高速鐵路無(wú)砟軌道-路基的動(dòng)力響應(yīng)分析

摘要：基于崇禮線太崇段鐵路工程，建立路基地段CRTSI型板式無(wú)砟軌道有限元分析模型，研究了列車(chē)荷載下無(wú)砟軌道-路基的動(dòng)力響應(yīng)。重點(diǎn)分析列車(chē)運(yùn)行速度、車(chē)輛軸重和路基彈性模量對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響。研究表明，隨著列車(chē)速度的增大，豎向動(dòng)動(dòng)位移首先迅速增大，在時(shí)速200km/h處達(dá)到局部峰值，緊接著小幅降低，隨后繼續(xù)增大。隨著列車(chē)速度和車(chē)輛軸重的不斷增大，列車(chē)荷載引起軌道-路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)：軌道板的動(dòng)力響應(yīng)均大于底座板的動(dòng)力響應(yīng);對(duì)于路基部分的動(dòng)力響應(yīng)：基床表層的動(dòng)力響應(yīng)最大，基床底層的動(dòng)力響應(yīng)次之，路基本體的動(dòng)力響應(yīng)最小。適當(dāng)提高路基的彈性模量，可以略微的降低軌道-路基系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，從而有利于高速列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行和提升乘客乘坐的舒適度。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;無(wú)砟軌道;動(dòng)力響應(yīng);數(shù)值模擬

0" "引言

高速鐵路因其載客量大、速度快、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)都得到大力發(fā)展。而我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了高速鐵路的建設(shè)。為滿足人們交通出行的便利與快捷，高速鐵路的速度持續(xù)提升。與此同時(shí)，高速行駛的列車(chē)給軌道和路基帶來(lái)了更顯著的影響。因此，高速列車(chē)引起的軌道-路基系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題已逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

越來(lái)越多的科研工作者采用不同的研究方法，對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展一系列的研究。陳建國(guó)等[1]以某鐵路工程為背景，利用有限元軟件研究了列車(chē)荷載引起的鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)，分析了不同列車(chē)速度對(duì)鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。董亮等[2-3]利用試驗(yàn)方法，研究了高速列車(chē)運(yùn)行引起的無(wú)砟軌道-路基的動(dòng)力響應(yīng)，并利用三維有限元軟件建立數(shù)值模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。基于此，系統(tǒng)地分析了軌道和路基參數(shù)對(duì)列車(chē)荷載引起路基的動(dòng)位移、加速度和動(dòng)動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。馮軍和等[4]分析了列車(chē)運(yùn)行荷載在數(shù)值模擬軟件中模擬時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，引入頻響函數(shù)、傅里葉變換等算法，獲得了列車(chē)運(yùn)行荷載兩種新的模擬方法。薛富春[5-6]利用有限元軟件，建立了列車(chē)-軌道-路基三維耦合模型，獲得了移動(dòng)荷載引起的鐵路路基的動(dòng)動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)動(dòng)位移，并總結(jié)出動(dòng)動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)動(dòng)位移的空間分布

本文基于崇禮鐵路太崇段工程，建立路基地段CRTSI型板式無(wú)砟軌道有限元分析模型，研究了高速鐵路引起的無(wú)砟軌道-路基的動(dòng)力響應(yīng)。系統(tǒng)分析了列車(chē)運(yùn)行速度、車(chē)輛軸重和路基彈性模量的影響。

1" "工程概況

崇禮鐵路太崇段軌道系統(tǒng)選擇CRTS I 型板式無(wú)砟軌道。無(wú)砟軌道分別由鋼軌、軌道板、CA砂漿層和底座板組成。路基部分由基床表層、基床底層、路基主體和地基層組成。

2" "三維有限元模型

2.1" "有限元模型

依據(jù)工程實(shí)際工況，建立軌道與路基三維模型，模型寬度為30m，縱向長(zhǎng)度為10m，地基高度為6m。模型整體由軌道系統(tǒng)和路基兩個(gè)部分組成。模型中采用實(shí)體單位模擬軌道各個(gè)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)軟件內(nèi)置的tie連接模擬軌道各部分結(jié)構(gòu)的接觸，用軟件內(nèi)置彈簧單元模擬扣件。

模型的邊界條件如下：模型底部為完全固定邊界，模型四周為水平向約束邊界，模型頂部為自由邊界。模型一共126399個(gè)單元，148218個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2" "模型參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，路基和地基采用彈性本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表1所示。軌道系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)本構(gòu)采用線彈性模型，扣件剛度取50kN/mm，其余各部分結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示。

3" "數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1" "列車(chē)速度對(duì)系統(tǒng)影響

軌道和路基各部分的動(dòng)力響應(yīng)，隨列車(chē)運(yùn)行速度的變化而變化（軌道動(dòng)力響應(yīng)不包括鋼軌）。其中隨速度變化的最大豎向動(dòng)應(yīng)力曲線如圖1所示，隨速度變化的豎向最大加速度曲線如圖2所示。車(chē)輛軸重取100kN，路基彈性模量取60MPa。

