CRTSⅠ型板式軌道在地震荷載作用下的動力響應

宋 楊，張 瑤，陳小平，王 平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

板式無砟軌道具有良好的結構連續性和平順性，并且結構穩定、耐久性好，在低等級地震條件下，比有砟軌道具有更好的穩定性，從而提高行車的安全性，但在大地震情況下，有砟、無砟軌道都會遭到破壞，而無砟軌道的修復更為困難。日本對有砟軌道的研究表明，地震造成軌道破壞與變形的原因，大體上可以分為兩類:路基、橋梁等下部基礎破壞及變形，軌道本身破壞與變形，但對于無砟軌道尚無法判斷其破壞的原因，也沒有相應的抗震設計規范作為指導，所以對其破壞的原因進行分析具有十分重要的意義。

CRTSⅠ型板式軌道廣泛應用于遂渝試驗段地震頻發線路，對CRTSⅠ型板式無砟軌道進行地震荷載下的動力響應分析很有必要。目前的抗震分析方法主要是原型觀測、模型試驗和理論計算數值分析方法。而理論計算數值分析方法亦有很多種，其中以有限元技術最為成熟。本文運用有限元軟件ANSYS，采用地震反應時程分析法，模擬地震對CRTSⅠ型板式軌道的作用，地震荷載采用天津波南北方向記錄，并得出此荷載作用下軌道板、底座板、CA砂漿和圓形凸臺的位移、加速度和應力。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

軌道各結構直接生成有限元模型，軌道板與底座板由于在其厚度方向上的尺寸遠小于長度和寬度方向上的尺寸，符合彈性薄板的結構特點，故均采用平面殼單元模擬;為了模擬土體、砂漿和樹脂的單向受力特性，CA砂漿、地基土層和凸臺周邊樹脂均采用非線性桿單元模擬;圓形凸臺采用梁單元模擬，并且約束在底座板上。為消除邊界效應，模型選取三塊軌道板進行計算，以中間單元板作為研究對象。路基底面采取全約束，兩側采用對稱約束。動力計算模型如圖1所示。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道計算模型

1.2 計算參數

軌道板長×寬×厚為4.962 m×2.400 m×0.190 m，采用 C50混凝土，彈性模量為34 500 MPa，密度為2 800 kg/m3;CA砂漿寬 ×厚為2.4 m×0.05 m，彈性模量取300 MPa，密度為1 800 kg/m3。底座板寬 ×厚為3 m×0.2 m，采用 C40混凝土，彈性模量為34 000 MPa，密度為2 800 kg/m3;基床采用等剛度換算:取路基高1 m，彈性模量為 30.64 MPa，密度為2 000 kg/m3，阻尼比為5%;凸臺周邊樹脂寬 ×厚為2.4 m×0.05 m，彈性模量取 25 MPa，密度為 150 kg/m3，阻尼比為10%。

1.3 地震波荷載

模型計算中地震波荷載烈度分別取6度、7度和8度時，其地面運動的最大水平加速度分別為0.062 5g、0.125 g和0.250 g，計算中必須將實際地震記錄的峰值折算成所需的基本烈度。地震波采用天津波南北向記錄，地震波的記錄時長為6 s，時間間隔為0.01 s，場地為三類，記錄信號為南北向加速度。豎向最大加速度約為水平最大加速度的0.50～0.65倍，因此可取豎向與水平地震系數之比為0.65。

2 計算結果及分析

2.1 動應力響應

在地震荷載作用下，軌道板在各地震烈度下的橫向應力響應如圖2所示，底座板在各地震烈度下的豎向應力響應如圖3所示。

圖2 軌道板橫向應力響應

圖3 底座板豎向應力響應

圖2表明，軌道板不同烈度橫向應力響應曲線形狀相似，極值響應時間基本一致。地震烈度為6度、7度、8度時，軌道板的最大動拉應力、動壓應力基本呈2倍關系遞增，具體數值見表1。地震烈度為8度時，軌道板的最大動拉應力為0.007 13 MPa，最大動壓應力為0.010 9 MPa，遠小于軌道板中混凝土的抗拉、抗壓破壞強度，不會對軌道板造成破壞。底座板和CA砂漿的橫向應力響應具有與軌道板同樣的變化規律，也不會使結構破壞。

