(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211260101.3 (22)申请日 2022.10.14 (71)申请人 北京交通大 学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 高亮　张雅楠　王萌萌　黄仪博　 钟阳龙　丁家萱　杨明眉　 (74)专利代理 机构 北京市商 泰律师事务所 11255 专利代理师 黄晓军 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种轨道结构-超大跨度桥梁空间耦合静力 模型构建方法 (57)摘要 本发明提供了一种轨道结构 ‑超大跨度桥梁 空间耦合静力模型构建方法。 该方法包括： 建立 超大跨度桥梁及引桥有限元模型， 建模对象包括 梁体、 桥塔、 桥面板、 桥墩支座、 主缆及吊杆或斜 拉索， 依据桥梁构件对桥上无缝线路的影响程度 对桥塔和桥面板进行简化建模； 建立有砟轨道结 构有限元模型， 建模对象包括钢轨、 扣件、 轨枕和 道床； 对轨道结构 ‑超大跨度桥梁空间耦合静力 模型施加温度、 风、 车等荷载， 研究轨道的受力变 形规律。 本发明基于合理简化桥梁模型、 精细化 轨道模型的建模思路， 所建立的线 ‑桥耦合模型， 能准确反映出桥梁结构的特殊性对其上无缝线 路力学特性的影 响， 该模型在保证计算结果精度 的前提下， 提高了建模效率， 减少了建模过程中 的报错率。 权利要求书2页 说明书8页 附图6页 CN 115510544 A 2022.12.23 CN 115510544 A 1.一种轨道结构 ‑超大跨度桥梁空间耦合静力模型构建方法， 其特 征在于， 包括： S1： 建立超大跨度桥梁及引桥有限元模型， 建模对象包括梁体、 桥塔、 桥面板、 桥墩支 座、 主缆及吊杆或斜拉索， 并依据桥梁构件对其上无缝线路的影响程度， 对桥塔、 桥面板进 行简化建模； S2： 建立有砟轨道结构有限元模型， 建模 对象包括钢轨、 扣件、 轨枕和道床； S3： 基于所述超大跨度桥梁及引桥有限元模型和有砟 轨道结构有限元模型建立轨道结 构‑超大跨度桥梁空间耦合静力学模型， 对所述轨道结构 ‑超大跨度桥梁空间耦合静力学模 型施加环境荷载， 研究桥梁及轨道的受力变形规 律。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述的步骤S1具体包括： S11： 超大跨度桥梁加劲梁中的各弦杆均采用考虑剪切变形的欧拉 ‑伯努利梁单元模 拟， 按实际截面属性建模， 考虑杆件的截面积、 惯性矩， 相连 杆件之间采用刚接； S12： 正交异性桥面板依据刚度等效原则简化成矩形板， 采用壳单元模拟， 按等效原则 计算出的截面 参数模拟； S13： 桥塔采用质量点模拟， 建立与索/缆、 主梁相连接的点以及一个位于主梁下部的质 量点， 刚化质量 点， 固结主梁下部的质量 点； S14： 悬索桥的主缆及吊杆或斜拉桥的斜拉索采用只受拉、 不受压且考虑初应变的杆单 元模拟， 按实际结构属性进行建模； S15： 位于主桥两侧的引桥选用梁单元进行模拟， 按实际截面属性建模， 考虑梁体的截 面积、 惯性矩以及转弯 矩参数； S16： 桥墩支座对梁体的纵、 横、 垂向约束作用采用线性弹簧单元模拟， 线性弹簧单元一 端和梁体相连， 另一端固结。 S17： 属半漂浮体系的超大跨度桥梁， 主梁与桥塔下横梁在横向和垂向采用线性弹簧约 束， 在纵向上采用阻尼器连接， 纵向阻尼器采用非线性弹簧模拟。 S18： 对主梁 梁端进行全约束， 对背缆锚定侧进行全约束。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述的步骤S2具体包括： S21： 钢轨选用铁木辛柯梁单元进行模拟， 按实际截面属性建模， 考虑钢轨的截面积、 惯 性矩以及扭转弯 矩参数， 钢轨 两端节点全部约束； S22： 扣件采用三向弹簧单元模拟， 垂向和横向支撑选用线性弹簧单元， 扣件纵向阻力 采用非线性弹簧单 元模拟， 扣件弹簧 一端与钢轨1节点相连， 另一侧与轨枕节点相连； S23： 轨枕采用欧拉 ‑伯努利梁单元模拟， 按实际截面属性建模， 轨枕节点同时与扣 件弹 簧节点和道床弹簧节点相连； S24： 有砟道床的力学特性采用三向弹簧单元模拟， 垂向支撑采用线性弹簧单元模拟， 横向和纵向约束均考虑为非线性弹簧约束， 弹簧一端与轨枕节点相连， 另一端与钢臂节点 相连； S25： 有砟道床的厚度采用钢臂模拟， 钢臂一端与弹簧节点相连， 另一端与桥 面板相连。 4.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述步骤S12中的正交异性桥面板依据刚 度等效原则简化成矩形板， 采用壳单 元模拟， 按等效原则计算出的截面 参数模拟， 包括： 依据等效刚度原则计算截面 参数：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115510544 A 2其中， E为原始模型的弹性模量， Iyy为原始模型的竖向刚度， E*为等效模型的弹性模量， 为等效模型的竖向刚度， B为截 面宽度， H*为等效模型的截 面高度， Izz为原始模型的横向 刚度， 为等效模型的横向刚度； 由式(1)(2)计算出等效矩形截面的截面 高度及弹性模量， 依据等效质量原则由下式计 算出等效模型的密度： M＝ρ Al＝ρ*A*l   (3) 其中， M为单位长度质量， ρ 为原始模型密度， A为原始模型截面面积， l为单位长度， ρ*为 等效模型密度， A*为等效模型截面 面积； 通过上述步骤计算出正交异性 桥面板等效为矩形桥板的具体参数。 5.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述步骤S13还包括： 对成桥后的主缆8及 吊索7应变或斜拉索弹性模量进行调整， 直至主梁垂向位移接 近于0。 6.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述步骤S21还包括： 在超大跨度铁路桥梁 中考虑梁端钢轨伸缩调节器的布置， 梁端钢轨伸缩调节器通过基本轨和尖轨相互错动实现 放散纵向力， 在调节器静力学计算中将调节器模拟为断轨， 模拟其对超大跨度桥上无缝线 路的影响规 律。 7.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述步骤S21还包括： 两侧引桥钢轨各向外 延伸150m。 8.根据权利 要求3所述的方法， 其特征在于， 所述步骤S22中扣件阻力参数及步骤S23中 的线路阻力参数参 考现行规范或实测值。 9.根据权利要求1至8任一项所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S3具体包括： S31： 根据工程实际选取建模参数； S32： 基于所述的轨道结构 ‑超大跨度桥梁空间耦合静力学模型构建方法， 利用有限元 软件建立轨道结构 ‑超大跨度桥梁静力学分析模型； S33： 将温度、 风、 列车、 公路车辆、 制动荷载施加到轨道结构 ‑超大跨度桥梁空间耦合静 力学模型中进行运算， 提取钢轨的计算结果， 分析轨道结构在 复杂环境荷载影响下 的受力 变形规律。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115510544 A 3