路基凍脹對高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)形變的影響分析★

郭 毅 李秀玲 楊 行

(昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650217)

我國已建、在建和擬建的高速鐵路與客運專線1/3以上均位于深季節(jié)凍土地區(qū)[1,2]。該地區(qū)高速鐵路的路基在冬季會出現(xiàn)凍脹變形，使軌道結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞，鋼軌產(chǎn)生幾何不平順，迫使列車的運營速度降低。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生形變或者破壞時，列車高速通過將引起車軌系統(tǒng)的劇烈震動，進(jìn)一步加劇對軌道結(jié)構(gòu)的破壞，甚至威脅到行車的安全性。可見路基凍脹變形會對行車的安全性和舒適性產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，同時大大縮短高速鐵路軌道系統(tǒng)的服役性能和壽命。本文利用ANSYS軟件建立了CRTSI型板式無砟軌道模型，分析了單一諧波的路基凍脹變形對軌道結(jié)構(gòu)形變的影響，以期為凍區(qū)軌道的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 路基凍脹變形傳遞模型

1.1 CRTSI型板式無砟軌道

為加快計算，文中所建立的軌道模型為實際結(jié)構(gòu)的一半，采用對稱約束，并且不考慮凸臺的影響，見圖1。模型中，鋼軌使用梁單元Beam188模擬，扣件及膠墊使用彈簧單元Combin14模擬，其他結(jié)構(gòu)使用實體單元Solid185模擬。在底座板下表面和路基上表面采用Targe170和Conta174接觸單元模擬路基的散體特性。軌道縱向長度約為100 m，考慮底座板伸縮縫，每3塊軌道板設(shè)置一條伸縮縫，無砟軌道所使用的參數(shù)見文獻(xiàn)[3]。

1.2 路基凍脹變形模型

本文所采用的路基凍脹變形模型[4]如圖2所示。

該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，f0為凍脹變形的幅值；x為發(fā)生凍脹變形的位置；x0為凍脹變形的起始位置；l0為凍脹變形的波長；y為路基在凍脹變形范圍內(nèi)的凍脹變形值。本文僅研究路基凍脹變形發(fā)生后，對上部軌道結(jié)構(gòu)的影響，因此將上述的路基凍脹變形模型加載在路基上表面，作為計算模型的輸入。

2 路基凍脹對軌道結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)某高速鐵路的靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)顯示[3]，該線路在2011年—2012年、2012年—2013年均出現(xiàn)了一定數(shù)量的路基凍脹變形，變形的幅值主要集中在4 mm～16 mm，波長集中在6 m～20 m之間。故本文選取波長10 m、幅值10 mm作為算例進(jìn)行計算分析，并在此基礎(chǔ)上分別研究波長和幅值的變化對軌道結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 凍脹位置的影響

為探明路基凍脹發(fā)生的位置是否對軌道結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生不同的影響，文章將凍脹變形的波峰分別設(shè)置在底座板的中間位置和伸縮縫處，變形云圖如圖3所示。可見，底座板與路基表面之間均出現(xiàn)了一定程度的離縫。當(dāng)路基凍脹變形發(fā)生在底座板中間位置時，底座板與路基表面之間產(chǎn)生了對稱分布的2處離縫；當(dāng)發(fā)生在伸縮縫處時，路基表面與底座板之間產(chǎn)生了3處離縫。

圖4為無砟軌道上部各層結(jié)構(gòu)的變形情況。兩種情況下鋼軌、軌道板、CA砂漿與底座板的變形基本一致，變形曲線與路基凍脹變形曲線相似，但是由于底座板與路基表層之間出現(xiàn)了一定程度的離縫，使得上部結(jié)構(gòu)的波長較路基凍脹變形的波長有所增加。同時，各層結(jié)構(gòu)變形的最大值與凍脹幅值基本相同，只是凍脹發(fā)生在伸縮縫處時，上部結(jié)構(gòu)變形的最大值略大于凍脹幅值。

