張鵬飛 唐強(qiáng)強(qiáng) 吳必濤 涂文博 張可軍 賈有權(quán)

摘要：為實(shí)現(xiàn)橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向受力與變形分析的智能化，考慮了橋梁結(jié)構(gòu)、軌道板以及鋼軌之間的相互作用，利用有限元法建立了多跨簡(jiǎn)支梁和大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路精細(xì)化有限元模型；采用C#語(yǔ)言對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了集參數(shù)輸入、有限元建模、荷載施加、自動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)智能處理于一體的縱向力智能分析系統(tǒng)。通過(guò)與已有文獻(xiàn)對(duì)比，驗(yàn)證了智能分析系統(tǒng)的通用性和可靠性，可為橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道；橋上無(wú)縫線路；有限元模型；縱向力分析系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：張鵬飛，唐強(qiáng)強(qiáng)，吳必濤，等. 橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道縱向力智能分析系統(tǒng)[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，40（5）：95-105.

Intelligent Analysis System for Longitudinal Force of CRTSⅡ Slab

Ballastless Track on Bridge

Zhang Pengfei1，Tang Qiangqiang1，Wu Bitao1，Tu Wenbo1，Zhang Kejun2，Jia Youquan3

（1. State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China；2. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd， Chengdu 610031， China；3. China Railway No.9 Group Co.， Ltd.， Shenyang 110051， China）

Abstract：In order to realize the intelligent analysis of longitudinal force and deformation of CRTSⅡ slab ballastless track CWR on bridge， this study considers the interaction between bridge structure， track slab and rail， and establishes a refined finite element model of CRTSⅡ slab ballastless track CWR on multi-span simply supported beam and long-span continuous beam bridge by using finite element method. The re-development of ANSYS is carried out by using C# language. An intelligent analysis system of longitudinal force is developed， which integrates parameter inputting， finite element modeling， loading application， automatic calculation， data extraction and intelligent data processing. The analysis system′s universality and reliability are confirmed through a comparison with previous research findings. The analysis system can provide reference for the design， operation and maintenance of typeⅡ slab ballastless track CWR on bridges.

Key words： CRTSⅡ slab ballastless track ; continuously welded rails on bridge ; finite element model ; longitudinal force analysis system

Citation format：ZHANG P F，TANG Q Q，WU B T，et al. Intelligent analysis system for longitudinal force of CRTSⅡ slab ballastless track on bridge[J]. Journal of East China Jiaotong University，2023，40（5）：95-105.

近年來(lái)，橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路以其高效、安全平穩(wěn)、節(jié)約環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)在高速鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用；我國(guó)Ⅱ型板式無(wú)砟軌道源于德國(guó)博格無(wú)砟軌道，其縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)決定了軌道的連續(xù)性?xún)?yōu)秀，所以CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道較早應(yīng)用在京津城際、京滬高速等線路上。軌道連續(xù)性好意味著軌道平順，但由于軌道內(nèi)部溫度變化或軌道承受列車(chē)荷載，橋上無(wú)砟軌道的鋼軌會(huì)產(chǎn)生縱向力，此力通過(guò)梁、支座傳遞至墩臺(tái)，將影響到線路穩(wěn)定性以及行車(chē)的安全性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋上無(wú)縫線路受力變形問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。張鵬飛[1]對(duì)橋上CRTSⅡ 板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路進(jìn)行了研究，分析了斷軌和斷板條件對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力與變形的影響規(guī)律；Rui等針對(duì)本四聯(lián)絡(luò)線上大橋的具體工程[2]，闡述了該橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)原則和扣件阻力控制等情況；Sedarat等探討了摩擦擺支座設(shè)置對(duì)橋梁軌相互作用的影響[3]；蔡科[4]針對(duì)極寒條件下橋上CRTSⅢ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的縱向受力特征進(jìn)行了分析；王偉華[5]探究了彈性緩沖墊層剛度對(duì)無(wú)縫線路縱向受力變形的影響；張捍東[6]計(jì)算分析了不同荷載作用下大跨度橋上無(wú)砟軌道縱向力；Feng等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究了利用鋼軌振動(dòng)頻率評(píng)估有砟軌道鋼軌縱向溫度力的可能性。

