350 km/h高速鐵路路橋過渡段動力響應(yīng)分析

陳 琪，楊長衛(wèi)

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

高速鐵路設(shè)計中線路的平順性是保證高速列車安全、可靠、舒適運行的前提。在整個線路中，路橋過渡段對整個線路的平順性具有顯著影響，成為影響整個線路平順性的主控因素之一。當(dāng)高速列車通過該區(qū)段時，由于橋臺和路基兩部分存在較大的剛度差，造成該處出現(xiàn)較大的工后沉降差，致使軌面在此處出現(xiàn)彎折現(xiàn)象，破壞了軌道的平順性，加速了線路狀態(tài)的惡化，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，影響列車的舒適度，甚至?xí)斐闪熊囀Х€(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。因此，有必要開展高速列車荷載作用下路橋過渡段部分動力響應(yīng)的研究。

為了更加詳細(xì)地揭示列車荷載作用下高速鐵路路橋過渡段的動力響應(yīng)，本文選取典型工況點，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，利用有限元軟件，建立三維數(shù)值分析模型，施加350 km/h的高速列車荷載，分析了路橋過渡段的動力響應(yīng)。

1 數(shù)值分析

1.1 數(shù)值計算模型

本文運用有限元軟件MIDAS/GTS，依據(jù)《京滬線高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》，以京滬客運專線某一工況點為原型，建立倒梯形路橋過渡段的數(shù)值模型。過渡段的幾何尺寸如下:基床表層厚0.6 m，基床底層厚1.9 m，路堤填土厚6 m，橋臺長27 m，軌枕采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，軌距1 435mm。過渡段采用正梯形設(shè)置，梯形上邊長6 m，斜邊坡比為1∶2，填筑材料為摻一定量水泥的級配碎石。MIDAS/GTS存在實體和構(gòu)件兩種建模方式，為了盡可能真實模擬路橋過渡段各個部分的力學(xué)性能，本文采用實體建模。橋臺與碎石土、軌道板與基床表層之間通過設(shè)置接觸單元來模擬其相互作用。為了研究的方便，本文對該工況點做了相關(guān)簡化，具體數(shù)值模型見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型軸視圖

1.2 參數(shù)選取

為了模擬列車荷載，本文采用ADAMS/Rail進(jìn)行仿真計算，得出列車輪載的時程曲線，見圖2。

圖2 列車輪載的時程曲線

基床表層、基床底層、路基本體的力學(xué)特性參數(shù)主要通過開展一系列土工試驗測得，地基的力學(xué)特性參數(shù)主要通過前期的地質(zhì)勘察獲得。橋臺部分由于材料性質(zhì)較好，預(yù)計變形很小，因此采用線彈性本構(gòu)模型;過渡段碎石、路基土、基床表層、基床底層均采用Mohr-Coulomb模型，土體的具體力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 土體物理特性參數(shù)

本文通過在模型兩側(cè)和底部設(shè)置黏彈性邊界來消除邊界反射的振動對過渡段動力響應(yīng)的影響。該邊界所需計算參數(shù)的求解依據(jù)以下公式:

式中，Av，Ah為各個地基的豎向和水平方向的截面面積，E0為地基的彈性模量，α取1.0，邊界特性參數(shù)見表2。

表2 邊界特性參數(shù)

2 計算結(jié)果

本節(jié)所涉及的鋼軌表面豎向轉(zhuǎn)角是指發(fā)生于鋼軌所在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。

為了研究列車荷載作用下路橋過渡段動力響應(yīng)沿其縱向的分布情況，本文測點分布如下:首先在橋臺端部設(shè)置一個測點，臺后0.75m，1.5m處各設(shè)置一個測點，之后再設(shè)置17個測點，間距均為1.5m，測點全部位于基床表層和軌面。

為了研究列車荷載作用下路橋過渡段動力響應(yīng)沿其橫向的分布情況，本文測點分布如下:首先在橋臺后10.5m處沿軌枕中心線兩側(cè)0.5m，0.75m，0.75m，0.5m分別設(shè)置動應(yīng)力觀測點;在橋臺后7.5m處沿基床表層中心線布置沉降觀測點。

由圖3可知，過渡段的最大沉降量6.436 mm發(fā)生于橋臺后約7.5m，臺后10m以外沉降基本上穩(wěn)定于6.0mm左右。研究還表明，軌面的最大彎折角2.67‰發(fā)生于橋臺后約1.5m處。在橋臺后10m以后的范圍內(nèi)，軌面轉(zhuǎn)角基本上穩(wěn)定在約0.3‰以下。路橋過渡段出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于路橋連接處存在較大的剛度差，造成列車下橋時車輪會產(chǎn)生一個向下的附加沖擊作用，從而加大了該處的豎向變形。

圖3 軌面、基床表層動位移沿縱向分布曲線

基床表層、基床底層、路基本體、地基的豎向動應(yīng)力以及動位移在橫向分布基本上一致，均呈“馬鞍型”分布，最大值發(fā)生在鋼軌與軌道板接觸處，圖4為基床表層豎向沉降沿橫向分布曲線。

圖4 豎向沉降沿橫向分布曲線

3 結(jié)語

本節(jié)通過建立路橋過渡段3D模型，對路橋過渡段的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論:

1)路橋連接處需要采取特殊的加固措施，降低沉降量，減小軌面轉(zhuǎn)角，從而保證線路全范圍的平順性。

2)基床表層、基床底層、路基本體、地基的豎向動應(yīng)力在橫向分布基本上一致，均呈“馬鞍型”分布，最大值發(fā)生在鋼軌與軌道板接觸處，中心線處最小。

3)鋼軌下和軌枕端部兩個位置的動應(yīng)力較大，約為軌道板中心處的4倍，軌道板處的動應(yīng)力沿其橫向分布極不均勻。這種不均勻?qū)⒁疖壍澜Y(jié)構(gòu)不均勻變形，甚至造成軌道板開裂，影響鐵路交通的正常運行。在鐵路路基設(shè)計中，可考慮優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)形式，以改善路基面動應(yīng)力分布不均勻狀況。

［1］羅強.高速鐵路路橋過渡段動力學(xué)分析及工程試驗研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.

［2］王瀾.軌道結(jié)構(gòu)隨機振動理論及其在軌道結(jié)構(gòu)減振研究中的應(yīng)用［J］.中國鐵道科學(xué)，1989，10(2):41-59.

［3］陳小平.高速鐵路道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響因素分析［J］.鐵道建筑，2010(6):100-103.

［4］崔春霞，段樹金，孫建剛.鐵路路橋過渡段合理長度研究［J］.鐵道建筑，2011(5):103-105.

［5］孔澤軍.彈性車輪對軌道動態(tài)性能的作用［J］.國外鐵道車輛，1998(6):32-36.

［6］翟婉明.輪軌動力作用模型研究［J］.鐵道學(xué)報，1994，16(1):64-72.