離縫量的計算結(jié)果如圖5所示，當(dāng)發(fā)生在底座板中間位置時，離縫量的最大值為4.83 mm；當(dāng)發(fā)生在伸縮縫處時，左右兩側(cè)的最大離縫量為1.87 mm，中心處的離縫量為1.01 mm。即凍脹變形發(fā)生在底座板中間位置時，所產(chǎn)生離縫的最大值是伸縮縫處的2.58倍。離縫產(chǎn)生后，列車高速通過離縫區(qū)時，將會產(chǎn)生巨大的沖擊和拍打，加速軌道結(jié)構(gòu)的損傷，甚至對行車安全造成威脅。因此，從減小離縫對軌道結(jié)構(gòu)和行車安全的影響的角度看，需對發(fā)生在底座板中間位置的凍脹變形給予重點關(guān)注。

2.2 凍脹波長的影響

本節(jié)以幅值為10 mm的凍脹變形為研究對象，計算凍脹波長在5 m～30 m范圍內(nèi)變化時，軌道上部結(jié)構(gòu)變形和層間離縫的變化規(guī)律。計算時，將凍脹變形的作用位置設(shè)置在底座板的中間位置。

圖6給出了鋼軌的幾何變形隨波長的變化規(guī)律。可見，無論路基凍脹的波長是否發(fā)生變化，只要幅值一定時，鋼軌幾何變形的最大值基本保持一致，其波長則隨著凍脹波長的增加而增加。底座板與路基表面的離縫狀況如圖7所示。當(dāng)凍脹波長的變化范圍為5 m～15 m時，離縫最大值由5 m時的8.29 mm線性減少至15 m時的1.57 mm。凍脹波長在15 m～20 m范圍內(nèi)變化時，離縫最大值隨波長增加而減小的變化速率較前一階段明顯降低。隨著波長進(jìn)一步增加至30 m時，兩者之間的離縫量接近為0，說明在該計算工況下，底座板與路基的變形基本一致，列車通過時不會因為層間離縫而產(chǎn)生沖擊和拍打。綜上，在凍脹幅值不變時，隨著凍脹波長的增加，軌道上部結(jié)構(gòu)的變形與凍脹變形趨于一致。因此在線路的養(yǎng)護(hù)維修過程中，對于凍脹幅值相當(dāng)?shù)穆范危枰攸c關(guān)注波長較短的凍脹變形。

2.3 凍脹幅值的影響

本節(jié)以波長為10 m的凍脹變形為研究對象，計算了凍脹幅值在5 mm～30 mm范圍內(nèi)變化時，軌道結(jié)構(gòu)變形和層間離縫的變化規(guī)律。計算時，仍然將凍脹變形的作用位置設(shè)置在底座板的中間位置。

圖8為10 m波長條件下，凍脹幅值變化時，鋼軌的變形情況。可以看出，在題設(shè)條件下，鋼軌變形的最大量基本上能夠與輸入的凍脹幅值保持一致，而鋼軌變形的波長在題設(shè)范圍內(nèi)的增大量相差不大，在5 mm～30 mm的范圍內(nèi)，鋼軌幾何變形的波長擴(kuò)大量大致相當(dāng)，大約為7 m，即左右兩邊離縫的長度和。圖9為層間離縫隨凍脹幅值的變化情況。在凍脹波長為10 m的條件下，離縫最大值由5 mm時的2.0 mm線性增大至30 mm時的16.78 mm，整個變化過程基本上呈線性增加的關(guān)系，說明凍脹幅值對層間離縫的影響較為明顯，在線路的養(yǎng)護(hù)維修中，對于凍脹波長相當(dāng)?shù)穆范危枰攸c關(guān)注幅值較大的凍脹變形。

3 結(jié)語

1)路基凍脹會使無砟軌道各層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的變形，變形曲線與凍脹曲線基本相似，同時，底座板與路基間會產(chǎn)生一定程度的離縫；2)當(dāng)路基凍脹變形的峰值作用在底座板中間位置時所產(chǎn)生的離縫量數(shù)倍于其作用于底座板伸縮縫處；3)在凍脹幅值一定時，底座板與路基間的層間離縫量會隨著凍脹波長的增加呈非線性減少，即幅值一定時，波長越長的凍脹變形對無砟軌道結(jié)構(gòu)的整體性破壞越小；4)在凍脹波長一定時，層間離縫的最大值會隨著凍脹幅值的增加呈線性增加，即波長一定時，幅值越大對軌道結(jié)構(gòu)的整體性破壞越大。