由圖1和圖2可以看出，對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)：軌道板的響應(yīng)均大于底座板的響應(yīng);對(duì)于路基部分的動(dòng)力響應(yīng)：基床表層的響應(yīng)最大，基床底層的響應(yīng)次之，路基本體的響應(yīng)最小。這是因?yàn)榱熊?chē)荷載引起的波動(dòng)從下之下逐漸衰減。

列車(chē)運(yùn)行引起的軌道與路基系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，主要表現(xiàn)列車(chē)高速運(yùn)行狀態(tài)。具體如下：當(dāng)列車(chē)以200km/h運(yùn)行速度時(shí)，列車(chē)荷載引起的軌道板的豎向動(dòng)應(yīng)力為133.2kPa，豎向加速度為14.7m/s²。當(dāng)列車(chē)速度提升至350km/h時(shí)，相應(yīng)的軌道板的豎向動(dòng)應(yīng)力為178.7kPa，豎向加速度為15.6m/s²，較200km/h工況的結(jié)果增幅分為34%、6%。當(dāng)列車(chē)以200km/h運(yùn)行速度時(shí)，列車(chē)荷載引起的基床表層的豎向動(dòng)應(yīng)力為1.9kPa，豎向加速度為8.5m/s²。當(dāng)列車(chē)速度提升至350km/h時(shí)，相應(yīng)的基床表層的豎向動(dòng)應(yīng)力為2.1kPa，豎向加速度為12.4m/s²，較200km/h工況的結(jié)果增幅分為8%、47%。綜上所述，隨著列車(chē)速度的不斷提升，車(chē)體對(duì)軌道-路基結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)有顯著的影響。

3.2" "車(chē)輛軸重對(duì)系統(tǒng)影響

為研究車(chē)輛軸重對(duì)軌道和路基的影響，本節(jié)對(duì)比了4種不同的軸重工況（220kN、190kN、170kN和150kN）的動(dòng)力響應(yīng)。列車(chē)運(yùn)行速度取200km/h，路基彈性模量取60MPa。軌道和路基各部分的動(dòng)力響應(yīng)，隨車(chē)輛軸重的變化而變化。最大豎向動(dòng)應(yīng)力曲線如圖3所示，最大豎向加速度曲線如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，列車(chē)運(yùn)行引起軌道與路基各部分的動(dòng)力響應(yīng)，從上至下逐漸減弱，且動(dòng)力響應(yīng)隨著車(chē)輛軸重的增大逐漸增大。進(jìn)一步觀察可知，隨著車(chē)輛載重的增大，列車(chē)荷載引起的各結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的差別愈大。

具體如下：當(dāng)車(chē)輛軸重為150kN時(shí)，列車(chē)荷載引起的軌道板的豎向動(dòng)應(yīng)力為143.1kPa，豎向加速度為15.6m/s²。當(dāng)車(chē)輛軸重增大至220kN時(shí)，相應(yīng)的軌道板的豎向動(dòng)應(yīng)力為184.9kPa，豎向加速度為22.6m/s²，較200km/h工況的結(jié)果增幅分為30%、45%。當(dāng)車(chē)輛軸重為150kN時(shí)，列車(chē)荷載引起的基床表層的豎向動(dòng)應(yīng)力為1.6kPa，豎向加速度為4.9m/s²。當(dāng)車(chē)輛軸重增大至220kN時(shí)，相應(yīng)的基床表層的豎向動(dòng)應(yīng)力為2.4kPa，豎向加速度為8.5m/s²，較200km/h工況的結(jié)果增幅分為51%、75%?？梢?jiàn)，列車(chē)軸重對(duì)軌道與路基系統(tǒng)有顯著的影響，在修建重載鐵路時(shí)，要考慮軌道和路基的穩(wěn)定性。

4" "結(jié)論

本文基于崇禮鐵路太崇段工程，建立路基地段CRTSI型板式無(wú)砟軌道有限元分析模型，研究了高速鐵路引起的無(wú)砟軌道-路基的動(dòng)力響應(yīng)。系統(tǒng)分析了列車(chē)運(yùn)行速度、車(chē)輛軸重和路基彈性模量的影響。主要得到以下結(jié)論：

對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)：軌道板的響應(yīng)均大于底座板的響應(yīng);對(duì)于路基部分的動(dòng)力響應(yīng)：基床表層的響應(yīng)最大，基床底層的響應(yīng)次之，路基本體的響應(yīng)最小。

隨著列車(chē)速度的增大，豎向動(dòng)位移首先迅速增大，在時(shí)速200km/h處達(dá)到局部峰值，緊接著小幅降低，隨后繼續(xù)增大。隨著列車(chē)速度和車(chē)輛軸重的不斷增大，列車(chē)運(yùn)行引起軌道-路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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