重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

晏偉光

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京市 102600)

重載鐵路與既有普速及高速鐵路最大的區(qū)別在于列車軸重大，我國的大秦線和朔黃線等重載鐵路目前主要開行25t軸重列車，而國外重載鐵路列車軸重已經(jīng)普遍達到了30t左右，最高甚至達到了40t[1-2]。列車軸重的增加使軌道和軌下結(jié)構(gòu)承受更大的振動荷載，這也增加了隧道基底病害的發(fā)生幾率[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者對列車振動荷載下隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進行了大量研究[4-6]，得到隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性規(guī)律，但是針對重載鐵路隧道動力響應(yīng)特性的研究還比較少。隨著重載鐵路的快速發(fā)展，列車軸重的增加勢在必行，通過建立三維有限元計算模型，分析了重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性，對比不同列車軸重下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)變化規(guī)律。

1 計算模型

在結(jié)合大秦線、朔黃線重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，選用V級圍巖下重載鐵路雙線隧道斷面如圖1。動力計算采用大型有限元軟件ANSYS，建立重載鐵路隧道-圍巖三維耦合模型進行模擬分析。計算中，圍巖選用八節(jié)點實體單元模擬，材料特性符合彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)及填充層、軌道板等結(jié)構(gòu)也采用八節(jié)點實體單元來模擬，材料符合線彈性材料特性，圍巖及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)見表1。

動力模型計算范圍：水平方向計算寬度為以隧道中線為中心向左右兩側(cè)各取50m，共100m；豎直方向自隧道底部向下取50m為模型底部邊界，自隧道頂部向上取15m為模型頂部邊界，模型及網(wǎng)格劃分如圖2。

表1 圍巖及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

材料名稱重度γ(kN/m3)彈性模量E(GPa)泊松比μ粘聚力C(kPa)內(nèi)摩擦角φ(°)V級圍巖200.40.355025二次襯砌26.331.50.2填充層23280.2初期支護25300.2軌道板27`33.50.2

2 重載列車荷載

為了得到重載鐵路列車荷載的具體施加形式，選用我國首條重載鐵路大秦線專用的C80列車為研究對象，利用有限元軟件ANSYS建立了列車-軌道耦合有限元模型。C80列車軸重為25t，其示意圖如圖3。

列車-軌道耦合有限元模型中，車輛模型包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪軸及彈簧阻尼結(jié)構(gòu)，鋼軌用彈性簡支無限長梁來模擬，而軌下扣件、彈性墊層、水泥砂漿層等結(jié)構(gòu)則用多層彈簧阻尼系統(tǒng)來模擬。列車-軌道耦合有限元模型示意圖如圖4。

計算中模擬多節(jié)車廂以120km/h的速度連續(xù)通過鋼軌，并提取出軌枕支點處的反力時程曲線如圖5所示，圖中反力峰值出現(xiàn)時刻即為一個輪軸通過的時刻，而距離較近的四個峰值即為相鄰車廂兩轉(zhuǎn)向架通過時產(chǎn)生的反力，如此也可以得知，列車輪對間的疊加效應(yīng)主要集中在相鄰車廂的相鄰轉(zhuǎn)向架間。在進行隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算時，將此力作為重載列車振動荷載作用在隧道基底結(jié)構(gòu)上。

3 隧底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.1 仰拱結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

為了分析仰拱結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性，以25t軸重列車荷載工況為例，由于本文中建立的三維有限元模型沿隧道縱向是完全一致的，所以選擇受邊界條件影響較小的中間斷面作為分析斷面，選取仰拱中心及右線軌道下方仰拱處為特征分析點，其最大、最小主應(yīng)力時程曲線如圖6、圖7。

從圖6、圖7中可以看出：重載列車荷載作用下，隧道仰拱中心及軌下仰拱位置處拉、壓應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律基本相同，當(dāng)列車相鄰車廂轉(zhuǎn)向架到達斷面時，拉、壓應(yīng)力都迅速增大，而相鄰車廂轉(zhuǎn)向架離開后，拉、壓應(yīng)力又振蕩減?。谎龉爸行奶幚瓚?yīng)力峰值為1.103MPa，壓應(yīng)力峰值為-0.071MPa，而軌下仰拱處拉應(yīng)力峰值為1.047MPa，壓應(yīng)力峰值為-0.061MPa，均小于仰拱中心處；從應(yīng)力增量來看，仰拱中心位處拉應(yīng)力增加了142.7kPa，軌下仰拱處拉應(yīng)力增加了149kPa，比仰拱中心處要大，而仰拱中心處壓應(yīng)力增加了42.8kPa，大于軌下仰拱處的壓應(yīng)力增量39.5kPa，這說明軌下仰拱處承受了更大的拉動應(yīng)力荷載，對結(jié)構(gòu)受力很不利。同時也可以看到，仰拱結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力要遠大于壓應(yīng)力，可見受拉強度是控制隧道仰拱結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。

3.2 填充層動力響應(yīng)分析

大量研究表明，列車荷載作用下填充層結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，因此將填充層結(jié)構(gòu)作為一個整體來研究其動力響應(yīng)規(guī)律。圖8為t=0.3s時填充層最大、最小主應(yīng)力分布圖，圖9為t=0.3s時填充層最大、最小主應(yīng)力增量分布圖(沿隧道縱向中間斷面剖分)。

