路基剛度不均勻?qū)o(wú)砟軌道動(dòng)力特性影響研究

張家玲，徐光輝，蔡 英

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻?qū)o(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響很大，甚至危及行車(chē)安全。但如果對(duì)路基結(jié)構(gòu)的剛度均勻性提出過(guò)高要求，又會(huì)增加施工碾壓遍數(shù)，提高工程造價(jià)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻性進(jìn)行了相關(guān)研究，這些研究一般采用不同波長(zhǎng)、不同幅值的沉降曲線來(lái)模擬路基結(jié)構(gòu)的不均勻。由于路基結(jié)構(gòu)的不均勻沉降實(shí)質(zhì)是路基結(jié)構(gòu)的剛度不均勻引起的，當(dāng)路基結(jié)構(gòu)的剛度存在不均勻時(shí)，在荷載作用下，將產(chǎn)生不均勻沉降，這會(huì)導(dǎo)致輪軌動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力的增大，進(jìn)而危及列車(chē)運(yùn)行安全。

為了分析路基結(jié)構(gòu)剛度不均勻?qū)ι喜寇壍澜Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，建立無(wú)砟軌道—路基三維多層體系動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)施加列車(chē)動(dòng)荷載，分析路基結(jié)構(gòu)各種剛度不均勻性狀對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，以此提出路基結(jié)構(gòu)剛度不均勻的限值標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)路基結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的檢驗(yàn)和控制。

1 無(wú)砟軌道—路基的多層體系模型

根據(jù)京滬高鐵無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段路基的典型斷面，利用非線性有限元軟件ABAQUS，建立基于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道—路基的多層體系模型。模型縱向長(zhǎng)度按標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)度6 450 mm設(shè)置，模型組成為:①軌道板寬度為2 550 mm，厚度為200 mm;②砂漿調(diào)整層設(shè)計(jì)厚度為30 mm;③底座寬度為2 950 mm，厚度為300 mm;④級(jí)配碎石層頂寬為9 500 mm，厚度為400 mm;⑤基床底層采用 AB組填料，厚度為2 300 mm，路堤邊坡為1∶1.5。模型建立了軌道板、CA砂漿層、底座板、路基4個(gè)部件，其中路基部件再剖分為級(jí)配碎石層和基床底層。模型的邊界約束條件為:地基橫向邊界設(shè)置X向約束，底部設(shè)置X，Y和Z向約束，模型縱向前后2個(gè)斷面設(shè)置Z約束。模型先施加自重應(yīng)力，然后在軌道板的承軌槽位置施加列車(chē)動(dòng)荷載。計(jì)算過(guò)程中，軌道板與CA砂漿的接觸面允許產(chǎn)生分離，CA砂漿與底座板的接觸面不產(chǎn)生分離，底座板與級(jí)配碎石的接觸面允許產(chǎn)生分離，路基內(nèi)部各層間的接觸面不允許產(chǎn)生分離。

2 模型荷載及計(jì)算參數(shù)

2.1 模型荷載

1)自重荷載:由于自重荷載對(duì)模型層間的接觸狀態(tài)有較大影響，因此在建立模型時(shí)需要考慮自重荷載對(duì)模型系統(tǒng)的動(dòng)力影響。

2)列車(chē)荷載:由于鋼軌具有彈性，一個(gè)車(chē)輪的荷載往往由幾根軌枕來(lái)承擔(dān)，同理，在某根軌枕上，可能要承擔(dān)多個(gè)輪載的作用，為了準(zhǔn)確考慮承軌槽所承擔(dān)的荷載，對(duì)承軌槽上的荷載按群輪作用考慮，即

式中:R為作用在承軌槽上的壓力;a為承軌槽間距;k為剛比系數(shù);P為輪載;x為輪載作用點(diǎn)與承軌槽之間的水平距離，可以用列車(chē)運(yùn)行的速度和時(shí)間表示。Σ e－kx(coskx+sinkx)為轉(zhuǎn)向架車(chē)輪荷載沿縱向分布系數(shù)。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

