重載鐵路路基基床結構動力分析

曹剛，馬云東

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 概述

隨著經濟的快速發展，重載鐵路以其極高的運輸效率和可觀的利潤前景，備受世界矚目［1-5］.隨著列車重量和行車密度的增大，對重載鐵路路基基床結構提出更高的要求;如何提高路基的承載能力和穩定性，減少路基病害的發生，已成為重載鐵路發展中亟待解決的重要問題［6-9］.

通過分析比較重載鐵路路基基床的結構形式及控制參數，利用有限元ANSYS軟件，對建立的軌道—路基系統三維有限元模型，進行列車動力荷載作用下的結構分析，以列車車速80 km/h、加載時間1 s的路基段作為試算，分析不同基床結構控制參數的動力特性變化規律，更好地為研究重載鐵路路基的力學性能提供技術支持和數據分析.

1 建立軌道－路基系統三維有限元模型

1.1 計算參數

鋼軌 標準軌距1.435 m，重60 kg/m的無縫鋼軌，彈性模量為2.06e5 MPa，泊松比為0.3，密度7850 kg/m3.

扣件及軌下膠墊 彈條Ⅱ型扣件，垂直剛度1.2e8 N/m，阻尼系數8e4 N·s/m，厚度40 mm.

軌枕 2.6 m長Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，間距1760根/km，彈性模量3.5e4 MPa，泊松比為0.167，密度2 750 kg/m3，埋置厚度0.19 m.

道砟 碎石道砟，頂面寬度3.4 m，厚度0.3 m，邊坡坡度1∶1.75.彈性模量140 MPa，泊松比0.27，阻尼系數5.8e4 N·s/m，厚度0.3 m，密度2400 kg/m3.

基床 基床頂面寬度6.8 m，邊坡坡度1∶1.5;基床表層厚度0.9 m，底層厚度1.6 m，總厚度2.5 m.其控制參數分三組計算，詳見表1.

表1 三組基床控制參數

地基 非滲水土路堤，不考慮地基變形及地面坡率，視其為半空間無限大平面，采用全部約束.

動力荷載 執行30 t軸重荷載標準，參照我國C80貨車荷載分布工況，并采用一個有周期特點的激振力函數來模擬列車動力荷載的取值.

1.2 網格劃分

建立軌道—路基系統三維有限元模型時，在保證仿真精度的前提下，對原結構體系進行簡化，便于建模，減少計算誤差.對于模型網格的劃分，采用粗、中、細三種劃分模式，通過對結果進行對比分析得知:模型網格劃分的越細越符合實際情況，但隨著計算次數的增加，迭代誤差也會加大.為了更好的模擬實際工況，最后得出網格細分模式劃分更符合實際.其網格劃分完后，軌道—路基系統三維模型圖如圖1.

圖1 軌道－路基系統三維模型

2 基床結構動力響應分析

基床結構動力響應分析是指當軌道承受重載列車高速行駛時的動力荷載，研究不同基床結構控制參數的動力性能響應規律.

2.1 基床斷面動應力響應分析

基床斷面應力的分布反映了基床結構在承受軌道動力荷載作用下的累計應力疊加情況，對研究基床層間應力變化及路基整體強度有著重要價值.

軌道結構在30 t軸重作用下，分別對基床結構三組控制參數進行動力加載，其基床斷面動應力分布圖如圖2.

圖2 三組基床斷面動應力分布圖

綜合上圖可以清晰地得知基床結構在軌道動力荷載作用下的應力累計疊加情況，軌道對應位置基床斷面應力較為集中，逐漸向基床兩側減小.

比較三組基床結構控制參數下的基床斷面應力分布圖，發現基床斷面最大動應力值位于基床中心線處，依次為:第一組189.552 kPa、第二組190.455 kPa、第三組191.447 kPa，呈遞增關系.

2.2 基床斷面動位移響應分析

基床斷面豎向動位移響應反映了基床結構在承受軌道動力荷載作用下的累計變形能力，關系到路基的整體剛度及基床的沉降變形幅度.

軌道結構在30 t軸重作用下，分別對基床結構三組控制參數進行動力加載，其基床斷面豎向動位移分布圖如圖3.

圖3 三組基床斷面豎向動位移分布圖

綜合上圖可以清晰地得知基床結構在軌道動力荷載作用下的豎向累計變形情況，軌道對應位置基床斷面豎向動位移較為集中，沿軌道橫向距離向下擴展，逐漸變小.

比較三組基床結構控制參數下的基床斷面豎向動位移分布圖，發現基床斷面豎向動位移最大值位于基床中心線處，依次為:第一組2.594 mm、第二組2.334 mm、第三組2.081 mm，呈遞減關系.

2.3 基床豎向動位移最大點的加速度響應分析

基床受到來自列車動力荷載的影響，其穩固性對整個路基本體及軌道穩定，都極為關鍵;而且路基病害中，以基床病害分布最廣、數量最大.基床豎向動位移最大點的加速度響應分析能夠為研究基床彈性變形過大導致其松散流動、翻漿冒泥、過量下沉、剪切破壞等重要因素提供有力數據.

軌道結構在30 t軸重作用下，分別對三種基床結構控制參數進行動力加載，其基床豎向動位移最大點的加速度時程曲線如圖4.

綜合圖4得到的基床豎向動位移最大點加速度時程曲線，有效的描繪了基床結構在列車動力荷載作用下的振動幅度、變形能力.通過分析可知第一組、第二組的基床振動幅度較小，第三組的基床振動幅度較大;比較三組基床結構控制參數下的加速度變化趨勢，加速度最大值發生在加載時間0.5 s處，其值依此為:第一組25.2 m/s2、第二組 26.525.2 m/s2、第三組 37.525.2 m/s2，呈遞增趨勢.另一方面，觀察圖中三條加速度時程曲線沿時間坐標軸的振動趨勢可以得知，第一組、第二組的曲線振動趨勢較為強烈，第三組的曲線振動趨勢較為平緩.

圖4 三組基床豎向動位移最大點加速度時程曲線

3 結論

利用有限元軟件 ANSYS，對已建立的軌道—路基系統三維有限元模型，進行了重載列車荷載作用下的基床結構動力響應分析，得出基床結構在動力荷載作用下的變化規律，如下:

(1)隨著基床結構彈性模量、密度的增大，基床結構在軌道動力荷載作用下的應力累計疊加更為強烈，軌道對應位置基床斷面應力較為集中，逐漸向基床兩側減小;

(2)隨著基床結構彈性模量、密度的增大，基床結構在軌道動力荷載作用下的豎向累計變形逐步減小，軌道對應位置基床斷面豎向動位移較為集中，沿軌道橫向距離向下擴展;

(3)比較基床豎向動位移最大點加速度時程曲線可知，隨著基床填料彈性模量、密度的增大，基床結構在動力荷載作用下的振動幅度不斷增大，加速度最大值有所增加，但是振動趨勢逐漸平緩，基床抵抗變形能力減弱.

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