重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)動力分析

曹剛，馬云東

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重載鐵路以其極高的運(yùn)輸效率和可觀的利潤前景，備受世界矚目［1-5］.隨著列車重量和行車密度的增大，對重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)提出更高的要求;如何提高路基的承載能力和穩(wěn)定性，減少路基病害的發(fā)生，已成為重載鐵路發(fā)展中亟待解決的重要問題［6-9］.

通過分析比較重載鐵路路基基床的結(jié)構(gòu)形式及控制參數(shù)，利用有限元ANSYS軟件，對建立的軌道—路基系統(tǒng)三維有限元模型，進(jìn)行列車動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析，以列車車速80 km/h、加載時間1 s的路基段作為試算，分析不同基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的動力特性變化規(guī)律，更好地為研究重載鐵路路基的力學(xué)性能提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)分析.

1 建立軌道－路基系統(tǒng)三維有限元模型

1.1 計(jì)算參數(shù)

鋼軌 標(biāo)準(zhǔn)軌距1.435 m，重60 kg/m的無縫鋼軌，彈性模量為2.06e5 MPa，泊松比為0.3，密度7850 kg/m3.

扣件及軌下膠墊 彈條Ⅱ型扣件，垂直剛度1.2e8 N/m，阻尼系數(shù)8e4 N·s/m，厚度40 mm.

軌枕 2.6 m長Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，間距1760根/km，彈性模量3.5e4 MPa，泊松比為0.167，密度2 750 kg/m3，埋置厚度0.19 m.

道砟 碎石道砟，頂面寬度3.4 m，厚度0.3 m，邊坡坡度1∶1.75.彈性模量140 MPa，泊松比0.27，阻尼系數(shù)5.8e4 N·s/m，厚度0.3 m，密度2400 kg/m3.

基床 基床頂面寬度6.8 m，邊坡坡度1∶1.5;基床表層厚度0.9 m，底層厚度1.6 m，總厚度2.5 m.其控制參數(shù)分三組計(jì)算，詳見表1.

表1 三組基床控制參數(shù)

地基 非滲水土路堤，不考慮地基變形及地面坡率，視其為半空間無限大平面，采用全部約束.

動力荷載 執(zhí)行30 t軸重荷載標(biāo)準(zhǔn)，參照我國C80貨車荷載分布工況，并采用一個有周期特點(diǎn)的激振力函數(shù)來模擬列車動力荷載的取值.

1.2 網(wǎng)格劃分

建立軌道—路基系統(tǒng)三維有限元模型時，在保證仿真精度的前提下，對原結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行簡化，便于建模，減少計(jì)算誤差.對于模型網(wǎng)格的劃分，采用粗、中、細(xì)三種劃分模式，通過對結(jié)果進(jìn)行對比分析得知:模型網(wǎng)格劃分的越細(xì)越符合實(shí)際情況，但隨著計(jì)算次數(shù)的增加，迭代誤差也會加大.為了更好的模擬實(shí)際工況，最后得出網(wǎng)格細(xì)分模式劃分更符合實(shí)際.其網(wǎng)格劃分完后，軌道—路基系統(tǒng)三維模型圖如圖1.

圖1 軌道－路基系統(tǒng)三維模型

2 基床結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

基床結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析是指當(dāng)軌道承受重載列車高速行駛時的動力荷載，研究不同基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的動力性能響應(yīng)規(guī)律.

2.1 基床斷面動應(yīng)力響應(yīng)分析

基床斷面應(yīng)力的分布反映了基床結(jié)構(gòu)在承受軌道動力荷載作用下的累計(jì)應(yīng)力疊加情況，對研究基床層間應(yīng)力變化及路基整體強(qiáng)度有著重要價(jià)值.

軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重作用下，分別對基床結(jié)構(gòu)三組控制參數(shù)進(jìn)行動力加載，其基床斷面動應(yīng)力分布圖如圖2.

圖2 三組基床斷面動應(yīng)力分布圖

綜合上圖可以清晰地得知基床結(jié)構(gòu)在軌道動力荷載作用下的應(yīng)力累計(jì)疊加情況，軌道對應(yīng)位置基床斷面應(yīng)力較為集中，逐漸向基床兩側(cè)減小.

