高速鐵路無砟軌道-路基的動力響應分析

摘要：基于崇禮線太崇段鐵路工程，建立路基地段CRTSI型板式無砟軌道有限元分析模型，研究了列車荷載下無砟軌道-路基的動力響應。重點分析列車運行速度、車輛軸重和路基彈性模量對動力響應的影響。研究表明，隨著列車速度的增大，豎向動動位移首先迅速增大，在時速200km/h處達到局部峰值，緊接著小幅降低，隨后繼續(xù)增大。隨著列車速度和車輛軸重的不斷增大，列車荷載引起軌道-路基結構的動力響應總體呈增長趨勢。對于軌道結構的動力響應：軌道板的動力響應均大于底座板的動力響應;對于路基部分的動力響應：基床表層的動力響應最大，基床底層的動力響應次之，路基本體的動力響應最小。適當提高路基的彈性模量，可以略微的降低軌道-路基系統(tǒng)的動力響應，從而有利于高速列車的平穩(wěn)運行和提升乘客乘坐的舒適度。

關鍵詞：高速鐵路;無砟軌道;動力響應;數(shù)值模擬

0" "引言

高速鐵路因其載客量大、速度快、節(jié)能減排等優(yōu)點，在各國都得到大力發(fā)展。而我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，帶動了高速鐵路的建設。為滿足人們交通出行的便利與快捷，高速鐵路的速度持續(xù)提升。與此同時，高速行駛的列車給軌道和路基帶來了更顯著的影響。因此，高速列車引起的軌道-路基系統(tǒng)動力響應問題已逐漸成為當前的研究熱點之一。

越來越多的科研工作者采用不同的研究方法，對該問題開展一系列的研究。陳建國等[1]以某鐵路工程為背景，利用有限元軟件研究了列車荷載引起的鐵路路基的動力響應，分析了不同列車速度對鐵路路基的動力響應的影響規(guī)律。董亮等[2-3]利用試驗方法，研究了高速列車運行引起的無砟軌道-路基的動力響應，并利用三維有限元軟件建立數(shù)值模型對試驗結果進行驗證?；诖耍到y(tǒng)地分析了軌道和路基參數(shù)對列車荷載引起路基的動位移、加速度和動動應力的影響規(guī)律。馮軍和等[4]分析了列車運行荷載在數(shù)值模擬軟件中模擬時出現(xiàn)的問題，引入頻響函數(shù)、傅里葉變換等算法，獲得了列車運行荷載兩種新的模擬方法。薛富春[5-6]利用有限元軟件，建立了列車-軌道-路基三維耦合模型，獲得了移動荷載引起的鐵路路基的動動應力和動動位移，并總結出動動應力和動動位移的空間分布

本文基于崇禮鐵路太崇段工程，建立路基地段CRTSI型板式無砟軌道有限元分析模型，研究了高速鐵路引起的無砟軌道-路基的動力響應。系統(tǒng)分析了列車運行速度、車輛軸重和路基彈性模量的影響。

1" "工程概況

崇禮鐵路太崇段軌道系統(tǒng)選擇CRTS I 型板式無砟軌道。無砟軌道分別由鋼軌、軌道板、CA砂漿層和底座板組成。路基部分由基床表層、基床底層、路基主體和地基層組成。

2" "三維有限元模型

2.1" "有限元模型

依據(jù)工程實際工況，建立軌道與路基三維模型，模型寬度為30m，縱向長度為10m，地基高度為6m。模型整體由軌道系統(tǒng)和路基兩個部分組成。模型中采用實體單位模擬軌道各個結構，并通過軟件內(nèi)置的tie連接模擬軌道各部分結構的接觸，用軟件內(nèi)置彈簧單元模擬扣件。

模型的邊界條件如下：模型底部為完全固定邊界，模型四周為水平向約束邊界，模型頂部為自由邊界。模型一共126399個單元，148218個節(jié)點。

2.2" "模型參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場資料，路基和地基采用彈性本構模型，材料參數(shù)如表1所示。軌道系統(tǒng)各部分結構本構采用線彈性模型，扣件剛度取50kN/mm，其余各部分結構的材料參數(shù)如表2所示。

3" "數(shù)值模擬結果及分析

3.1" "列車速度對系統(tǒng)影響

軌道和路基各部分的動力響應，隨列車運行速度的變化而變化（軌道動力響應不包括鋼軌）。其中隨速度變化的最大豎向動應力曲線如圖1所示，隨速度變化的豎向最大加速度曲線如圖2所示。車輛軸重取100kN，路基彈性模量取60MPa。

