鐵路路基動力特性有限元分析

摘要:為了研究路基的動力響應(yīng)，利用有限元分析方法，對建立的軌道一路基三維有限元模型，進(jìn)行高速列車荷載作用下的動力分析。分析了在列車荷載作用下鐵路路基的動力響應(yīng)(速度)的分布規(guī)律，有利地促進(jìn)了高速鐵路路基的動態(tài)響應(yīng)研究。

關(guān)鍵詞:鐵路 路基 動力特性 速度時程 有限元

1 概述

路基是軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是以密實(shí)的土、石構(gòu)成的土工結(jié)構(gòu)物。鐵路線路沿線地質(zhì)狀況復(fù)雜，路基類型多樣。由于列車荷載的重復(fù)作用和長期受外界環(huán)境對路基的影響，就是同一類型的路基其性能也各不相同。土的多樣性、荷載的隨機(jī)性和重復(fù)性及性狀的多變性是與一般土工結(jié)構(gòu)物相比不同的其突出特點(diǎn)。

目前，學(xué)者們對鐵路路基動力響應(yīng)有限元問題進(jìn)行了大量的研究，雷曉燕[1]、梁波[2-3]等分別考慮路基動態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)和主要影響因素對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立了軌道-路基耦合模型，有利地促進(jìn)了高速鐵路路基的動態(tài)響應(yīng)研究。本文就是在分析高速列車波動引起的動態(tài)響應(yīng)，利用有限元軟件建立高速鐵路3D路基動力分析模型，在總結(jié)和吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國高速鐵路路基的動力特性，對影響路基動力特性的因素進(jìn)行研究。

2 有限元模型建立

對軌道-路基系統(tǒng)的三維動力性能進(jìn)行研究的關(guān)鍵就是建立一個合理的計算模型。首先根據(jù)路基斷面結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件，建立基于軌道-路基體系的三維有限元模型，確定模型的計算參數(shù)，選用合理的高速列車荷載作用下路基的三維模型進(jìn)行分析。為了考察節(jié)點(diǎn)沿深度的時程變化規(guī)律我們選取了有代表性的三個節(jié)點(diǎn)，編號分別為①（86235節(jié)點(diǎn)）、②（81703節(jié)點(diǎn)）、③（75188節(jié)點(diǎn)），如圖1所示。

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圖1 不同深度處三個代表性節(jié)點(diǎn)位置圖

3 路基速度時程分析

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（a）節(jié)點(diǎn)速度X軸方向時程曲線變化規(guī)律

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（b）節(jié)點(diǎn)速度Y軸方向時程曲線變化規(guī)律

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（c）節(jié)點(diǎn)速度Z軸方向時程曲線變化規(guī)律

圖2 列車荷載作用下不同深度節(jié)點(diǎn)的速度分析曲線圖

觀察列車荷載作用下不同深度節(jié)點(diǎn)的速度分析曲線圖（見圖2），我們可以明顯地看出，路基在列車振動荷載作用下節(jié)點(diǎn)速度X、Y、Z軸方向時程曲線，都是隨著深度的增加對其速度時程影響越來越小，速度時程曲線的波動幅度越來越小，但節(jié)點(diǎn)速度X、Y、Z軸三個方向時程曲線變化規(guī)律都是一致。

3.1 節(jié)點(diǎn)速度X軸方向時程曲線變化規(guī)律，近似正弦波的形式，先向負(fù)的方向波動，達(dá)到一個峰值，然后增加，直至達(dá)到0，繼續(xù)增加，達(dá)到一個正的峰值點(diǎn)，再下降到第二個負(fù)峰值時，曲線開始強(qiáng)烈的波動，然后增加再下降回到最初的0點(diǎn)，趨于平穩(wěn)。值得注意的是，在第一個正峰值點(diǎn)處于路基最上面位置的節(jié)點(diǎn)有小的波動情況。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規(guī)律基本一致。

3.2 節(jié)點(diǎn)速度Y軸方向時程曲線變化規(guī)律，先是向負(fù)方向變化，在負(fù)向產(chǎn)生兩個波動點(diǎn)，然后逐漸增大達(dá)到正值，同樣，在正方向也產(chǎn)生兩個波動點(diǎn)，再逐漸減小，減小到負(fù)值，有一個小負(fù)峰值點(diǎn)，但相對于前兩次的兩個負(fù)向波動點(diǎn)數(shù)值相對要小得多。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規(guī)律基本相同。

3.3 節(jié)點(diǎn)速度Z軸方向時程曲線變化規(guī)律，先是向負(fù)向增加，越來越大，直至達(dá)到峰值點(diǎn)，才不斷增加，達(dá)到正值后，仍然不斷增加，達(dá)到正向峰值點(diǎn)，然后下降，回到0點(diǎn)。值得注意的是，負(fù)向峰值的明顯大于正向峰值2-3倍。但隨著路基深度的增加，速度時程曲線波動越來越小，曲線變化規(guī)律基本相同。

4 結(jié)論

路基在列車振動荷載作用下節(jié)點(diǎn)速度X、Y、Z軸方向時程曲線，都是隨著深度的增加對其速度時程影響越來越小，速度時程曲線的波動幅度越來越小，但節(jié)點(diǎn)速度X、Y、Z軸三個方向時程曲線變化規(guī)律都是一致的。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷曉燕，陳水生.高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)空間動力分析[J].鐵道學(xué)報，2000，22(5):76-80.

[2]梁波.高速鐵路路基的動力特性及土工合成材料的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué)，1998.

[3]梁波，蔡英，朱東生.車-路垂向耦合系統(tǒng)的動力分析[J].鐵道學(xué)報，2000，22(1):65-71.

基金項目：

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目資助（項目編號：12511566）。

佳木斯市社會科學(xué)重點(diǎn)科研項目資助（項目編號：11 135）。

佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究項目資助（項目編號：L2011-032）。