本發(fā)明屬于鐵路工程設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其屬于重載鐵路隧道設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及重載鐵路隧道道床兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型的建立。
背景技術(shù)：
：世界范圍內(nèi)的貨物列車重載運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展十分迅速，重載鐵路隧道中各結(jié)構(gòu)部位受到重載列車荷載作用影響成為重載鐵路隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化逐漸受到相關(guān)研究學(xué)者、設(shè)計(jì)人員及施工人員的高度重視。在重載鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)位于道床兩側(cè)，在重載列車長時(shí)間大軸重的影響下，兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)易受到較大的橫向荷載作用而出現(xiàn)外擠發(fā)生破壞造成兩側(cè)溝槽內(nèi)部線路破損，而兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)能夠通過等效簡化模型來計(jì)算驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)受力安全性成為兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。根據(jù)國際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì)(InternationalHeavyHaulAssociation，IHHA)2005年修訂的重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)，滿足以下三條標(biāo)準(zhǔn)中的至少兩條才能稱為重載鐵路，即：1)重載列車牽引重量至少達(dá)到8000t；2)軸重(或計(jì)劃軸重)為27t及以上；3)在至少150km線路區(qū)段上年運(yùn)量超過4000萬t。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者研究的重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型主要基于經(jīng)驗(yàn)和普通鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)，對(duì)于重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型研究較少，且我國重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范尚未正式頒布實(shí)施，重載鐵路隧道相關(guān)規(guī)范仍處于編制階段。這對(duì)重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)造成了較大的困難，對(duì)其合理結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)、服役期的應(yīng)力合理性和安全可靠性將產(chǎn)生重大影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足公開了一種重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型及其建立方法。本發(fā)明要解決的問題是提供一種重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)的等效簡化模型，為重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，以保證重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算簡單和高效。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型，其特征在于：將重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽分別設(shè)定為與鐵路道床最近的受力側(cè)、與隧道壁最接近的非受力側(cè)和底部；受力側(cè)受到單側(cè)橫向荷載，模擬為懸臂梁結(jié)構(gòu)；受力側(cè)應(yīng)力荷載通過懸臂梁結(jié)構(gòu)受力模型、利用彈性力學(xué)原理獲得。所述模擬為懸臂梁結(jié)構(gòu)包括：溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)高度h與懸臂梁結(jié)構(gòu)受力模型高度一致；溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)厚度b與懸臂梁結(jié)構(gòu)受力模型厚度一致。所述溝槽應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型中受力側(cè)應(yīng)力荷載為：σx＝2x3y(q2-q1)/hb3+6x2yq1/b3-4xy3(q2-q1)/hb3+3xy(q2-q1)/5bh-4q1y3/b3+3q1y/5b-ρgx(C)其中，σx為溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力荷載，單位kPa；x為結(jié)構(gòu)內(nèi)部距離左右表面的橫向距離，單位m；y為結(jié)構(gòu)內(nèi)部距離上表面的豎向距離，單位m；q1為溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)上端的橫向荷載，單位kPa；q2為溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)下端橫向荷載，單位kPa；b為電纜槽結(jié)構(gòu)厚度，單位m；h為電纜槽結(jié)構(gòu)高度，單位m；ρ為電纜槽結(jié)構(gòu)密度，單位kg/m3；g為重力加速度，9.8N/kg。所述受力側(cè)應(yīng)力荷載與鐵路車輛軸重的關(guān)系是由受力側(cè)上端荷載q1、受力側(cè)下端荷載q2與軸重的下列關(guān)系得到；q1＝86.622ln(P)-256.24；q2＝123.36ln(P)-356.54；其中，P為重載列車軸重，單位t。本發(fā)明在重載鐵路設(shè)計(jì)特別是重載鐵路隧道設(shè)計(jì)技術(shù)、重載鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出了重載鐵路隧道水溝或電纜槽結(jié)構(gòu)的等效簡化模型。本發(fā)明根據(jù)重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，確定等效模型的相關(guān)尺寸，包括懸臂梁模型的高度、厚度，針對(duì)重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)建立等效簡化模型。本發(fā)明獲取受力側(cè)荷載與軸重的關(guān)系是通過對(duì)橫向荷載與軸重的關(guān)系曲線進(jìn)行非線性擬合得到。本發(fā)明采用在重載鐵路隧道現(xiàn)場中位于溝槽受力側(cè)上、下端埋設(shè)光纖光柵土壓力傳感器，測出q1和q2與軸重p的關(guān)系如表1所示。然后，確定出重載鐵路隧道溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)的橫向荷載，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的不同軸重的重載列車影響下溝槽受力側(cè)的上下端橫向荷載擬合出q1、q2與軸重的曲線函數(shù)Q(P)，通過對(duì)橫向荷載與軸重的關(guān)系曲線進(jìn)行非線性擬合，得出式(A)和(B)：q1＝86.622ln(P)-256.24(A)q2＝123.36ln(P)-356.54(B)根據(jù)重載列車設(shè)計(jì)軸重的數(shù)據(jù)，確定作用在重載鐵路隧道溝槽結(jié)構(gòu)上的橫向荷載。