圖3表明，在各烈度地震荷載作用下，底座板豎向應力響應曲線形狀相似，極值響應時間也基本一致。由于受初始壓應力的影響，底座板最大壓應力普遍大于最大拉應力，具體數值見表1。烈度為8度時，底座板的最大動拉應力為0.020 5 MPa，最大動壓應力為0.032 5 MPa，遠小于底座板中混凝土的抗拉、抗壓破壞強度，不會對底座板造成破壞。底座板橫向應力響應具有與軌道板同樣的變化規律，也不會使結構破壞。

CA砂漿、圓形凸臺動應力在地震荷載作用下的時間歷程曲線如圖4、圖5所示。

圖4 CA砂漿垂向應力響應

圖5 圓形凸臺應力響應

圖4表明，CA砂漿由于受初始壓應力影響，一直受壓，并且幅值變化很小，說明砂漿彈性良好，能較好地緩沖地震波影響。圖5表明，由于凸臺周邊樹脂阻尼比較大，對圓形凸臺起到良好的保護作用，凸臺在各烈度地震波作用下，受力也較小。CA砂漿、圓形凸臺各烈度地震波下最大動應力響應見表1。

表1 地震荷載作用下軌道結構最大動應力值 MPa

2.2 動位移響應

鐵路路基、軌道結構在地震荷載作用下的位移較大，但影響軌道結構穩定性的主要是其相對于下部路基的位移，這也是論文中對動位移分析的主要內容。圖6、圖7分別表示在各烈度地震荷載作用下，底座板豎向位移響應曲線和軌道板橫向位移響應曲線。

圖6 底座板豎向位移響應

圖7 軌道板橫向位移響應

圖6、圖7表明，不同烈度底座板豎向、軌道板橫向位移響應曲線形狀相似，極值響應時間基本一致，并且都是隨著地震烈度提高，其位移極大值增加一倍，說明沒有破壞時的軌道結構變形具有一定的規律性。地震烈度為8度時，底座板豎向位移最大為0.102 mm，軌道板橫向位移最大為0.782 mm，其數值較小，對軌道幾何形位的影響不明顯，但隨著高速鐵路運行速度的不斷提高，勢必會影響列車運行的穩定性，建議地震過后對列車運行速度進行限制。

圖8表示在地震荷載作用下，兩相鄰軌道板橫向錯牙量響應曲線。

圖8 兩相鄰軌道板橫向錯牙量響應

圖8表明，不同烈度地震荷載作用下，兩相鄰軌道板橫向錯牙量都很小，遞增趨勢同軌道板橫向位移。8度地震荷載作用下，最大橫向錯牙量為0.095 mm，遠小于現行規范中規定值，對軌道幾何形位的影響不明顯。

3 結論

本文借助ANSYS軟件，建立CRTSⅠ型板式軌道有限元模型，并對模型進行不同地震烈度荷載下的時程分析，得到板式軌道結構中軌道板、底座板、CA砂漿和圓形凸臺的動應力、動位移的響應規律。主要得到以下結論:

1)在地震荷載作用下，軌道結構橫向應力和縱橫向位移響應隨烈度增加1度而增加1倍;豎向應力響應由于受初始應力影響，壓應力較大。總體來說，軌道結構最大動應力較小，不會使軌道結構破壞。

2)軌道結構橫向位移響應大于豎向位移響應，軌道結構位移響應對軌道幾何形位有一定影響，建議地震后對列車行駛速度進行限制。

3)在路基穩定的情況下，板式軌道本身變形及受力很小。板式軌道結構本身的變形不會是導致軌道結構破壞或變形的原因。

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