在智能化計(jì)算、分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的功能需求編寫(xiě)了各類(lèi)程序或研發(fā)了相關(guān)系統(tǒng)。Memon等[8]開(kāi)發(fā)了一種新型嵌入式的鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)用以實(shí)時(shí)檢測(cè)和分類(lèi)鐵路軌道表面故障；Xu等[9]建立了一種新穎的三維列車(chē)-軌道相互作用模型，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該模型在列車(chē)-軌道相互作用計(jì)算中具有較高的效率、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；Cai等[10]建立了CRTSⅡ 板式軌道的三維有限元模型，研究了板式節(jié)點(diǎn)的成拱機(jī)理；谷思文[11]開(kāi)發(fā)了鐵路軌道測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用近似算法或嚴(yán)密算法計(jì)算軌道平順性；時(shí)佳斌等[12]設(shè)計(jì)了基于分布式光纖的軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；于威龍[13]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可適用多種軌道車(chē)輛電器件的實(shí)時(shí)硬件采集、數(shù)據(jù)通信、可靠性測(cè)試與分析的系統(tǒng)；郭瀚飛等[14]針對(duì)傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析計(jì)算成本過(guò)高的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了軌道車(chē)輛隨機(jī)振動(dòng)分析系統(tǒng)（RVRAP）；劉鵬[15]把Fortran語(yǔ)言強(qiáng)大的計(jì)算功能和Visual Basic語(yǔ)言良好的可視化界面設(shè)計(jì)功能結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)了橋梁動(dòng)力響應(yīng)有限元計(jì)算程序系統(tǒng)；高梓航等[16]為準(zhǔn)確獲取大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)，提升運(yùn)維管養(yǎng)能效，設(shè)計(jì)了大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Zhao等[17]利用MATLAB和ANSYS平臺(tái)計(jì)算得到軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，并將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明了方法的準(zhǔn)確性；雷曉燕等[18]充分考慮了輪軌非線性相互作用，在ANSYS計(jì)算平臺(tái)上對(duì)非線性輪軌相互作用進(jìn)行了編程和實(shí)現(xiàn)；孟憲金[19]開(kāi)發(fā)了輪軌系統(tǒng)動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)并進(jìn)行了驗(yàn)證；曾嬋娟[20]編制了車(chē)橋耦合振動(dòng)的FORTRAN程序，結(jié)果證明該程序可有效地分析高速車(chē)橋系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；吳有松[21]基于MFC平臺(tái)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)具有良好的可視化人機(jī)交互界面的車(chē)橋分析程序；李永慶[22]開(kāi)發(fā)了梁格法車(chē)-橋耦合振動(dòng)分析程序；余志武等[23]以常導(dǎo)（EMS）磁浮列車(chē)通過(guò)三跨連續(xù)型軌道梁為例，基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)了能夠計(jì)算車(chē)輛子系統(tǒng)和軌道梁子系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及概率密度函數(shù)的程序；張高揚(yáng)[24]在Bentley平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了能夠完成區(qū)間及站場(chǎng)內(nèi)高速鐵路軌道BIM設(shè)計(jì)的程序；甘愿[25]基于顯式有限元方法自主開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)處理非線性接觸問(wèn)題的分析程序；王凱等[26]建立了評(píng)估分析模型并進(jìn)行了大數(shù)據(jù)分析，從而有效地掌握道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的狀態(tài)。

目前，橋上CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的縱向受力和變形分析尚未實(shí)現(xiàn)建立模型、加載荷載、自動(dòng)提取數(shù)據(jù)和智能數(shù)據(jù)處理的一體化和集成化。本研究的關(guān)鍵目標(biāo)是提高CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的縱向受力和變形分析的效率和準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先建立了多跨簡(jiǎn)支梁和大跨連續(xù)梁橋上的精細(xì)化有限元模型。這些模型考慮了橋梁結(jié)構(gòu)、軌道板以及鋼軌之間的相互作用，從而更準(zhǔn)確地模擬了實(shí)際工程中的情況。為了進(jìn)一步提高分析的效率，使用C#語(yǔ)言對(duì)ANSYS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了橋上CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力智能分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠智能地保存計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。這種集成化的方法不僅提高了分析的效率，還降低了人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

總之，本研究為CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的縱向受力和變形分析提供了一種先進(jìn)的解決方案。利用智能分析系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地理解和分析線路在橋梁上的行為，從而為工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供了有力支持。這一集成化的方法也為今后類(lèi)似問(wèn)題的研究提供了有益的參考和借鑒。

1 橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路精細(xì)化建模

1.1 模型概述

在建模過(guò)程中，需要仔細(xì)考慮橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道的每個(gè)構(gòu)件，例如固結(jié)機(jī)構(gòu)、臺(tái)后錨固體系、混凝土底座板、“兩布一膜”滑動(dòng)層、CA砂漿填充層、預(yù)制軌道板、彈性不分開(kāi)式扣件、鋼軌等。本文以10跨32 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁和3跨32 m簡(jiǎn)支梁+（70+130+70）m連續(xù)梁+3跨32 m簡(jiǎn)支梁為例論述建模過(guò)程。力學(xué)模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