由圖1和圖2可以看出，對于軌道結構的動力響應：軌道板的響應均大于底座板的響應;對于路基部分的動力響應：基床表層的響應最大，基床底層的響應次之，路基本體的響應最小。這是因為列車荷載引起的波動從下之下逐漸衰減。

列車運行引起的軌道與路基系統(tǒng)的動力響應，主要表現(xiàn)列車高速運行狀態(tài)。具體如下：當列車以200km/h運行速度時，列車荷載引起的軌道板的豎向動應力為133.2kPa，豎向加速度為14.7m/s²。當列車速度提升至350km/h時，相應的軌道板的豎向動應力為178.7kPa，豎向加速度為15.6m/s²，較200km/h工況的結果增幅分為34%、6%。當列車以200km/h運行速度時，列車荷載引起的基床表層的豎向動應力為1.9kPa，豎向加速度為8.5m/s²。當列車速度提升至350km/h時，相應的基床表層的豎向動應力為2.1kPa，豎向加速度為12.4m/s²，較200km/h工況的結果增幅分為8%、47%。綜上所述，隨著列車速度的不斷提升，車體對軌道-路基結構的振動響應有顯著的影響。

3.2" "車輛軸重對系統(tǒng)影響

為研究車輛軸重對軌道和路基的影響，本節(jié)對比了4種不同的軸重工況（220kN、190kN、170kN和150kN）的動力響應。列車運行速度取200km/h，路基彈性模量取60MPa。軌道和路基各部分的動力響應，隨車輛軸重的變化而變化。最大豎向動應力曲線如圖3所示，最大豎向加速度曲線如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，列車運行引起軌道與路基各部分的動力響應，從上至下逐漸減弱，且動力響應隨著車輛軸重的增大逐漸增大。進一步觀察可知，隨著車輛載重的增大，列車荷載引起的各結構動力響應的差別愈大。

具體如下：當車輛軸重為150kN時，列車荷載引起的軌道板的豎向動應力為143.1kPa，豎向加速度為15.6m/s²。當車輛軸重增大至220kN時，相應的軌道板的豎向動應力為184.9kPa，豎向加速度為22.6m/s²，較200km/h工況的結果增幅分為30%、45%。當車輛軸重為150kN時，列車荷載引起的基床表層的豎向動應力為1.6kPa，豎向加速度為4.9m/s²。當車輛軸重增大至220kN時，相應的基床表層的豎向動應力為2.4kPa，豎向加速度為8.5m/s²，較200km/h工況的結果增幅分為51%、75%?？梢姡熊囕S重對軌道與路基系統(tǒng)有顯著的影響，在修建重載鐵路時，要考慮軌道和路基的穩(wěn)定性。

4" "結論

本文基于崇禮鐵路太崇段工程，建立路基地段CRTSI型板式無砟軌道有限元分析模型，研究了高速鐵路引起的無砟軌道-路基的動力響應。系統(tǒng)分析了列車運行速度、車輛軸重和路基彈性模量的影響。主要得到以下結論：

對于軌道結構的動力響應：軌道板的響應均大于底座板的響應;對于路基部分的動力響應：基床表層的響應最大，基床底層的響應次之，路基本體的響應最小。

隨著列車速度的增大，豎向動位移首先迅速增大，在時速200km/h處達到局部峰值，緊接著小幅降低，隨后繼續(xù)增大。隨著列車速度和車輛軸重的不斷增大，列車運行引起軌道-路基結構的動力響應總體呈增長趨勢。

參考文獻

[1] 陳建國，肖軍華，李前進，等.提速列車荷載作用下鐵路路基動力特性的研究[J].武漢：巖土力學，2009，7（30）：1944-1950.

[2] 董亮，趙成剛，蔡德鉤，等.高速鐵路無砟軌道-路基動力特性數(shù)值模擬和試驗研究[J].土木工程學報，2008，141（10）：81-86.

[3] 董亮，高速鐵路路基的動力響應分析方法[J].工程力學，2008，25（11）：231-240.

[4] 馮軍和，閆維明.列車隨機激振荷載的數(shù)值模擬[J].振動與沖擊，2008（2）：49-52+175.

[5] 薛富春.移動荷載作用下高速鐵路路基動動應力的空間分布[J].鐵道學報，2016，38（1）：86-91.

[6] 薛富春.移動荷載下高速鐵路軌道-路基的動動位移分布[J].地震工程學報，2019，41（5）：1105-1113.