路基沉降量和行車速度對(duì)整體道床受力性能的影響研究

王之魯

摘要：通過(guò)有限元軟件ANSYS建立了高速鐵路無(wú)砟軌道整體道床有限元模型，分析了當(dāng)高速鐵路列車行駛速度分別為250 km/h、300 km/h、350 km/h及400 km/h與路基沉降量分別為0、5、10、15、20、25、30、35及40（單位mm/20 m）時(shí)，整體道床各受力性能的變化規(guī)律，探討了不同路基沉降量與不同行車速度對(duì)鋼軌位移、道床板位移以及道床板應(yīng)力等特性的影響，在此基礎(chǔ)上，深入研究了路基沉降量與行車速度對(duì)整體道床受力性能的影響。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；動(dòng)力響應(yīng)；整體道床；路基沉降；行車速度

中圖分類號(hào)： U21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

高速鐵路列車運(yùn)行速度逐漸提升使列車對(duì)整體道床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)也相應(yīng)增大[1-2]，高速鐵路路基作為承載列車荷載和整體道床荷載等上部結(jié)構(gòu)荷載的承重構(gòu)件，一旦發(fā)生沉降，整體道床的線型平順性將會(huì)受到影響[3-4]，當(dāng)列車通過(guò)該路段時(shí)，在路基沉降導(dǎo)致的軌道不平順與列車振動(dòng)沖擊的激勵(lì)下，整體道床系統(tǒng)將發(fā)生空間耦合振動(dòng)響應(yīng)，整體道床及列車的動(dòng)力響應(yīng)將會(huì)受到顯著影響[5-7]。所以對(duì)于路基沉降量和行車速度對(duì)整體道床受力性能的影響研究極有研究?jī)r(jià)值。

秉承科學(xué)、實(shí)用、創(chuàng)新的精神，立足實(shí)踐，利用AN？ SYS建立整體道床有限元模型，展開(kāi)一系列相關(guān)研究，探討分析路基沉降量與行車速度對(duì)整體道床受力性能的影響，這一系列研究成果具有重要的理論研究?jī)r(jià)值與工程實(shí)際意義，為我國(guó)的高速鐵路建設(shè)和列車安全運(yùn)營(yíng)提供有力支撐，積極推動(dòng)我國(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展。

1有限元模型建立

有限元法因其易于求解與高精度等特點(diǎn)而受到各界人員的青睞，加之其建模能力強(qiáng)、求解能力強(qiáng)、非線性分析能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域，因此本論述選取ANSYS進(jìn)行分析研究。

1.1模型幾何尺寸及其物理參數(shù)

結(jié)合實(shí)際工程，整體道床有限元模型幾何尺寸及材料參數(shù)見(jiàn)表1所列。

1.2單元類型合理選取

鋼軌采用Beam188單元進(jìn)行模擬；扣件采用Com？ bin14單元來(lái)模擬；軌枕、道床板、支撐層與路基采用Solid65，通過(guò)設(shè)定不同的特性分別進(jìn)行模擬；考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移作用，利用分離式方法進(jìn)行建模，鋼筋采用Link8進(jìn)行模擬[8-9]。

1.3模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立雙塊式無(wú)砟軌道實(shí)體模型，自上而下依次由鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層和路基等組成，模型如圖1、圖2所示。

2不同沉降量和不同運(yùn)行速度下整體道床的力學(xué)性能分析研究

2.1鋼軌位移分析研究

提取不同沉降量與不同行車速度下的鋼軌位移（單位：mm）做繪圖處理，如圖3所示。

根據(jù)圖3可知：隨著沉降量和行車速度的增加，鋼軌位移也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長(zhǎng)幅度不同。在相同的沉降量下，行車速度越大，鋼軌位移則越大，且其增長(zhǎng)幅度也越大；在相同的行車速度下，沉降值越大，鋼軌位移則越大，且其增長(zhǎng)幅度也越大。對(duì)于行車速度為300 km/h和350 km/h，當(dāng)沉降量超過(guò)10 mm/20 m時(shí)，鋼軌位移增幅相對(duì)于沉降量小于10 mm/20 m時(shí)要更大。四種行車速度下，沉降量為10 mm/20 m與15 mm/20 m相比較，鋼軌位移增大較多，此后隨著沉降值的增大其增長(zhǎng)幅度有所放緩，尤其是當(dāng)行車速度為250 km/h與300 km/h時(shí)這一現(xiàn)象更為明顯，但是隨著行車速度的提高，鋼軌位移的增幅逐漸增大，這一現(xiàn)象逐漸被覆蓋，所以從鋼軌位移的角度出發(fā)，在高速鐵路提速升速的同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控路基沉降。

