350 km/h高速鐵路路橋過渡段動(dòng)力響應(yīng)分析

陳 琪，楊長(zhǎng)衛(wèi)

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

高速鐵路設(shè)計(jì)中線路的平順性是保證高速列車安全、可靠、舒適運(yùn)行的前提。在整個(gè)線路中，路橋過渡段對(duì)整個(gè)線路的平順性具有顯著影響，成為影響整個(gè)線路平順性的主控因素之一。當(dāng)高速列車通過該區(qū)段時(shí)，由于橋臺(tái)和路基兩部分存在較大的剛度差，造成該處出現(xiàn)較大的工后沉降差，致使軌面在此處出現(xiàn)彎折現(xiàn)象，破壞了軌道的平順性，加速了線路狀態(tài)的惡化，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，影響列車的舒適度，甚至?xí)斐闪熊囀Х€(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。因此，有必要開展高速列車荷載作用下路橋過渡段部分動(dòng)力響應(yīng)的研究。

為了更加詳細(xì)地揭示列車荷載作用下高速鐵路路橋過渡段的動(dòng)力響應(yīng)，本文選取典型工況點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用有限元軟件，建立三維數(shù)值分析模型，施加350 km/h的高速列車荷載，分析了路橋過渡段的動(dòng)力響應(yīng)。

1 數(shù)值分析

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS/GTS，依據(jù)《京滬線高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，以京滬客運(yùn)專線某一工況點(diǎn)為原型，建立倒梯形路橋過渡段的數(shù)值模型。過渡段的幾何尺寸如下:基床表層厚0.6 m，基床底層厚1.9 m，路堤填土厚6 m，橋臺(tái)長(zhǎng)27 m，軌枕采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，軌距1 435mm。過渡段采用正梯形設(shè)置，梯形上邊長(zhǎng)6 m，斜邊坡比為1∶2，填筑材料為摻一定量水泥的級(jí)配碎石。MIDAS/GTS存在實(shí)體和構(gòu)件兩種建模方式，為了盡可能真實(shí)模擬路橋過渡段各個(gè)部分的力學(xué)性能，本文采用實(shí)體建模。橋臺(tái)與碎石土、軌道板與基床表層之間通過設(shè)置接觸單元來模擬其相互作用。為了研究的方便，本文對(duì)該工況點(diǎn)做了相關(guān)簡(jiǎn)化，具體數(shù)值模型見圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型軸視圖

1.2 參數(shù)選取

為了模擬列車荷載，本文采用ADAMS/Rail進(jìn)行仿真計(jì)算，得出列車輪載的時(shí)程曲線，見圖2。

圖2 列車輪載的時(shí)程曲線

基床表層、基床底層、路基本體的力學(xué)特性參數(shù)主要通過開展一系列土工試驗(yàn)測(cè)得，地基的力學(xué)特性參數(shù)主要通過前期的地質(zhì)勘察獲得。橋臺(tái)部分由于材料性質(zhì)較好，預(yù)計(jì)變形很小，因此采用線彈性本構(gòu)模型;過渡段碎石、路基土、基床表層、基床底層均采用Mohr-Coulomb模型，土體的具體力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 土體物理特性參數(shù)

本文通過在模型兩側(cè)和底部設(shè)置黏彈性邊界來消除邊界反射的振動(dòng)對(duì)過渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響。該邊界所需計(jì)算參數(shù)的求解依據(jù)以下公式:

式中，Av，Ah為各個(gè)地基的豎向和水平方向的截面面積，E0為地基的彈性模量，α取1.0，邊界特性參數(shù)見表2。

表2 邊界特性參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)所涉及的鋼軌表面豎向轉(zhuǎn)角是指發(fā)生于鋼軌所在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。

為了研究列車荷載作用下路橋過渡段動(dòng)力響應(yīng)沿其縱向的分布情況，本文測(cè)點(diǎn)分布如下:首先在橋臺(tái)端部設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，臺(tái)后0.75m，1.5m處各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，之后再設(shè)置17個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距均為1.5m，測(cè)點(diǎn)全部位于基床表層和軌面。

為了研究列車荷載作用下路橋過渡段動(dòng)力響應(yīng)沿其橫向的分布情況，本文測(cè)點(diǎn)分布如下:首先在橋臺(tái)后10.5m處沿軌枕中心線兩側(cè)0.5m，0.75m，0.75m，0.5m分別設(shè)置動(dòng)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn);在橋臺(tái)后7.5m處沿基床表層中心線布置沉降觀測(cè)點(diǎn)。

由圖3可知，過渡段的最大沉降量6.436 mm發(fā)生于橋臺(tái)后約7.5m，臺(tái)后10m以外沉降基本上穩(wěn)定于6.0mm左右。研究還表明，軌面的最大彎折角2.67‰發(fā)生于橋臺(tái)后約1.5m處。在橋臺(tái)后10m以后的范圍內(nèi)，軌面轉(zhuǎn)角基本上穩(wěn)定在約0.3‰以下。路橋過渡段出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于路橋連接處存在較大的剛度差，造成列車下橋時(shí)車輪會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的附加沖擊作用，從而加大了該處的豎向變形。

圖3 軌面、基床表層動(dòng)位移沿縱向分布曲線

基床表層、基床底層、路基本體、地基的豎向動(dòng)應(yīng)力以及動(dòng)位移在橫向分布基本上一致，均呈“馬鞍型”分布，最大值發(fā)生在鋼軌與軌道板接觸處，圖4為基床表層豎向沉降沿橫向分布曲線。

圖4 豎向沉降沿橫向分布曲線

3 結(jié)語

本節(jié)通過建立路橋過渡段3D模型，對(duì)路橋過渡段的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論:

1)路橋連接處需要采取特殊的加固措施，降低沉降量，減小軌面轉(zhuǎn)角，從而保證線路全范圍的平順性。

2)基床表層、基床底層、路基本體、地基的豎向動(dòng)應(yīng)力在橫向分布基本上一致，均呈“馬鞍型”分布，最大值發(fā)生在鋼軌與軌道板接觸處，中心線處最小。

3)鋼軌下和軌枕端部?jī)蓚€(gè)位置的動(dòng)應(yīng)力較大，約為軌道板中心處的4倍，軌道板處的動(dòng)應(yīng)力沿其橫向分布極不均勻。這種不均勻?qū)⒁疖壍澜Y(jié)構(gòu)不均勻變形，甚至造成軌道板開裂，影響鐵路交通的正常運(yùn)行。在鐵路路基設(shè)計(jì)中，可考慮優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)形式，以改善路基面動(dòng)應(yīng)力分布不均勻狀況。

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