利用ANSYS建立精細(xì)化空間耦合模型，其中鋼軌采用BEAM188梁?jiǎn)卧M；固結(jié)機(jī)構(gòu)、扣件橫向和垂向剛度采用COMBIN14線性彈簧模擬，滑動(dòng)層、扣件縱向阻力采用COMBIN39非線性彈簧單元模擬；軌道板和底座板采用SOLID45實(shí)體單元模擬；橋梁梁體采用SOLID45實(shí)體單元模擬。本文建立的簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋精細(xì)化有限元模型如圖2所示。

在當(dāng)前的工程領(lǐng)域中，精確的縱向力和位移計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)和分析結(jié)構(gòu)的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的解析法雖然在某些情況下提供了可行的結(jié)果，但在復(fù)雜的情況下，其準(zhǔn)確性受到挑戰(zhàn)。因此，空間耦合有限元模型已成為一種強(qiáng)大的工具，能夠更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的行為。盡管有限元分析在精度上具有優(yōu)勢(shì)，但使用ANSYS的APDL進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，用戶(hù)會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。首先，模型參數(shù)的修改通常需要復(fù)雜的代碼編寫(xiě)，這對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。其次，在復(fù)雜的工況下，參數(shù)的變化可能會(huì)導(dǎo)致分析的重復(fù)進(jìn)行，增加了工作的復(fù)雜性。此外，ANSYS軟件的全英文界面可能對(duì)一些用戶(hù)構(gòu)成語(yǔ)言障礙，增加了學(xué)習(xí)和使用的難度。這種情況下，為了提高軟件的用戶(hù)友好性和效率，有必要考慮其它解決方案。

本文建議采用智能分析系統(tǒng)來(lái)克服這些問(wèn)題。該系統(tǒng)可以提供直觀的用戶(hù)界面，使參數(shù)的修改變得更加簡(jiǎn)單。用戶(hù)只需通過(guò)參數(shù)界面輸入相關(guān)參數(shù)，程序?qū)⒆詣?dòng)轉(zhuǎn)化為APDL代碼，從而減少了用戶(hù)的編程負(fù)擔(dān)。

綜上所述，盡管空間耦合有限元模型在縱向力和位移分析方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)智能分析程序的引入，可以進(jìn)一步提高其易用性和效率，從而更好地滿(mǎn)足工程領(lǐng)域的需求。這一系統(tǒng)有望在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供更強(qiáng)大的工具。

2 橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力智能分析系統(tǒng)研發(fā)

2.1 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

基于有限元法和精細(xì)化空間耦合模型，在VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境下，首先通過(guò)C#數(shù)據(jù)流控制技術(shù)讀寫(xiě)初始參數(shù)和寫(xiě)入命令流文件；初始參數(shù)的修改與導(dǎo)入在平臺(tái)啟動(dòng)后的可視化界面內(nèi)實(shí)現(xiàn)；接著利用C#編寫(xiě)的命令流文件，并通過(guò)后處理分析調(diào)用ANSYS的BATCH模式，生成.txt文件和.db文件；為了方便數(shù)據(jù)的分析和處理，系統(tǒng)采用C#數(shù)據(jù)流技術(shù)建立Excel接口，通過(guò)這一接口，系統(tǒng)能夠讀取后處理結(jié)果文本數(shù)據(jù)，并將.txt文件轉(zhuǎn)換成.xls文件，提高數(shù)據(jù)的可視化性且數(shù)據(jù)更易于分析；最后得到各軌道結(jié)構(gòu)的縱向力和位移數(shù)據(jù)，形成集參數(shù)輸入、有限元建模、荷載施加、自動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)智能處理于一體的橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力智能分析系統(tǒng)。用戶(hù)可以在一個(gè)集成的環(huán)境中完成復(fù)雜的分析任務(wù)，無(wú)需手動(dòng)處理多個(gè)步驟，提高了工作效率。其設(shè)計(jì)原理主要包括以下5個(gè)方面。