根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理，建立相容方程，同時(shí)根據(jù)上表面和左、右表面的邊界條件，確定溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小，得出應(yīng)力計(jì)算式(C)：σx＝2x3y(q2-q1)/hb3+6x2yq1/b3-4xy3(q2-q1)/hb3+3xy(q2-q1)/5bh-4q1y3/b3+3q1y/5b-ρgx(C)本發(fā)明進(jìn)一步可以根據(jù)溝槽結(jié)構(gòu)簡化模型和應(yīng)力計(jì)算式，得到不同位置的溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，進(jìn)行軸力彎矩的求解和安全系數(shù)的判定。溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)上端的橫向荷載q1、溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)下端橫向荷載q2，還可以通過振弦式傳感器，則選用頻率讀數(shù)儀對(duì)其頻率進(jìn)行讀取記錄；根據(jù)頻率與接觸壓力計(jì)算得到作用在溝槽結(jié)構(gòu)受力側(cè)上、下端的橫向荷載。或，采用大型有限元仿真計(jì)算軟件ANSYS，建立溝槽結(jié)構(gòu)-道床結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，計(jì)算分析得到作用在溝槽結(jié)構(gòu)表面的荷載。本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明采用模擬懸臂梁模型簡化了鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型，采用現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集分析和力學(xué)模型，獲得了適用于不同型式的重載鐵路隧道兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)的簡化模型，該模型根據(jù)相關(guān)規(guī)范充分反映了重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)的受力性能。本發(fā)明提供了目前重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)等效懸臂梁簡化模型，對(duì)重載鐵路隧道側(cè)溝的設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)算提供了科學(xué)依據(jù)，最大可能地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、合理、高效。附圖說明圖1是重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1是溝槽結(jié)構(gòu)，2是道床結(jié)構(gòu)圖2是側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)簡化模型。具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整也屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。結(jié)合圖1和圖2。本發(fā)明通過以下方案實(shí)現(xiàn)重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)模型的建立。采用時(shí)速為120km/h的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面，建立側(cè)溝結(jié)構(gòu)懸臂梁計(jì)算模型，對(duì)側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)應(yīng)力進(jìn)行建模，包括：1)根據(jù)側(cè)溝結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸，確定懸臂梁計(jì)算模型的高度h和厚度b。考慮到側(cè)溝結(jié)構(gòu)尺寸有所不同，模型的高度h和厚度b由實(shí)測數(shù)據(jù)獲得。2)根據(jù)1)確定不同軸重下作用在側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)橫向荷載的上端橫向荷載q1、下端橫向荷載q2。確定橫向荷載與軸重之間的擬合曲線函數(shù)得出式(A)和(B)：q1＝86.622ln(P)-256.24(A)q2＝123.36ln(P)-356.54(B)上式中，q1為梯形荷載上端橫向荷載，單位kPa；q2為梯形荷載下端橫向荷載，單位kPa；P為重載列車軸重，單位t。3)根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理，建立相容方程，同時(shí)根據(jù)上表面和左、右表面的邊界條件，確定側(cè)溝結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小，得出應(yīng)力計(jì)算式(C)：σx＝2x3y(q2-q1)/hb3+6x2yq1/b3-4xy3(q2-q1)/hb3+3xy(q2-q1)/5bh-4q1y3/b3+3q1y/5b-ρgx(C)其中，σx為結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力，單位kPa；x為結(jié)構(gòu)內(nèi)部距離左右表面的橫向距離，單位m；y為結(jié)構(gòu)內(nèi)部距離上表面的豎向距離，單位m；q1為側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)上端受到的橫向荷載，單位kPa；q2為側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)下端受到的橫向荷載，單位kPa；b為電纜槽結(jié)構(gòu)厚度，單位m；h為側(cè)溝結(jié)構(gòu)高度，單位m；ρ為側(cè)溝結(jié)構(gòu)密度，單位kg/m3；g為重力加速度，9.8N/kg。4)重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)用步驟。①根據(jù)側(cè)溝結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸，確定側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)計(jì)算模型高度h和厚度b。②根據(jù)工程情況，利用列車軸重計(jì)算得到側(cè)溝結(jié)構(gòu)橫向荷載上、下端橫向荷載q1和q2，形成梯形荷載。③根據(jù)確定后的側(cè)溝結(jié)構(gòu)橫向荷載上、下端橫向荷載q1和q2，帶入公式(C)，得到側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)應(yīng)力值σx。應(yīng)用實(shí)例重載鐵路隧道側(cè)溝結(jié)構(gòu)計(jì)算模型尺寸與側(cè)溝實(shí)際尺寸是緊密相關(guān)的，側(cè)溝尺寸越大，計(jì)算模型的尺寸也相應(yīng)越大。由于重載鐵路隧道列車荷載作用較大，對(duì)于兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大的橫向荷載，利用簡化模型計(jì)算側(cè)溝結(jié)構(gòu)，目的為簡單高效的計(jì)算側(cè)溝結(jié)構(gòu)應(yīng)力，準(zhǔn)確快速解決設(shè)計(jì)問題。下面以30t軸重重載列車為某重載鐵路隧道主要行駛列車。①確定計(jì)算模型尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)資料側(cè)溝結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸，將計(jì)算模型尺寸確定為h＝0.55m，b＝0.15m。②確定側(cè)溝橫向荷載Q利用公式(A)和(B)得到溝槽受力側(cè)上下端橫向荷載見下表2。表2溝槽受力側(cè)上下端橫向荷載荷載位置橫向荷載(kPa)上端38.379下端63.032③確定側(cè)溝受力側(cè)應(yīng)力根據(jù)公式(C)計(jì)算側(cè)溝結(jié)構(gòu)受力側(cè)應(yīng)力如表3所示。表3溝槽受力側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力目前重載鐵路隧道相關(guān)規(guī)范尚未實(shí)施，側(cè)溝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在鐵路隧道規(guī)范中也沒有明確說明。本發(fā)明能夠快速有效的建立重載鐵路隧道側(cè)溝計(jì)算模型，為側(cè)溝的設(shè)計(jì)和應(yīng)力驗(yàn)算提供理論基礎(chǔ)。當(dāng)前第1頁1 2 3