無(wú)砟軌道—路基多層體系模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。級(jí)配碎石層正常模量值取為190 MPa，其他值為模擬剛度不均勻部位的模量值;為了模擬基床底層對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響，AB組填料正常模量值為120 MPa，其他為軟弱基床底層的取值。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

路基剛度不均勻按軌道板下路基端部不均勻和角部不均勻考慮，路基剛度不均勻分布形狀及分析時(shí)選用的節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。計(jì)算時(shí)不均勻部位從軌道板端部開(kāi)始，長(zhǎng)度從0逐漸增加到整個(gè)軌道板長(zhǎng)度，共13種情況。對(duì)應(yīng)于每一種長(zhǎng)度，級(jí)配碎石層的彈性模量分別取 110，130，150，170，190，210 和 230 MPa 七種情況進(jìn)行計(jì)算。

圖1 路基剛度不均勻狀況示意

3 模型動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 路基剛度不均勻部位對(duì)軌道動(dòng)位移的影響

圖2為軌道板下路基端部和角部不均勻部位剛度值為130 MPa時(shí)，軌道板兩端節(jié)點(diǎn)最大動(dòng)位移隨不均勻部位長(zhǎng)度的變化曲線。從圖中可以看出，不論是不均勻端節(jié)點(diǎn)389，還是均勻端節(jié)點(diǎn)394，其動(dòng)位移均隨著不均勻部位長(zhǎng)度的增大而增大，但端部不均勻情況的動(dòng)位移更大，增加速率也更快。因此，在后面分析時(shí)路基剛度不均勻均按端部不均勻考慮。

圖2 路基剛度不均勻部位長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)位移的影響

3.2 路基剛度不均勻狀態(tài)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)位移的影響

圖3為基床底層剛度為120 MPa時(shí)路基結(jié)構(gòu)各種不均勻性狀下軌道板端部節(jié)點(diǎn)最大動(dòng)位移曲線。從圖3(a)可以看出，節(jié)點(diǎn)389的動(dòng)位移隨剛度值的變化比較明顯，并且隨著不均勻區(qū)域面積的增加而增大。當(dāng)級(jí)配碎石層不均勻區(qū)域剛度＜150 MPa后，軌道板節(jié)點(diǎn)動(dòng)位移將超過(guò)1 mm，尤其是不均勻區(qū)域的剛度值為130 MPa和110 MPa時(shí)，變化更加明顯。當(dāng)不均勻區(qū)域剛度為130 MPa、面積達(dá)到5 m2，及不均勻區(qū)域剛度為110 MPa、面積達(dá)到3 m2時(shí)，軌道板節(jié)點(diǎn)動(dòng)位移將超過(guò)1 mm。從圖3(b)可以看出，只有當(dāng)不均勻區(qū)域的面積達(dá)到10 m2后，節(jié)點(diǎn)394的動(dòng)位移才有明顯的變化，不均勻區(qū)域的剛度值為130 MPa和110 MPa時(shí)，變化更加明顯。由此說(shuō)明，路基剛度不均勻不僅影響本區(qū)域上部軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移，而且對(duì)其他滿足要求的相鄰區(qū)域上軌道板的動(dòng)位移也會(huì)產(chǎn)生影響，且不均勻區(qū)域的剛度值越小，影響越明顯。

圖3 基床底層剛度為120 MPa時(shí)軌道板端部節(jié)點(diǎn)動(dòng)位移曲線

3.3 基床底層剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)位移的影響

為了分析基床底層剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力及動(dòng)位移的影響，本文還分析了當(dāng)基床底層剛度為100 MPa，80 MPa時(shí)各種不均勻性狀對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。分析結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 基床底層剛度為100 MPa時(shí)軌道板端部動(dòng)位移曲線