比較三組基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)下的基床斷面應(yīng)力分布圖，發(fā)現(xiàn)基床斷面最大動應(yīng)力值位于基床中心線處，依次為:第一組189.552 kPa、第二組190.455 kPa、第三組191.447 kPa，呈遞增關(guān)系.

2.2 基床斷面動位移響應(yīng)分析

基床斷面豎向動位移響應(yīng)反映了基床結(jié)構(gòu)在承受軌道動力荷載作用下的累計(jì)變形能力，關(guān)系到路基的整體剛度及基床的沉降變形幅度.

軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重作用下，分別對基床結(jié)構(gòu)三組控制參數(shù)進(jìn)行動力加載，其基床斷面豎向動位移分布圖如圖3.

圖3 三組基床斷面豎向動位移分布圖

綜合上圖可以清晰地得知基床結(jié)構(gòu)在軌道動力荷載作用下的豎向累計(jì)變形情況，軌道對應(yīng)位置基床斷面豎向動位移較為集中，沿軌道橫向距離向下擴(kuò)展，逐漸變小.

比較三組基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)下的基床斷面豎向動位移分布圖，發(fā)現(xiàn)基床斷面豎向動位移最大值位于基床中心線處，依次為:第一組2.594 mm、第二組2.334 mm、第三組2.081 mm，呈遞減關(guān)系.

2.3 基床豎向動位移最大點(diǎn)的加速度響應(yīng)分析

基床受到來自列車動力荷載的影響，其穩(wěn)固性對整個路基本體及軌道穩(wěn)定，都極為關(guān)鍵;而且路基病害中，以基床病害分布最廣、數(shù)量最大.基床豎向動位移最大點(diǎn)的加速度響應(yīng)分析能夠?yàn)檠芯炕矎椥宰冃芜^大導(dǎo)致其松散流動、翻漿冒泥、過量下沉、剪切破壞等重要因素提供有力數(shù)據(jù).

軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重作用下，分別對三種基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)進(jìn)行動力加載，其基床豎向動位移最大點(diǎn)的加速度時程曲線如圖4.

綜合圖4得到的基床豎向動位移最大點(diǎn)加速度時程曲線，有效的描繪了基床結(jié)構(gòu)在列車動力荷載作用下的振動幅度、變形能力.通過分析可知第一組、第二組的基床振動幅度較小，第三組的基床振動幅度較大;比較三組基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)下的加速度變化趨勢，加速度最大值發(fā)生在加載時間0.5 s處，其值依此為:第一組25.2 m/s2、第二組 26.525.2 m/s2、第三組 37.525.2 m/s2，呈遞增趨勢.另一方面，觀察圖中三條加速度時程曲線沿時間坐標(biāo)軸的振動趨勢可以得知，第一組、第二組的曲線振動趨勢較為強(qiáng)烈，第三組的曲線振動趨勢較為平緩.

圖4 三組基床豎向動位移最大點(diǎn)加速度時程曲線

3 結(jié)論

利用有限元軟件 ANSYS，對已建立的軌道—路基系統(tǒng)三維有限元模型，進(jìn)行了重載列車荷載作用下的基床結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，得出基床結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的變化規(guī)律，如下:

(1)隨著基床結(jié)構(gòu)彈性模量、密度的增大，基床結(jié)構(gòu)在軌道動力荷載作用下的應(yīng)力累計(jì)疊加更為強(qiáng)烈，軌道對應(yīng)位置基床斷面應(yīng)力較為集中，逐漸向基床兩側(cè)減小;

(2)隨著基床結(jié)構(gòu)彈性模量、密度的增大，基床結(jié)構(gòu)在軌道動力荷載作用下的豎向累計(jì)變形逐步減小，軌道對應(yīng)位置基床斷面豎向動位移較為集中，沿軌道橫向距離向下擴(kuò)展;

(3)比較基床豎向動位移最大點(diǎn)加速度時程曲線可知，隨著基床填料彈性模量、密度的增大，基床結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的振動幅度不斷增大，加速度最大值有所增加，但是振動趨勢逐漸平緩，基床抵抗變形能力減弱.

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