2.1.1 C#數(shù)據(jù)流技術(shù)

C#數(shù)據(jù)流的強(qiáng)大功能使其成為程序中數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入的首選工具。數(shù)據(jù)流允許數(shù)據(jù)在程序中按照順序傳輸，這對(duì)于處理各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)非常高效。開(kāi)發(fā)人員可以使用數(shù)據(jù)流技術(shù)來(lái)輕松處理字節(jié)數(shù)據(jù)，同時(shí)具備操作數(shù)據(jù)隊(duì)列的靈活性。這一特性在多種應(yīng)用場(chǎng)景下都非常實(shí)用，尤其是那些需要按照特定順序處理數(shù)據(jù)的情況，如網(wǎng)絡(luò)通信和文件讀寫(xiě)。值得一提的是，在與ANSYS中APDL語(yǔ)言的交互過(guò)程中，可以使用C#中的StreamReader類(lèi)和StreamWriter類(lèi)來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)讀取器和寫(xiě)入器。這兩個(gè)類(lèi)為我們提供了用于輕松地與外部數(shù)據(jù)源進(jìn)行交互的強(qiáng)大工具。利用StreamReader類(lèi)初始化參數(shù)，包括讀取軌道參數(shù)、工況條件等，這使得從外部源讀取數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單。使用StreamWriter類(lèi)，可以輕松地將命令流文件寫(xiě)入外部數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理和傳輸。這種方法使得與ANSYS中APDL語(yǔ)言的集成變得更加容易，開(kāi)發(fā)人員可以更高效地讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的工程仿真和數(shù)據(jù)分析任務(wù)。C#的數(shù)據(jù)流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵工具，它提供了一種可靠且高效的方式，幫助開(kāi)發(fā)人員處理各種數(shù)據(jù)交互需求。

2.1.2 ANSYS批處理技術(shù)

在工程仿真領(lǐng)域，基于ANSYS的批處理技術(shù)一直是一個(gè)備受歡迎的工具，該技術(shù)用于生成各種仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果。C#數(shù)據(jù)流技術(shù)能夠高效地生成計(jì)算命令流文件，為接下來(lái)的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這里的關(guān)鍵步驟是將命令流文件傳輸?shù)紸NSYS的BATCH模式中，以便對(duì)橋上Ⅱ型板式無(wú)砟軌道進(jìn)行縱向力和位移的計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的BATCH模式的調(diào)用，需要在C#程序中嵌入相應(yīng)的代碼。這一操作的完成意味著系統(tǒng)可以高效地獲取鋼軌、軌道板等軌道結(jié)構(gòu)的縱向受力和位移數(shù)據(jù)。本研究采用C#編寫(xiě)的程序運(yùn)行界面主菜單獲取ANSYS批處理的路徑代碼，將路徑代碼插入到C#編寫(xiě)的程序代碼，以完成對(duì)ANSYS批處理的調(diào)用。

2.1.3 二次開(kāi)發(fā)接口

本系統(tǒng)充分考慮到了二次開(kāi)發(fā)接口的選擇，最終決定采用了ANSYS的參數(shù)化語(yǔ)言（APDL）作為其核心基礎(chǔ)。APDL在ANSYS二次開(kāi)發(fā)領(lǐng)域被廣泛使用，它提供了強(qiáng)大的腳本編程功能，使用戶(hù)能夠以更智能、更高效的方式進(jìn)行任務(wù)自動(dòng)化、定制分析以及過(guò)程模擬。通過(guò)編寫(xiě)腳本，用戶(hù)可以輕松地實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，無(wú)需手動(dòng)逐步操作，從而大大提升了工作效率。選擇APDL作為二次開(kāi)發(fā)接口賦予了用戶(hù)使用ANSYS更加靈活和高效的互動(dòng)能力。用戶(hù)可以根據(jù)特定需求，自主調(diào)整軟件的行為，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。啟動(dòng)ANSYS Classic用戶(hù)界面后，只需簡(jiǎn)單地選擇需要讀取的APDL文件，再點(diǎn)擊Run按鈕，系統(tǒng)便會(huì)迅速響應(yīng)并執(zhí)行文件中所包含的指令，使整個(gè)過(guò)程變得輕松而高效。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)整合APDL作為二次開(kāi)發(fā)接口，為用戶(hù)提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，使其能夠更加有效地利用ANSYS進(jìn)行工程分析和模擬，從而在工作中取得更為顯著的成果。

2.1.4 基于C#.NET的ANSYS二次開(kāi)發(fā)封裝與集成

使用C#.NET進(jìn)行文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作，并將其與ANSYS進(jìn)行封裝與集成，是一項(xiàng)旨在提高文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作與ANSYS的交互效率和便利性的關(guān)鍵任務(wù)。首先，初始化C#.NET環(huán)境，確保系統(tǒng)準(zhǔn)備好與ANSYS進(jìn)行交互，這包括安裝對(duì)應(yīng)的庫(kù)和依賴(lài)項(xiàng)，并建立與ANSYS所需的連接；接下來(lái)，通過(guò)C#代碼來(lái)創(chuàng)建APDL文件，這些文件包含了需要執(zhí)行的ANSYS命令，這些命令可以針對(duì)特定的仿真或分析任務(wù)進(jìn)行定制，以確保ANSYS按照所需的方式執(zhí)行。這一步驟可以通過(guò)編寫(xiě)C#代碼來(lái)生成所需的APDL命令流；一旦APDL文件被成功創(chuàng)建，下一步是將其自動(dòng)提交給ANSYS進(jìn)行執(zhí)行，而無(wú)需手動(dòng)干預(yù)ANSYS界面。這可以通過(guò)后臺(tái)調(diào)用ANSYS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，C#代碼可以啟動(dòng)ANSYS進(jìn)程，并將生成的APDL文件傳遞給ANSYS，以便它可以按計(jì)劃執(zhí)行仿真任務(wù)；最后將處理ANSYS執(zhí)行的結(jié)果數(shù)據(jù)。這包含從ANSYS獲取的模擬結(jié)果、計(jì)算輸出等。通過(guò)這些步驟，成功地將C#.NET與ANSYS結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ANSYS的封裝和集成，使得文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)與ANSYS的交互更加高效和方便。

