路基沉降量和行車速度對整體道床受力性能的影響研究

王之魯

摘要：通過有限元軟件ANSYS建立了高速鐵路無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，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整體道床受力性能的影響。

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

中圖分類號： U21文獻標(biāo)志碼：A

0引言

高速鐵路列車運行速度逐漸提升使列車對整體道床結(jié)構(gòu)的動力響應(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受到影響[3-4]，當(dāng)列車通過該路段時，在路基沉降導(dǎo)致的軌道不平順與列車振動沖擊的激勵下，整體道床系統(tǒng)將發(fā)生空間耦合振動響應(yīng)，整體道床及列車的動力響應(yīng)將會受到顯著影響[5-7]。所以對于路基沉降量和行車速度對整體道床受力性能的影響研究極有研究價值。

秉承科學(xué)、實用、創(chuàng)新的精神，立足實踐，利用AN？ SYS建立整體道床有限元模型，展開一系列相關(guān)研究，探討分析路基沉降量與行車速度對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價值與工程實際意義，為我國的高速鐵路建設(shè)和列車安全運營提供有力支撐，積極推動我國高速鐵路建設(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而受到各界人員的青睞，加之其建模能力強、求解能力強、非線性分析能力強等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域，因此本論述選取ANSYS進行分析研究。

1.1模型幾何尺寸及其物理參數(shù)

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

1.2單元類型合理選取

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

1.3模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立雙塊式無砟軌道實體模型，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，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長幅度不同。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，且其增長幅度也越大。對于行車速度為300 km/h和350 km/h，當(dāng)沉降量超過10 mm/20 m時，鋼軌位移增幅相對于沉降量小于10 mm/20 m時要更大。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幅度有所放緩，尤其是當(dāng)行車速度為250 km/h與300 km/h時這一現(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應(yīng)當(dāng)嚴格把控路基沉降。

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，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長幅度不同。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，道床板位移增大較多，此后隨著沉降值的增大其增長幅度有所放緩，尤其是當(dāng)行車速度為250 km/h時這一現(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應(yīng)當(dāng)嚴格把控路基沉降。

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，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長幅度不同。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，且其增長幅度也越大。當(dāng)沉降量超過10 mm/20 m時，道床板應(yīng)力增幅相對于沉降量小于10 mm/20 m時要更大。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幅度有所增加，尤其是對于各行車速度這一現(xiàn)象更為明顯，這是因為當(dāng)路基剛發(fā)生沉降時，道床板則會隨路基沉降產(chǎn)生下?lián)?，但是由于沉降幅度較小，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，此時道床板應(yīng)力必然增大且其增長幅度也會更大。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應(yīng)當(dāng)嚴格把控路基沉降。

3結(jié)論

通過建立的有限元模型，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)過路基沉降區(qū)段時，相比于未發(fā)生路基沉降區(qū)段而言，整體道床各項力學(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，而鋼軌位移最大值和道床板應(yīng)力增幅越來越大。

（2）行車速度對于整體道床影響顯著，很明顯當(dāng)行車速度越來越快時，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，但是不同沉降量、不同行車速度下其增長幅度不同。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應(yīng)當(dāng)嚴格把控路基沉降。

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