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(rùn)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(duì)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(wèn)題［6-9］.

通過(guò)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(duì)建立的軌道—路基系統(tǒng)三維有限元模型，進(jìn)行列車動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析，以列車車速80 km/h、加載時(shí)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(dòng)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(wú)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(zhǎng)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(jiàn)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(wú)限大平面，采用全部約束.

動(dòng)力荷載 執(zhí)行30 t軸重荷載標(biāo)準(zhǔn)，參照我國(guó)C80貨車荷載分布工況，并采用一個(gè)有周期特點(diǎn)的激振力函數(shù)來(lái)模擬列車動(dòng)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(shí)，在保證仿真精度的前提下，對(duì)原結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于建模，減少計(jì)算誤差.對(duì)于模型網(wǎng)格的劃分，采用粗、中、細(xì)三種劃分模式，通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(huì)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(dòng)力響應(yīng)分析

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

2.1 基床斷面動(dòng)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(dòng)力荷載作用下的累計(jì)應(yīng)力疊加情況，對(duì)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(duì)基床結(jié)構(gòu)三組控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力加載，其基床斷面動(dòng)應(yīng)力分布圖如圖2.

圖2 三組基床斷面動(dòng)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(dòng)力荷載作用下的應(yīng)力累計(jì)疊加情況，軌道對(duì)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(dòng)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(dòng)位移響應(yīng)分析

基床斷面豎向動(dòng)位移響應(yīng)反映了基床結(jié)構(gòu)在承受軌道動(dòng)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(duì)基床結(jié)構(gòu)三組控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力加載，其基床斷面豎向動(dòng)位移分布圖如圖3.

圖3 三組基床斷面豎向動(dòng)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(dòng)力荷載作用下的豎向累計(jì)變形情況，軌道對(duì)應(yīng)位置基床斷面豎向動(dòng)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(dòng)位移分布圖，發(fā)現(xiàn)基床斷面豎向動(dòng)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(dòng)位移最大點(diǎn)的加速度響應(yīng)分析

基床受到來(lái)自列車動(dòng)力荷載的影響，其穩(wěn)固性對(duì)整個(gè)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(dòng)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^(guò)大導(dǎo)致其松散流動(dòng)、翻漿冒泥、過(guò)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(duì)三種基床結(jié)構(gòu)控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力加載，其基床豎向動(dòng)位移最大點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線如圖4.

綜合圖4得到的基床豎向動(dòng)位移最大點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，有效的描繪了基床結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)力荷載作用下的振動(dòng)幅度、變形能力.通過(guò)分析可知第一組、第二組的基床振動(dòng)幅度較小，第三組的基床振動(dòng)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(shì)，加速度最大值發(fā)生在加載時(shí)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(shì).另一方面，觀察圖中三條加速度時(shí)程曲線沿時(shí)間坐標(biāo)軸的振動(dòng)趨勢(shì)可以得知，第一組、第二組的曲線振動(dòng)趨勢(shì)較為強(qiáng)烈，第三組的曲線振動(dòng)趨勢(shì)較為平緩.

圖4 三組基床豎向動(dòng)位移最大點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

3 結(jié)論

利用有限元軟件 ANSYS，對(duì)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(dòng)力響應(yīng)分析，得出基床結(jié)構(gòu)在動(dòng)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(dòng)力荷載作用下的應(yīng)力累計(jì)疊加更為強(qiáng)烈，軌道對(duì)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(dòng)力荷載作用下的豎向累計(jì)變形逐步減小，軌道對(duì)應(yīng)位置基床斷面豎向動(dòng)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(dòng)位移最大點(diǎn)加速度時(shí)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(dòng)力荷載作用下的振動(dòng)幅度不斷增大，加速度最大值有所增加，但是振動(dòng)趨勢(shì)逐漸平緩，基床抵抗變形能力減弱.

［1］錢立新.世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展［D］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2003.

［2］常衛(wèi)華.30噸軸重重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6(1):19-24.

［3］葉陽(yáng)升，周鏡.鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討［D］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2004.

［4］劉放民，薄長(zhǎng)順.朔黃鐵路重載路基基床加固技術(shù)研究［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001:45-49.

［5］張千里.高速鐵路路基基床結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)方法［D］.北京:鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2010.

［6］韓自力.不同基床表層結(jié)構(gòu)及路基軌道動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究［D］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2003.

［7］KUANG-HAN CHU.Track foundation stresses under vertical loading［J］.Rail Internation，1997，7(1):82-86.

［8］JENKINS H.The effect of track and vehicle parameters on wheel/Rail vertical dynamic forces［J］.Railway Engineering Journal，1974，3(1):22-26.

［9］CLARK R A，DEAN P A.An investigation into the dynamic effects of Railway vehicle running on corrugated Rail［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，1982，24(2):76-79.