2.1.5 數(shù)據(jù)收集實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)進(jìn)行批處理操作后通常會(huì)產(chǎn)生.txt和.db文件，這些文件包含了仿真數(shù)據(jù)。為了更好地分析和共享這些數(shù)據(jù)，需要將其轉(zhuǎn)換為更常見(jiàn)的格式，如.xls文件。在這個(gè)過(guò)程中可以借助C#編程語(yǔ)言中的StreamReader類(lèi)來(lái)處理這些數(shù)據(jù)文件。首先，使用StreamReader類(lèi)來(lái)獲取數(shù)據(jù)文件的路徑，并逐行讀取文件內(nèi)容，直到達(dá)到文件末尾。這個(gè)過(guò)程確保系統(tǒng)能夠有效地提取出數(shù)據(jù)，以供后續(xù)處理和分析。在主代碼中需要引入與Excel讀寫(xiě)相關(guān)的命名空間和庫(kù)。然后，可以使用這些庫(kù)的功能，將.txt文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.xls格式。

通過(guò)以上步驟可以成功地將ANSYS生成的仿真數(shù)據(jù)從原始的.txt和.db文件中提取出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)換為更易于處理和共享的.xls文件。智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理總圖如圖3所示。

2.2 智能分析系統(tǒng)功能

橋上CRTSⅡ 型無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力智能分析系統(tǒng)V1.0主要功能如下。

1） 快速建模：用戶(hù)可在系統(tǒng)操作界面選擇建立簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁橋，填寫(xiě)簡(jiǎn)支梁跨數(shù)、跨長(zhǎng)和其它參數(shù)或連續(xù)梁跨長(zhǎng)和其它參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁橋上Ⅱ型無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的自動(dòng)化快速建模。

2） 參數(shù)調(diào)整：在初始操作界面內(nèi)，用戶(hù)可以修改例如簡(jiǎn)支梁橋的跨數(shù)和跨長(zhǎng)、橋上活動(dòng)層摩擦系數(shù)、軌道板厚度等橋梁基本參數(shù)；可以修改軌道結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，例如鋼軌的彈性模量、密度、泊松比、線膨脹系數(shù)等；可以修改阻力參數(shù)，例如扣件的三向阻力和橋墩阻力。該系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整涉及橋梁、軌道結(jié)構(gòu)的方方面面，通過(guò)修改上述參數(shù)可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)工況下的Ⅱ型板式無(wú)砟軌道縱向計(jì)算需求。

3） 荷載施加：該系統(tǒng)支持施加多種荷載，例如溫度荷載、列車(chē)豎向荷載和列車(chē)制動(dòng)荷載。在施加荷載的界面，可以更改橋梁溫度變化和道床板溫度變化的數(shù)值實(shí)現(xiàn)溫度荷載的施加；可選擇中-活載、ZK活載或是用戶(hù)自定義活載作為列車(chē)制動(dòng)荷載，還可以調(diào)整荷載大小和加載長(zhǎng)度；對(duì)于列車(chē)豎向荷載方面可以選擇單線或雙線施加。

4） 縱向受力與位移計(jì)算：在模型建立完成及施加需要的荷載后，選擇系統(tǒng)界面下的“求解”選項(xiàng)，系統(tǒng)將對(duì)橋梁及各軌道結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果包括橋梁縱向位移、固定支座墩臺(tái)頂和軌道各結(jié)構(gòu)的縱向力與位移等。

5） 數(shù)據(jù)輸出：計(jì)算結(jié)束后，系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)生成Excel文件，用戶(hù)可以在相關(guān)目錄下找到計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)輸出。

2.3 智能分析系統(tǒng)計(jì)算流程

上文介紹了一款強(qiáng)大的橋梁結(jié)構(gòu)建模與分析系統(tǒng)，本節(jié)將詳細(xì)介紹如何安裝、配置和使用這個(gè)系統(tǒng)。