2.2道床板位移分析研究

提取不同沉降量與不同行車速度下的道床板位移（單位：mm）做繪圖處理，如圖4所示。

根據(jù)圖4可知：隨著沉降量和行車速度的增加，道床板位移也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長(zhǎng)幅度不同。在相同的沉降量下，行車速度越大，道床板位移則越大，且其增長(zhǎng)幅度也越大；在相同的行車速度下，沉降值越大，道床板位移則越大。四種行車速度下，沉降量為5 mm/20 m、10 mm/ 20 m與15 mm/20 m時(shí)，道床板位移增大較多，此后隨著沉降值的增大其增長(zhǎng)幅度有所放緩，尤其是當(dāng)行車速度為250 km/h時(shí)這一現(xiàn)象更為明顯，但是隨著行車速度的提高，道床板位移的增幅逐漸增大，這一現(xiàn)象逐漸被覆蓋，所以從道床板位移的角度出發(fā)，在高速鐵路提速升速的同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控路基沉降。

2.3道床板應(yīng)力分析研究

提取不同沉降量與不同行車速度下的道床板應(yīng)力（單位：MPa）做繪圖處理，如圖5所示。

根據(jù)圖5可知：隨著沉降量和行車速度的增加，道床板應(yīng)力也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長(zhǎng)幅度不同。在相同的沉降量下，行車速度越大，道床板應(yīng)力則越大，且其增長(zhǎng)幅度也越大；在相同的行車速度下，沉降值越大，道床板應(yīng)力則越大，且其增長(zhǎng)幅度也越大。當(dāng)沉降量超過(guò)10 mm/20 m時(shí)，道床板應(yīng)力增幅相對(duì)于沉降量小于10 mm/20 m時(shí)要更大。四種行車速度下，沉降量為10 mm/20 m與15 mm/20 m相比較，道床板應(yīng)力增大較小，此后隨著沉降值的增大其增長(zhǎng)幅度有所增加，尤其是對(duì)于各行車速度這一現(xiàn)象更為明顯，這是因?yàn)楫?dāng)路基剛發(fā)生沉降時(shí)，道床板則會(huì)隨路基沉降產(chǎn)生下?lián)希怯捎诔两捣容^小，支撐層在很大程度上還是支撐著道床板，因此道床板應(yīng)力增加較為緩慢，但是隨著路基沉降的繼續(xù)增大，道床板與支撐層之間產(chǎn)生了“脫空”較多，此時(shí)道床板應(yīng)力必然增大且其增長(zhǎng)幅度也會(huì)更大。所以從道床板應(yīng)力的角度出發(fā)，在高速鐵路提速升速的同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控路基沉降。

3結(jié)論

通過(guò)建立的有限元模型，研究了不同路基沉降量和不同行車速度對(duì)整體道床受力性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)列車經(jīng)過(guò)路基沉降區(qū)段時(shí)，相比于未發(fā)生路基沉降區(qū)段而言，整體道床各項(xiàng)力學(xué)性能均有明顯的惡化，而且隨著路基沉降量的增大，惡化情況更為嚴(yán)重；在相同行車速度下，隨著路基沉降的惡化，車體垂向加速度和道床板位移近似于線性增長(zhǎng)，而鋼軌位移最大值和道床板應(yīng)力增幅越來(lái)越大。

（2）行車速度對(duì)于整體道床影響顯著，很明顯當(dāng)行車速度越來(lái)越快時(shí)，行車速度越大，鋼軌位移、道床板位移以及道床板應(yīng)力變化幅度也越大。

（3）隨著沉降量和行車速度的增加，無(wú)砟軌道整體道床車體垂向加速度、鋼軌位移、道床板位移以及道床板應(yīng)力等特性也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長(zhǎng)幅度不同。從整體道床車體垂向加速度、鋼軌位移、道床板位移以及道床板應(yīng)力等特性的角度出發(fā)，在高速鐵路提速升速的同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控路基沉降。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙立寧，蔡小培，曲村.地面沉降對(duì)路基上單元板式無(wú)砟軌道平順性的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（10）：15-18.

[2]虞先溢.高速鐵路路基沉降變形分析方法與評(píng)估實(shí)踐[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[3]何春燕，陳兆瑋，翟婉明.高速鐵路路橋過(guò)渡段沉降與鋼軌變形的映射關(guān)系及動(dòng)力學(xué)應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2018，48（8）：881-890.

[4]郭宇，高建敏，孫宇，等.板式無(wú)砟軌道軌面變形與路基沉降的映射關(guān)系[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，52（6）：1139-1147，1215.

[5]王偉，張亞輝，歐陽(yáng)華江.考慮軌道不平順隨機(jī)性的車軌耦合系統(tǒng)動(dòng)力可靠度分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，59（2）：5-11.

[6]徐磊，翟婉明.車輪踏面磨耗及軌道不平順聯(lián)合作用下的車輛-軌道系統(tǒng)隨機(jī)分析模型[J].鐵道學(xué)報(bào)，2020，42（2）：79-85.

[7]郭宇，高建敏，孫宇，等.路基沉降與雙塊式無(wú)砟軌道軌面幾何變形的映射關(guān)系[J].鐵道學(xué)報(bào)，2016，38（9）：92-100.

[8]向俊，林士財(cái)，余翠英，等.路基沉降下無(wú)砟軌道受力與變形傳遞規(guī)律及其影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2019，19（2）：69-81.

[9]張小會(huì)，周順華，宮全美，等.路基沉降對(duì)車車輛和軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（8）：1187-1193，1253.