圖5 基床底層剛度為80 MPa時(shí)軌道板端部動(dòng)位移曲線

圖4為基床底層剛度為100 MPa時(shí)路基不均勻狀態(tài)下軌道板最大動(dòng)位移曲線。從圖4(a)可以看出，當(dāng)級(jí)配碎石層剛度為150 MPa以上時(shí)，不管不均勻區(qū)域的面積多大，對(duì)節(jié)點(diǎn)389動(dòng)位移的影響并不明顯。但當(dāng)級(jí)配碎石層剛度為130 MPa、不均勻區(qū)域的面積為10 m2，及級(jí)配碎石層剛度為110 MPa，不均勻區(qū)域的面積為5 m2后，軌道板動(dòng)位移就明顯增大，影響效果顯著增加。從圖4(b)可以看出，當(dāng)基床底層剛度為100 MPa時(shí)，隨著級(jí)配碎石層不均勻區(qū)域面積的增大和不均勻程度的增加，節(jié)點(diǎn)394的動(dòng)位移隨著級(jí)配碎石層剛度值的減小而有增加的趨勢(shì)。當(dāng)不均勻區(qū)域的面積較小時(shí)，動(dòng)位移增加不太明顯，但當(dāng)不均勻區(qū)域的面積擴(kuò)大到一定范圍后，動(dòng)位移增加較快。如當(dāng)級(jí)配碎石層剛度為130 MPa、不均勻部位面積為8 m2，以及級(jí)配碎石層剛度為110 MPa、不均勻部位面積只有5 m2時(shí)，軌道板動(dòng)位移超過(guò)1 mm。

圖5為基床底層的剛度為80 MPa時(shí)路基不均勻狀態(tài)下軌道板最大動(dòng)位移曲線。圖5(a)為節(jié)點(diǎn)389的最大動(dòng)位移曲線，從圖中可以看出，不管級(jí)配碎石層的剛度多大，軌道板節(jié)點(diǎn)的動(dòng)位移都＞1.5 mm。圖5(b)為節(jié)點(diǎn)394的最大動(dòng)位移曲線，從圖中可以看出，不管不均勻區(qū)域的面積有多大，軌道板動(dòng)位移均不能滿足要求，并且軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)位移反而會(huì)隨級(jí)配碎石層剛度值的增加而增大。由此可見(jiàn)，當(dāng)基床底層剛度不滿足要求時(shí)，僅僅依靠增加級(jí)配碎石層剛度值來(lái)達(dá)到合格的路基剛度值是不可能的。

3.4 路基剛度不均勻范圍大小對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力的影響

圖6為軌道板在不同基床底層剛度時(shí)各種路基不均勻情況下所承受的最大動(dòng)應(yīng)力。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，軌道板所受的動(dòng)應(yīng)力均隨著路基級(jí)配碎石層剛度的減小而增大，且變化趨勢(shì)一致。但圖6(c)的變化趨勢(shì)一致性方面不如圖6(a)和圖6(b)明顯，剛度超過(guò)正常值與小于正常值的變化規(guī)律也不一致，且動(dòng)應(yīng)力均比圖6(a)和圖6(b)中的動(dòng)應(yīng)力小。基床底層剛度小，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力有一定的緩沖作用，但動(dòng)位移不能滿足要求。

圖6 軌道板在各種路基狀態(tài)下的最大動(dòng)應(yīng)力

4 結(jié)論

通過(guò)建立無(wú)砟軌道—路基多層體系模型，分析了路基各種不均勻性狀對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論:

1)軌道板端部下路基不均勻引起軌道板承軌槽位置處的動(dòng)位移比角部不均勻情況稍大。

2)路基不均勻不僅影響其上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移，并且對(duì)其相鄰區(qū)域上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移也有影響。

3)路基不均勻區(qū)域的面積較小時(shí)，對(duì)軌道板動(dòng)位移影響不大，但當(dāng)級(jí)配碎石層不均勻區(qū)域剛度為130 MPa、面積達(dá)到 5 m2，及不均勻區(qū)域剛度為110 MPa、面積達(dá)到3 m2時(shí)，軌道板兩端節(jié)點(diǎn)動(dòng)位移將超過(guò)允許值。

4)基床底層剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響較大。當(dāng)基床底層剛度不滿足要求時(shí)，僅僅依靠增加級(jí)配碎石層剛度值來(lái)滿足要求是不可能的。

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