1） 安裝軟件：在開(kāi)始使用本系統(tǒng)之前，首先要確保正確地安裝軟件。請(qǐng)按照以下步驟操作：從軟件安裝包中復(fù)制附帶的“pt”文件夾。這個(gè)“pt”文件夾包含了系統(tǒng)所需的關(guān)鍵組件和配置文件。為了確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，將這個(gè)文件夾復(fù)制到電腦D盤(pán)中。這個(gè)簡(jiǎn)單的步驟是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的第一步。復(fù)制完畢后，用戶(hù)就可以順利啟動(dòng)系統(tǒng)并開(kāi)始使用了。

2） 初始界面互動(dòng)：一旦用戶(hù)成功啟動(dòng)系統(tǒng)，智能分析系統(tǒng)將進(jìn)入初始界面，如圖4所示，這個(gè)界面是用戶(hù)與系統(tǒng)互動(dòng)的起點(diǎn)。用戶(hù)將在這里找到一系列的圖標(biāo)和選項(xiàng)，以幫助完成各種任務(wù)。為了更好地理解系統(tǒng)的功能和操作方式，點(diǎn)擊右上角的“？”圖標(biāo)，可以打開(kāi)軟件介紹，用戶(hù)將得到到初步的指南和提示來(lái)了解系統(tǒng)的功能。

3） 選擇橋梁類(lèi)型和參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊界面上的“開(kāi)始”，系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶(hù)選擇橋梁類(lèi)型。這是一個(gè)重要的界面，因?yàn)樗鼪Q定了將要建模的橋梁類(lèi)型。根據(jù)用戶(hù)的需要，可以選擇“簡(jiǎn)支梁”或者“連續(xù)梁”，兩種類(lèi)型橋梁的參數(shù)設(shè)置界面可以讓用戶(hù)修改橋梁基本參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)以及阻力參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面。這個(gè)系統(tǒng)允許用戶(hù)在此界面修改默認(rèn)參數(shù)，以滿(mǎn)足實(shí)際需求。

4） 荷載施加和自動(dòng)建模：完成參數(shù)輸入后，點(diǎn)擊“確定”，系統(tǒng)將顯示“寫(xiě)入成功”。然后，系統(tǒng)將進(jìn)入荷載選擇及參數(shù)修改界面，如圖5所示，在這個(gè)界面中，用戶(hù)將能夠進(jìn)一步定義橋梁的特定參數(shù)和荷載情況。點(diǎn)擊“建模”，系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶(hù)找到ANSYS的安裝目錄，通常位于C盤(pán)下的“winx64”文件夾里，文件名稱(chēng)為ANSYS.exe。雙擊打開(kāi)這個(gè)文件，并點(diǎn)擊“建?！薄，F(xiàn)在只需等待系統(tǒng)顯示“建模成功”的消息。建模成功后，選擇適當(dāng)?shù)暮奢d類(lèi)型，輸入荷載大小和加載長(zhǎng)度，然后點(diǎn)擊“求解”。再次耐心等待，系統(tǒng)會(huì)在完成計(jì)算后顯示“求解成功”。

5） 文件輸出：在求解成功后，用戶(hù)將選擇是否生成Excel文件，這個(gè)功能可以幫助用戶(hù)保存和分享計(jì)算結(jié)果。用戶(hù)可以在D盤(pán)下的“pt”文件夾里找到這些計(jì)算數(shù)據(jù)，這樣就可以隨時(shí)查看和使用這些數(shù)據(jù)，從而完成實(shí)際的工程項(xiàng)目或研究任務(wù)。

總之，本系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)用且通用的工具，以幫助用戶(hù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的建模和分析。從安裝到參數(shù)設(shè)置、建模和計(jì)算，本節(jié)提供了詳細(xì)的步驟和指南。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本小節(jié)利用開(kāi)發(fā)的智能分析系統(tǒng)建立了與文獻(xiàn)[27]參數(shù)相同的有限元模型，如圖6所示。取相同工況對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在加載計(jì)算中，采用以下降溫工況：無(wú)砟軌道整體降溫45 ℃、梁體整體降溫30 ℃。以此來(lái)驗(yàn)證該縱向力智能分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖7～圖10分別展示了文獻(xiàn)[27]和本文開(kāi)發(fā)的縱向力智能分析系統(tǒng)的鋼軌縱向力和縱向位移的圖像。通過(guò)對(duì)比上述圖像，可以看出文獻(xiàn)中的計(jì)算結(jié)果與縱向力智能分析系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果之間的差異和相似之處。將這些計(jì)算結(jié)果的最大值總結(jié)在表1中。

