模型在预设荷载条件下的纵向附加力和断轨轨缝；其中，所述荷载条件包括温度荷载和列车荷载，所述纵向附加力包括温度力、挠曲力、制动力和断轨力。
12.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述模拟计算结果确定所述桥上无缝线路有限元模型中是否需要模拟伸缩调节器；若需要，则基于所述模拟计算结果调整所述结构设计参数中的轨道结构设计参数。
13.在一种可能的实现方式中，所述桥上无缝线路有限元模型包括钢轨、扣件、桥梁以及桥梁支座，所述利用所述结构设计参数进行参数化建模，具体为：
14.采用弹簧单元模拟所述扣件和所述桥梁支座；采用梁单元模拟所述钢轨和所述桥梁；其中，
15.所述桥梁中包含梁缝，所述梁缝基于所述结构设计参数中的桥跨布置参数生成。
16.在一种可能的实现方式中，所述梁缝基于所述桥跨布置参数生成，具体为：
17.根据所述桥跨布置参数确定所述桥梁中的梁缝位置；
18.删除所述梁缝位置所对应的梁单元，生成所述梁缝。
19.在一种可能的实现方式中，所述桥梁结构设计参数包括桥梁截面惯性矩、桥梁截面积、桥梁截面形心距离上翼缘距离、桥梁截面形心距离下翼缘距离和墩顶纵向线刚度；
20.所述轨道结构设计参数包括道床纵向阻力幅值、道床纵向阻力屈服位移点和伸缩调整器参数；
21.所述桥跨布置参数具体为梁缝位置参数。
22.第二方面，本发明提供一种桥上无缝线路设计系统，包括：
23.参数接收单元，用于接收输入的桥上无缝线路的结构设计参数，所述结构设计参数包括桥梁结构设计参数、轨道结构设计参数和桥跨布置参数；
24.模型构建单元，用于利用所述结构设计参数进行参数化建模，得到桥上无缝线路有限元模型。
25.在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：模型分析单元，用于基于预设荷载条件对所述桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算；
26.根据模拟计算结果验证所述桥上无缝线路有限元模型是否符合设计规范；若不符合，调整所述桥上无缝线路的所述结构设计参数。
27.第三方面，本发明还提供电子设备，包括一个或多个处理器；存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的桥上无缝线路设计方法。
28.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
29.本发明提供的桥上无缝线路设计方法在设计过程中采用了参数化建模方法，可以快速、便捷地得到桥上无缝线路在不同结构设计参数下的有限元模型，既避免了重复性建模工作，缩短了设计周期，又可实现对桥上无缝线路的高效、高精度分析。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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。
31.图1是本发明实施例提供的桥上无缝线路设计方法的流程示意图；
32.图2是本发明实施例提供的桥上无缝线路有限元模型示意图；
33.图3是本发明实施例提供的桥上无缝线路设计系统的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.请参阅图1，第一方面，本发明一个实施例提供了一种桥上无缝线路设计方法，具体包括下述步骤：
36.s1：接收输入的桥上无缝线路的结构设计参数，所述结构设计参数包括桥梁结构设计参数、轨道结构设计参数和桥跨布置参数。
37.在本实施例中，首先需接收用户输入的结构设计参数，并基于所接收的结构设计参数确定参数化建模数据表。
38.具体地，所述结构设计参数中的桥梁结构设计参数包括桥梁截面惯性矩(m4)、桥梁截面积(m2)、桥梁截面形心距离上翼缘距离(m)、桥梁截面形心距离下翼缘距离(m)和墩顶纵向线刚度(kn/cm)。在本实施例中，对于变截面桥梁，需简化为等截面梁进行考虑。
39.所述结构设计参数中的轨道结构设计参数则包括道床纵向阻力幅值、道床纵向阻力屈服位移点和伸缩调整器参数等。其中，无砟轨道道床的纵向阻力具体为扣件的纵向阻力，可通过现场试验得到；有砟轨道道床的纵向阻力则可参考设计规范进行取值。
40.所述结构设计参数中的桥跨布置参数用于确定简支梁、连续梁及连续刚构等布置位置，具体可通过定义梁缝位置参数进行确定。