從圖8、圖9中可以看出：重載列車荷載作用下，填充層受力狀態(tài)比較復(fù)雜，總體來說，填充層下方的拉應(yīng)力比較大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在填充層與隧底仰拱中心連接位置，最大值為146.3kPa；而填充層兩側(cè)的壓應(yīng)力比較大，最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)在填充層兩側(cè)與仰拱連接位置，最大值為609.9kPa。填充層下方的拉動應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在與仰拱連接處，為113.0kPa，而壓動應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在填充層與隧底仰拱中心連接位置，為292.9kPa。綜上可以發(fā)現(xiàn)，填充層的受力狀態(tài)復(fù)雜，同時存在較大的拉動應(yīng)力及壓動應(yīng)力，這樣的反復(fù)振動荷載對填充層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很不利的影響。

4 不同列車軸重下隧底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)對比分析

4.1 仰拱結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)對比

為了分析軸重的增加對于重載鐵路仰拱結(jié)構(gòu)的影響，計算中保持隧道結(jié)構(gòu)型式、圍巖條件及支護參數(shù)不變，將重載列車軸重分別取為25t、27t、30t、33t、35t，對仰拱的動應(yīng)力響應(yīng)進行對比分析。不同列車軸重下重載鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量(即動應(yīng)力)見表2，仰拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量與軸重之間的變化關(guān)系如圖10。

表2 仰拱結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力增量(kPa)

由表2及圖10可以看出：每種列車軸重下，軌下仰拱處的拉動應(yīng)力要大于仰拱中心處，而壓動應(yīng)力則較小，這與前文所述相符；隨著軸重的增加，仰拱部位的拉動應(yīng)力及壓動應(yīng)力也在不斷增加，25t軸重時，仰拱中心拉動應(yīng)力為142.7kPa，壓動應(yīng)力為42.8kPa，當(dāng)軸重增加到35t時，仰拱中心處拉動應(yīng)力為201.1kPa，較25t軸重時增加了40.9%，壓動應(yīng)力為69.9 kPa，較25t軸重時增加了63.3%，說明列車軸重的增加對仰拱結(jié)構(gòu)受力影響顯著；從應(yīng)力增量與軸重的關(guān)系圖中也可以看到，隨著軸重的增加，動應(yīng)力的值不斷增長，且軸重越大，其增加的速度越快，27t軸重時，其拉動應(yīng)力較25t軸重時增加了9.6kPa，而35t軸重下拉動應(yīng)力較33t軸重時增加了14.9kPa，這說明仰拱結(jié)構(gòu)動應(yīng)力與列車軸重并不是線性增長的關(guān)系，列車軸重越大，動應(yīng)力的增長速率越大，將對結(jié)構(gòu)安全性造成越不利的影響。

4.2 填充層動力響應(yīng)對比

通過不同列車軸重下隧道動力響應(yīng)計算，得出不同列車軸重下重載鐵路隧道填充層最大應(yīng)力增量與軸重之間的變化關(guān)系如圖11。

由圖11可以看出：同一列車軸重下，填充層的壓動應(yīng)力要大于拉動應(yīng)力，這與前文所述相符；隨著軸重的增大，填充層拉、壓動應(yīng)力都在不斷增大，25t軸重時，其拉動應(yīng)力為113.0kPa，壓動應(yīng)力為292.9kPa，當(dāng)軸重增加到35t時，填充層拉動應(yīng)力為155.7kPa，較25t軸重時增加了37.8%，壓動應(yīng)力為407.2kPa，較25t軸重時增加了39.0%，說明列車軸重的增加對填充層受力影響也比較明顯，但其動應(yīng)力增長的幅度要小于仰拱結(jié)構(gòu)。從圖11中還可以看到，與仰拱結(jié)構(gòu)一樣，填充層動應(yīng)力增長的幅度隨著列車軸重的增大而逐漸增大，對承載能力較小的填充層來說是很不利的。

5 結(jié)論

(1)重載列車荷載作用下，隧道仰拱結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力遠大于壓應(yīng)力，說明仰拱結(jié)構(gòu)以受拉狀態(tài)為主，其破壞受結(jié)構(gòu)抗拉強度控制；仰拱中心處靜應(yīng)力比軌下仰拱處要大，但軌下仰拱處的拉動應(yīng)力更大，說明軌下仰拱處受列車振動荷載的影響更大。

(2)重載鐵路隧道填充層結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，最大拉應(yīng)力峰值及拉動應(yīng)力均出現(xiàn)在填充層與隧底仰拱中心連接位置，而最大壓應(yīng)力峰值及壓動應(yīng)力出現(xiàn)在填充層兩側(cè)與仰拱連接位置，填充層同時存在較大的拉動應(yīng)力及壓動應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很不利的影響。

(3)不同列車軸重下，隧底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)規(guī)律基本相同，隨著軸重的增大，仰拱及填充層的拉動應(yīng)力及壓動應(yīng)力有明顯的增長，相比而言，仰拱結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力增長更加顯著；且軸重越大，動應(yīng)力的增長速率越大，而不是呈線性增長趨勢，這說明重載列車軸重的增大將對隧底結(jié)構(gòu)的安全性造成更大的影響。