從圖7～圖10及表1的數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，本文所構(gòu)建的模型與文獻(xiàn)[27]中的模型在計(jì)算結(jié)果上呈現(xiàn)出高度的一致性。在實(shí)例分析中比較了鋼軌、軌道板、底座板以及梁縫在縱向力和位移方面的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們之間存在著相似的基本趨勢(shì)。鋼軌的最大伸縮力與縱向位移之間的差異僅為1.86%和0.28%。這表明了本文的模型在預(yù)測(cè)鋼軌的縱向行為方面非常準(zhǔn)確。軌道板的縱向應(yīng)力相差1.81%，而縱向位移相差0.73%，這意味著本文的模型能夠有效地預(yù)測(cè)軌道板的受力情況，并且在描述縱向位移行為時(shí)也表現(xiàn)出很高的一致性。底座板的情況也類(lèi)似，縱向應(yīng)力相差2.75%，而縱向位移相差0.95%，這證明了本文的模型在底座板方面的準(zhǔn)確性和可靠性。本文還研究了梁縫的最大縱向變化量，發(fā)現(xiàn)其相差僅為1.07%，這意味著本文的模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)梁縫在縱向方向上的行為。

綜上所述，通過(guò)本文智能分析系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[27]進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文研發(fā)的智能分析系統(tǒng)的通用性和可靠性。本文的研究成果能夠?yàn)闃蛏息蛐桶迨綗o(wú)砟軌道無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)論

本文考慮了橋梁結(jié)構(gòu)、軌道板以及鋼軌之間的相互作用，利用有限元法建立了精細(xì)化有限元模型，研發(fā)了縱向力智能分析系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。主要結(jié)論如下。

1） 利用有限元軟件ANSYS建立了多跨簡(jiǎn)支梁和大跨度連續(xù)梁精細(xì)化有限元模型。

2） 使用VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)ANSYS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了縱向力智能分析系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和計(jì)算流程，確保了系統(tǒng)的可理解性和可操作性。

3） 對(duì)相同工況下的相同模型計(jì)算了縱向力和位移，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的偏差均在3%以?xún)?nèi)，充分驗(yàn)證了該分析系統(tǒng)的通用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鵬飛. 復(fù)雜荷載條件下橋上CRTSⅡ 型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2018.

ZHANG P F. Research on longitudinal force of CRTSⅡ slab ballastless track CWR on bridge under complex load conditions[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2018.

[2] RUI C，RAIMUNDO D，ANTONIO C E M，et al.Track-bridge interaction on high-speed railways[M]. London：Taglor & Francis，2009.

[3] SEDARAT H，KOZAK A. Nonlinear dynamic analysis of a track bridge structure designed for a floating bridge[C]//New York：Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series 35，2013.

[4] 蔡科. 高寒多震環(huán)境下橋上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路層間相互作用機(jī)理研究[D]. 南昌：華東交通大學(xué)，2022.

CAI K. Study on the interlayer interaction mechanism of CRTSⅢ slab ballastless track CWR on bridge under high-cold and multi-earthquake environment[D]. Nanchang：East?China Jiaotong University，2022.

[5] 王偉華. 高速鐵路64 m簡(jiǎn)支箱梁橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路縱向力分析與橋墩剛度限值研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2021，65（6）：82-88.

WANG W H. Study on longitudinal force analysis and pier stiffness limit of ballastless track CWR on 64 m simply supported box girder bridge of high-speed railway[J]. Railway Standard Design，2021，65（6）：82-88.

[6] 張捍東. 大跨度混合梁斜拉橋上無(wú)砟軌道縱向力分析[J]. 鐵道建筑，2020，60（3）：104-107.

ZHANG H D. Longitudinal force analysis of ballastless track on Long-Span hybrid girder Cable-Stayed bridge[J]. Railway Building，2020，60（3）：104-107.

[7] FENG Q，LIU Z，JIANG J，et al. Continuous assessment of longitudinal temperature force on ballasted track using rail vibration frequency[J]. Proceedings of the Institution of?Mechanical Engineers Part F Journal of Rail Rapid Transit，2022，236（3）：212-219.

[8] MEMON T R，MEMON T D，HUSSAIN I，et al. Embedded system development for detection of railway track surface deformation using contour feature algorithm[J]. Computers Materials & Continua，2023，75（2）：2461-2477.

[9] XU L，ZHAI W. A three-dimensional dynamic model for train-track interactions[J]. Applied Mathematical Modelling，2019，76（12）：443-465.

[10] CAI X P，LUO B C，ZHONG Y L，et al. Arching mechanism of the slab joints in CRTSⅡ slab track under high temperature conditions[J]. Engineering Failure Analysis，2019，98：95-108.

[11] 谷思文. 鐵路軌道測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)研制[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2022.

GU S W. Development of railway track measurement data processing and analysis system[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2022.

[12] 時(shí)佳斌，柴雪松，王智超，等. 軌道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 鐵道建筑，2022，62（4）：14-17.

