鐵路路基動力特性有限元分析

摘要:為了研究路基的動力響應，利用有限元分析方法，對建立的軌道一路基三維有限元模型，進行高速列車荷載作用下的動力分析。分析了在列車荷載作用下鐵路路基的動力響應(速度)的分布規律，有利地促進了高速鐵路路基的動態響應研究。

關鍵詞:鐵路 路基 動力特性 速度時程 有限元

1 概述

路基是軌道結構的基礎，是以密實的土、石構成的土工結構物。鐵路線路沿線地質狀況復雜，路基類型多樣。由于列車荷載的重復作用和長期受外界環境對路基的影響，就是同一類型的路基其性能也各不相同。土的多樣性、荷載的隨機性和重復性及性狀的多變性是與一般土工結構物相比不同的其突出特點。

目前，學者們對鐵路路基動力響應有限元問題進行了大量的研究，雷曉燕[1]、梁波[2-3]等分別考慮路基動態響應的特點和主要影響因素對上部結構進行適當簡化，建立了軌道-路基耦合模型，有利地促進了高速鐵路路基的動態響應研究。本文就是在分析高速列車波動引起的動態響應，利用有限元軟件建立高速鐵路3D路基動力分析模型，在總結和吸收前人研究成果的基礎上，結合我國高速鐵路路基的動力特性，對影響路基動力特性的因素進行研究。

2 有限元模型建立

對軌道-路基系統的三維動力性能進行研究的關鍵就是建立一個合理的計算模型。首先根據路基斷面結構，利用有限元軟件，建立基于軌道-路基體系的三維有限元模型，確定模型的計算參數，選用合理的高速列車荷載作用下路基的三維模型進行分析。為了考察節點沿深度的時程變化規律我們選取了有代表性的三個節點，編號分別為①（86235節點）、②（81703節點）、③（75188節點），如圖1所示。

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圖1 不同深度處三個代表性節點位置圖

3 路基速度時程分析

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（a）節點速度X軸方向時程曲線變化規律

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（b）節點速度Y軸方向時程曲線變化規律

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（c）節點速度Z軸方向時程曲線變化規律

圖2 列車荷載作用下不同深度節點的速度分析曲線圖

觀察列車荷載作用下不同深度節點的速度分析曲線圖（見圖2），我們可以明顯地看出，路基在列車振動荷載作用下節點速度X、Y、Z軸方向時程曲線，都是隨著深度的增加對其速度時程影響越來越小，速度時程曲線的波動幅度越來越小，但節點速度X、Y、Z軸三個方向時程曲線變化規律都是一致。

3.1 節點速度X軸方向時程曲線變化規律，近似正弦波的形式，先向負的方向波動，達到一個峰值，然后增加，直至達到0，繼續增加，達到一個正的峰值點，再下降到第二個負峰值時，曲線開始強烈的波動，然后增加再下降回到最初的0點，趨于平穩。值得注意的是，在第一個正峰值點處于路基最上面位置的節點有小的波動情況。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規律基本一致。

3.2 節點速度Y軸方向時程曲線變化規律，先是向負方向變化，在負向產生兩個波動點，然后逐漸增大達到正值，同樣，在正方向也產生兩個波動點，再逐漸減小，減小到負值，有一個小負峰值點，但相對于前兩次的兩個負向波動點數值相對要小得多。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規律基本相同。

3.3 節點速度Z軸方向時程曲線變化規律，先是向負向增加，越來越大，直至達到峰值點，才不斷增加，達到正值后，仍然不斷增加，達到正向峰值點，然后下降，回到0點。值得注意的是，負向峰值的明顯大于正向峰值2-3倍。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規律基本相同。

4 結論

路基在列車振動荷載作用下節點速度X、Y、Z軸方向時程曲線，都是隨著深度的增加對其速度時程影響越來越小，速度時程曲線的波動幅度越來越小，但節點速度X、Y、Z軸三個方向時程曲線變化規律都是一致的。

參考文獻：

[1]雷曉燕，陳水生.高速鐵路軌道結構空間動力分析[J].鐵道學報，2000，22(5):76-80.

[2]梁波.高速鐵路路基的動力特性及土工合成材料的應用研究[D].成都:西南交通大學，1998.

[3]梁波，蔡英，朱東生.車-路垂向耦合系統的動力分析[J].鐵道學報，2000，22(1):65-71.

基金項目：

黑龍江省教育廳科學技術研究項目資助（項目編號：12511566）。

佳木斯市社會科學重點科研項目資助（項目編號：11 135）。

佳木斯大學科學技術研究項目資助（項目編號：L2011-032）。