41.在一个实施例中，所述结构设计参数还包括桥梁与钢轨的长度数据。
42.s2：利用所述结构设计参数进行参数化建模，得到桥上无缝线路有限元模型。
43.需要说明的是，本实施例提供的桥上无缝线路有限元模型包括钢轨、扣件、桥梁以及桥梁支座。在利用结构设计参数进行参数化建模的过程中，可采用弹簧单元模拟所述扣件和所述桥梁支座；采用梁单元模拟所述钢轨和所述桥梁；其中，所述桥梁中包含梁缝，所述梁缝基于所述结构设计参数中的桥跨布置参数生成。
44.在一个实施例中，可根据桥跨布置参数确定桥梁中的梁缝位置，再删除所述梁缝位置所对应的模拟桥梁的梁单元，从而生成梁缝。
45.可以理解的是，本发明实施例通过改变梁缝位置，可实现对简支梁、连续梁及连续钢构等多种桥梁类型的任意组合，这种参数化建模方式可有效避免重复建模过程，提高桥上无缝线路设计效率。
46.通过本发明上述实施例完成桥上无缝线路有限元模型构建后，可以基于预设荷载条件对该桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算，并根据模拟计算结果验证所述桥上无缝线路有限元模型是否符合设计规范，若不符合，则调整所述桥上无缝线路的所述结构设计参数。
47.具体地，在对桥上无缝线路有限元模型进行模拟仿真的过程中，可计算桥上无缝线路有限元模型在预设荷载条件下的纵向附加力和断轨轨缝，并判断计算结果是否符合设计规范要求；其中，所述荷载条件包括温度荷载和列车荷载，所述纵向附加力包括温度力、挠曲力、制动力和断轨力。
48.以下将通过一个具体实施例描述所述桥上无缝线路设计方法的实施过程：
49.在本实施例中，基于所接收的结构设计参数而建立的参数化建模数据表如下表1所示，表中数据为桥上无缝线路有限元模型的初始参数。
50.表1参数化建模数据表
[0051][0052]
需要说明的是，上述数据表中的几何尺寸长度、里程位置等数据均需简化为模型划分的纵向单元长度的整数倍。
[0053]
在桥上无缝线路有限元模型的构建过程中，可将每一跨桥梁设置为一个单位，按照桥梁顺序进行建模。具体地，对于每一跨桥梁，均有左侧墩顶纵向刚度、右侧墩顶纵向刚度；对于简支梁固定支座处，墩顶刚度等于实际刚度；对于连续梁和连续刚构的固定支座，由于需左右两跨桥梁共用，故墩顶刚度需进行分配，本实施例设置为实际刚度的一半；对于活动支座，由于其纵向没有约束，故墩顶纵向线刚度设为零。
[0054]
根据所接收的结构设计参数确定参数化建模数据表后，编写apdl语言将所述参数化建模数据表读入到有限元分析软件ansys中，以识别建模所需的各项参数，并进行桥上无缝线路有限元模型的构建。
[0055]
在模型构建过程中，首先将钢轨、桥梁离散为有限个梁单元beam4，并根据实际工况设置钢轨和桥梁的截面积、惯性矩、弹性模量、密度及线膨胀系数等属性参数；再采用非线性弹簧单元combin39模拟道床纵向阻力，并按实际工况设置道床阻力幅值和阻力屈服点位移；对于每个桥梁支座，则采用两个线性弹簧单元combin14进行模拟计算，并分别为垂向和纵向两个方向设置属性参数，其中，纵向的线性弹簧单元按照实际工况设置桥梁墩顶纵向刚度值，垂向的桥梁墩顶纵向刚度值则统一设置为大于105kn/cm，即：考虑垂向为近乎刚性。
[0056]
进一步地，建立桥梁上下翼缘刚臂模拟桥梁高度，以模拟挠曲变形。其中，上翼缘刚臂长度按照桥梁截面形心到上翼缘距离取值，下翼缘刚臂长度则按照桥梁截面形心到下翼缘距离取值。
[0057]
需要说明的是，为了消除边界效应对桥上无缝线路有限元模型模拟计算结果的影响，本实施例在桥梁两端分别建立大于100m路基段，以对桥上无缝线路进行约束。
[0058]
示例性的，当设置桥上无缝线路的设计工况为简支梁(30m) 连续梁(30m 50m 30m) 简支梁(30m)时，所构建的桥上无缝线路有限元模型如图2所示。
[0059]
具体地，可先根据所获取的钢轨长度数据建立钢轨子模型，所述钢轨子模型的纵向单元长度设置为0.5m。其中，钢轨的长度等于两倍路基长度与桥梁长度的总和。
[0060]
进一步地，获取每一跨桥梁的长度数据后，利用循环语句依次建立每一跨桥梁的子模型。具体地，全线桥梁子模型沿纵向方向，每隔一个纵向单元长度建立一个梁单元，并基于所获取的纵向刚度参数，在每一跨桥梁的梁端建立弹簧单元，以模拟桥梁支座。
[0061]
进一步地，建立弹簧单元模拟扣件，以连接钢轨节点和路基节点，以及连接钢轨节点和桥梁上翼缘刚臂节点。
[0062]
