(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 202211213846.4 (22)申请日 2022.09.30 (71)申请人 华东交通大 学 地址 330013 江西省南昌市 市辖区经济技 术开发区双港东大街808号 申请人 中南大学 (72)发明人 冯玉林　李金平　孟尧尧　郭文杰　 柴喜林　蒋丽忠　周旺保　何彬彬　 许紫刚　吴刚　 (74)专利代理 机构 南京创略知识产权代理事务 所(普通合伙) 32358 专利代理师 李荣芳 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种高铁多跨桥梁-纵连无砟轨道系统的自 振频率计算方法及应用 (57)摘要 本发明公开了一种高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统的自振频率计算方法及应用， 将钢轨、 轨道板、 底座板、 轨道层间构件、 主梁、 支座、 桥 墩、 承台及桩土等纳入考虑范围， 建立多跨纵连 轨道‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型， 构 建基于Timoshenko梁理论一体模型各组分的能 量方程 ， 采用改进的傅里叶级数 ， 并结合 Rayleigh ‑Ritz法和Hamilton原理， 通过对总能 量泛函求极值， 进而获得一体模 型在竖向和纵向 振动影响下的自振频率， 并采用数值方法进行验 证； 进而分析考虑和不考虑系统各构件参与、 轨 道层间构件损伤、 各层构件刚度变化等对轨道 ‑ 桥梁系统自振 频率的影 响规律， 为高速铁路列车 走行安全及抗震设计提供重要的参考和理论依 据。 权利要求书2页 说明书9页 附图2页 CN 115495823 A 2022.12.20 CN 115495823 A 1.一种高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自振频率计算方法， 其特征在于： 步骤如 下： 1） 建立多跨纵连轨道 ‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型； 2） 采用改进傅里叶级数作为位移函数， 基于Rayleigh ‑Ritz法和Timoshenko梁理论构 建多跨纵连轨道 ‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型 各组分的能量方程； 3） 对高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的总能量泛函求极值， 进而获得多跨纵连轨道 ‑ 主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型在竖向和纵向振动影响下的自振频率。 2.根据权利要求1所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 步骤1） 中， 所述建立多跨纵连轨道 ‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型， 其组分 包括高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的钢轨、 轨道板、 底 座板、 轨道层间构件、 主梁、 支座、 桥墩、 承台及桩土 。 3.根据权利要求2所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 所述高铁多跨 桥梁‑纵连无砟轨道系统的轨道 ‑桥梁为纵向七跨轨道 ‑桥梁结构。 4.根据权利要求1所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 步骤2） 中， 所述基于Rayleigh ‑Ritz法和Timoshenko梁理论构建多跨纵连轨道 ‑主 梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型各组分的能量方程， 包括势能方程和动能方程， 其构建 的具体过程 为： S2‑1： 将高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的钢轨、 轨道板、 底座板、 主梁、 桥墩及承台 均视为梁结构； S2‑2： 分析钢轨、 轨道板、 底座板、 主梁、 桥墩及承台在弯曲振动和纵 向振动时的截面纵 向位移、 截面垂向位移和截面 转角位移， 位移形函数采用改进的傅里叶级数表示； S2‑3： 根据Timoshenko梁理论， 分别 获得钢轨、 轨道板、 底座板、 主梁、 桥墩及承台在弯 曲振动和纵向振动下的弹性势能函数及动能函数； 同时分别获得轨道层间构件、 耦合处、 支 座以及桩基的弹簧弹性势能函数。 5.根据权利要求1所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 步骤3） 中， 所述对高铁多跨 桥梁‑纵连无砟轨道系统的总能量泛函 求极值， 具体为： 先根据构建的多跨纵连轨道 ‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑桩土一体模型各组分的能量方程 获得高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统总能量形成的拉格朗日量， 然后依据Hamilt on原理， 对拉格朗日量进行变分后求极值， 进而获得所建的多跨纵连轨道 ‑主梁‑支座‑桥墩‑承台‑ 桩土一体模型在竖向和纵向振动影响下的自振频率计算公式。 6.根据权利要求1所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 该方法在进 行计算高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自振频率之前， 还存在 验证 步骤， 即将通过所获得的自振频率计算公式的计算结果与ANSYS数值模型计算结果进行对 比， 通过二者结果的误差判断其 吻合性， 以验证所述高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自 振频率计算方法的正确性。 7.根据权利要求6所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 所述验证步骤为取高铁多跨 桥梁‑纵连无砟轨道系统的前3 0阶自振频率进行验证。 8.根据权利要求6所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统 的自振频率计算方法， 其特 征在于： 判断自振频率计算公式的计算结果与ANSYS数值模型计算结果的吻合性的计算结权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115495823 A 2果误差为在3%以内。 9.一种根据权利要求1 ‑8任意一项所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自振频 率计算方法的应用， 其特征在于： 利用该方法分析考虑和不考虑高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨 道系统包括各构件参与、 轨道层间构件损伤、 各层构件刚度变化在内的相关因素对轨道 ‑桥 梁系统自振频率的影响规 律。 10.根据权利要求9所述的高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自振频率计算方法的应 用， 其特征在于： 考虑和不考虑高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟 轨道系统包括各构件参与为分析有轨道和无轨 道参与、 有桥墩和无桥墩参与、 有桩土和无桩土参与、 有承台和无承台参与情况下高铁多跨 桥梁‑纵连无砟轨道系统的自振频率的变化； 轨道层间构件损伤为分析包括不同程度的底座板与主梁 间滑动层损伤、 轨道板与底座 板间砂浆层损伤及钢轨与轨道板间扣件损伤情况下高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的自 振频率的变化； 各层构件刚度变化为分析高铁多跨桥梁 ‑纵连无砟轨道系统的主梁、 底座板、 桥墩、 轨 道板及钢在正常刚度值下， 抗弯刚度减小和抗弯刚度增大不同倍数 下的自振频率的变化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115495823 A 3