SHI J B，CHAI X S，WANG Z C，et al. Design and application of track deformation monitoring system[J]. Railway?Building，2022，62（4）：14-17.

[13] 于威龍. 軌道車(chē)輛電器件可靠性柔性測(cè)試與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2021.

YU W L. Design of reliability flexible test and analysis system for rail vehicle electrical components[D]. Changchun：Jilin University，2021.

[14] 郭翰飛，佟維，謝素明，等. 軌道車(chē)輛隨機(jī)振動(dòng)分析系統(tǒng)RVRAP的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（4）：44-49.

GUO H F，TONG W，XIE S M，et al. Development and verification of random vibration analysis system RVRAP for rail vehicles[J]. Journal of Dalian Jiaotong University，2022，43（4）：44-49.

[15] 劉鵬. 橋梁動(dòng)力響應(yīng)有限元計(jì)算程序系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及疑難問(wèn)題分析[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2016（1）：224-228.

LIU P. Development of finite element calculation program system for bridge dynamic response and analysis of difficult problems[J]. Computer system application，2016（1）：224-228.

[16] 高梓航，王偉華，王鐵霖. 基于圖像識(shí)別的大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法研究[J]. 鐵道建筑，2023，63（8）：93.

GAO Z H，WANG W H，WANG T L. Research on monitoring system and method of rail expansion joint of long-span railway bridge based on image recognition[J]. Railway construction，2023，63（8）：93.

[17] ZHAO W C，HUI F. An alternative solution of train-track dynamic interaction[J]. Shock and Vibration，2019：1859261.

[18] 雷曉燕，王鵬生，翁凌霄等. 時(shí)速300 km/h高速列車(chē)誘發(fā)高架箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，38（4）：18-26.

LEI X Y，WANG P S，WENG L X，et al. Analysis of vibration characteristics of elevated box girderb structure induced by High-Speed train at 300 km/h[J]. Journal of East China Jiaotong University，2021，38（4）：18-26.

[19] 孟憲金. 基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的輪軌耦合系統(tǒng)動(dòng)力仿真平臺(tái)研究[D]. 南昌：華東交通大學(xué)，2021.

MENG X J. Research on dynamic simulation platform of wheel-rail coupling system based on ANSYS secondary development[D]. Nanchang：East China Jiaotong University，2021.

[20] 曾嬋娟. 大跨度橋梁車(chē)橋豎向耦合振動(dòng)的研究以及程序?qū)崿F(xiàn)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

ZENG C J. Research and program implementation of vertical coupling vibration of long-span bridge[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2007.

[21] 吳有松. 高速鐵路車(chē)輛—橋梁系統(tǒng)耦合振動(dòng)及程序設(shè)計(jì)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2007.

WU Y S. Coupling vibration and program design of high-speed railway vehicle-bridge system[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2007.

[22] 李永慶. 基于模型修正的梁格法車(chē)橋耦合振動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

LI Y Q. Development and verification of vehicle-bridge coupling vibration program based on model-modified grillage method[D]. Xi′an：Chang′an University，2010.

[23] 余志武，張鵬，丁叁叁，等. 基于概率密度演化理論的磁浮列車(chē)-軌道梁耦合系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)力分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，53（7）：2544-2554.

YU Z W，ZHANG P，DING S，et al. Stochastic dynamic analysis of maglev train-track beam coupling system based on probability density evolution theory[J]. Journal of Central South University（Natural Science Edition），2022，53（7）：2544-2554.

[24] 張高揚(yáng). 高速鐵路軌道BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)研發(fā)[J]. 鐵道勘察，2022，48（3）：118-122.

ZHANG G Y. Research and development of BIM design system for high-speed railway track[J]. Railway survey，2022，48（3）：118-122.

[25] 甘愿. 基于顯式有限元的橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2022.

GAN Y. Development and application of dynamic analysis system for ballastless track on bridge based on explicit finite element[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2022.

[26] 王凱，董勇，齊小民. 基于主副銷(xiāo)結(jié)構(gòu)的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備健康狀態(tài)分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]. 鐵道通信信號(hào)，2023，59（4）：42-46.

WANG K，DONG Y，QI X M. Research and application of health status analysis system for turnout switching equipment based on main and auxiliary pin structure[J]. Railway communication signal，2023，59（4）：42-46.

[27] 曲村. 高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論及方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2013.

QU C. Research on design theory and method of ballastless track continuous welded rail for long-span bridges of high-speed railway[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2013.

第一作者：張鵬飛（1975—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闃蛏蠠o(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。E-mail：zhangpf4236@163.com。

通信作者：唐強(qiáng)強(qiáng)（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛏蠠o(wú)縫線路。E-mail：2915215581@qq.com。

（責(zé)任編輯：吳海燕）