进一步地，通过有限元分析软件ansys识别参数化建模数据表中的梁缝位置参数，根据所述梁缝位置参数确定梁缝位置后，删除对应梁缝位置处的模拟桥梁的梁单元，以生成梁缝。
[0063]
可以理解的是，通过改变桥梁梁缝的位置，可实现对简支梁、连续梁及连续钢构等多种桥梁类型的任意组合，从而提高建模效率。
[0064]
在一个实施例中，完成了桥上无缝线路有限元模型的构建后，可计算所构建的模型在温度荷载、列车荷载作用下，桥上无缝线路的纵向附加力和断轨轨缝，并判断所得到的计算结果是否满足设计规范要求。其中，所述纵向附加力包括温度力、挠曲力、制动力和断轨力。
[0065]
具体地，当进行墩顶作用力检算时，可对钢轨、桥梁同时施加温度荷载。其中，钢轨温度变化为锁定轨温与最高轨温、锁定轨温与最低轨温差值中的较大值。
[0066]
需要说明的是，当分析钢轨伸缩附加力时，仅需施加桥梁温度荷载。
[0067]
在本实施例中，桥梁温度的变化根据下表2进行取值：
[0068]
表2桥梁温度变化值
[0069]
梁类型有砟轨道梁日温差无砟轨道梁年温差混凝土梁15℃30℃钢梁25℃——
[0070]
具体地，当对挠曲力和制动力进行计算时，可根据地铁列车的实际轮轴荷载确定节点加载方式。具体地，自列车上桥到下桥，可设置加载步数n，步长则表示为桥梁总长度与荷载长度的和与加载步数n的商值。
[0071]
进一步地，编写循环语句，以进行n个工况的加载，完成加载后，提取n个工况计算结果中的最大值和最小值，基于所提取的最值可得到钢轨和桥墩的挠曲力、制动力的包络曲线。
[0072]
需要说明的是，为了减少计算时间且提高计算准确性，本实施例设置0至25跨桥梁的加载步数为100步，25至50跨桥梁的加载步数为50步，50至100跨桥梁的加载步数则为30步。
[0073]
具体地，当计算断轨力时，可将钢轨折断的位置设置为输入参数，通过比对不同的钢轨折断位置，获取最不利位置，并以此位置计算最大断缝值。
[0074]
需要说明的是，所述钢轨折断的模拟可通过在桥上无缝线路有限元模型中设置伸缩调节器实现。
[0075]
具体地，当需在桥上无缝线路有限元模型中铺设伸缩调节器时，可通过识别参数化建模数据表中的“伸缩调节器位置”数据，确定待铺设伸缩调节器的位置，再删除所述待铺设伸缩调节器的位置所对应的梁单元，从而模拟对应位置钢轨折断。
[0076]
在一个实施例中，可在桥上无缝线路有限元模型中的连续梁两端设置伸缩调节
器。
[0077]
需要说明的是，当研究不同结构设计参数对桥梁无缝线路设计的影响时，仅需调整参数化建模数据表中所输入的参数化建模数据，便可快速生成对应参数下的桥梁无缝线路有限元模型，从而实现高效参数化建模。
[0078]
本发明上述实施例在完成模型构建后，通过对所述模型进行模拟计算，可研究所调整的参数对桥上无缝线路的钢轨强度、稳定性以及断缝大小的影响，进而确定各结构设计参数的合理值。通过将结构设计参数的合理值作为设计依据，可实现对桥上无缝线路的优化设计。
[0079]
请参照图3。第二方面，本发明另一个实施例还提供一种桥上无缝线路设计系统，所述系统具体包括参数接收单元101和模型构建单元102。
[0080]
参数接收单元101用于接收输入的桥上无缝线路的结构设计参数，所述结构设计参数包括桥梁结构设计参数、轨道结构设计参数和桥跨布置参数。
[0081]
在本实施例中，参数接收单元101接收用户输入的结构设计参数后，基于所接收的结构设计参数确定参数化建模数据表。
[0082]
具体地，所述结构设计参数中的桥梁结构设计参数包括桥梁截面惯性矩(m4)、桥梁截面积(m2)、桥梁截面形心距离上翼缘距离(m)、桥梁截面形心距离下翼缘距离(m)和墩顶纵向线刚度(kn/cm)。在本实施例中，对于变截面桥梁，需简化为等截面梁进行考虑。
[0083]
所述结构设计参数中的轨道结构设计参数则包括道床纵向阻力幅值、道床纵向阻力屈服位移点和伸缩调整器参数等。其中，无砟轨道道床的纵向阻力具体为扣件的纵向阻力，可通过现场试验得到；有砟轨道道床的纵向阻力则可参考设计规范进行取值。
[0084]
所述结构设计参数中的桥跨布置参数用于确定简支梁、连续梁及连续刚构等布置位置，具体可通过定义梁缝位置参数进行确定。
[0085]
在一个实施例中，所述结构设计参数还包括桥梁与钢轨的长度数据。
[0086]
模型构建单元102用于利用所述结构设计参数进行参数化建模，得到桥上无缝线路有限元模型。
[0087]
需要说明的是，本实施例提供的桥上无缝线路有限元模型包括钢轨、扣件、桥梁以及桥梁支座。模型构建单元102在利用结构设计参数进行参数化建模的过程中，可采用弹簧单元模拟所述扣件和所述桥梁支座；采用梁单元模拟所述钢轨和所述桥梁；其中，所述桥梁中包含梁缝，所述梁缝基于所述结构设计参数中的桥跨布置参数生成。
[0088]
在一个实施例中，模型构建单元102可根据桥跨布置参数确定桥梁中的梁缝位置，再删除所述梁缝位置所对应的模拟桥梁的梁单元，从而生成梁缝。
[0089]
可以理解的是，本发明实施例通过改变梁缝位置，可实现对简支梁、连续梁及连续钢构等多种桥梁类型的任意组合，这种参数化建模方式可有效避免重复建模过程，提高桥上无缝线路设计效率。
[0090]
需要说明的是，所述桥上无缝线路设计系统还包括模型分析单元103。
[0091]
模型分析单元103用于基于预设荷载条件对所述桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算；根据模拟计算结果验证所述桥上无缝线路有限元模型是否符合设计规范；若不符合，调整所述桥上无缝线路的所述结构设计参数。
[0092]
通过本发明上述实施例完成桥上无缝线路有限元模型构建后，模型分析单元103
可以基于预设荷载条件对该桥上无缝线路有限元模型进行模拟计算，并根据模拟计算结果验证所述桥上无缝线路有限元模型是否符合设计规范，若不符合，则调整所述桥上无缝线路的所述结构设计参数。
[0093]
具体地，模型分析单元103在对桥上无缝线路有限元模型进行模拟仿真的过程中，可计算桥上无缝线路有限元模型在预设荷载条件下的纵向附加力和断轨轨缝，并判断计算结果是否符合设计规范要求；其中，所述荷载条件包括温度荷载和列车荷载，所述纵向附加力包括温度力、挠曲力、制动力和断轨力。
[0094]
上述系统内的各单元之间信息交互、执行过程等内容，由于与本发明第一方面的桥上无缝线路设计方法实施例基于同一构思，更多具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0095]
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备可以包括：一个或多个处理器、以及存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序。当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的桥上无缝线路设计方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0096]
处理器用于控制该电子设备的整体操作，以完成上述的桥上无缝线路设计方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0097]
在一个示例性实施例中，电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logicdevice，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gatearray，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的桥上无缝线路设计方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0098]
在另一个示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的桥上无缝线路设计方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由电子设备的处理器执行以完成上述的桥上无缝线路设计方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0099]
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。本发明中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0100]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0101]
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。