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        余弦型路基沉降對(duì)縱連板式無砟軌道變形與層間接觸性狀的影響

        2023-05-08 10:39:42馮玉林何彬彬周旺保麻宏強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:層間波長幅值

        馮玉林,侯 宇,何彬彬,周旺保,麻宏強(qiáng)

        (1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013;2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075)

        縱連板式無砟軌道連鎖件在提高軌道系統(tǒng)整體性的同時(shí),又令其對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形尤為敏感,一旦基礎(chǔ)發(fā)生變形,線路將不可避免地發(fā)生軌道不平順[1]。當(dāng)軌道-路基間產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形時(shí),又會(huì)使兩者之間產(chǎn)生離縫甚至大范圍脫空,在列車反復(fù)荷載下,大范圍脫空會(huì)加重軌道系統(tǒng)的疲勞損傷,影響行車穩(wěn)定性,甚至安全性。

        目前,結(jié)合理論模型的角度,很多學(xué)者已經(jīng)開展了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)變形影響的研究。陳兆瑋等[2-4]以簡支梁為研究對(duì)象,分別建立了單元板式、縱連板式無砟軌道系統(tǒng)在橋墩沉降作用下的映射解析模型。Gou 等[5-6]建立了考慮層間接觸非線性和聯(lián)結(jié)失效長時(shí)影響的橋梁-軌道變形映射關(guān)系,分析了橋墩沉降、梁體錯(cuò)臺(tái)及梁端轉(zhuǎn)角對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)變形的影響。Feng 等[7-9]研究了高鐵連續(xù)梁豎向、橫向變形對(duì)軌面幾何形態(tài)變化及層間協(xié)調(diào)關(guān)系的影響。Lai 等[10-13]推導(dǎo)了高速鐵路CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型和CRTS Ⅲ型板式無砟軌道橋梁變形與軌道幾何形狀之間的解析關(guān)系。郭宇等[14-15]提出了地基不均勻沉降與無砟軌道軌面變形間的映射關(guān)系,研究了地基沉降幅值和沉降波長對(duì)軌面變形的影響。趙國堂等[16-17]研究了路基凍脹下無砟軌道的變形特征,并提出了相應(yīng)的確定路基凍脹管理標(biāo)準(zhǔn)的方法。辛莉峰等[18-19]建立三維車-軌-橋耦合計(jì)算模型,研究了軌道不平順對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響?,F(xiàn)有的研究多聚焦于基礎(chǔ)變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力、變形趨勢(shì)的預(yù)測(cè),對(duì)路基不均勻沉降引起的軌道-路基間非連續(xù)性聯(lián)結(jié)狀態(tài)的研究較少,而關(guān)于兩者之間層間接觸力與接觸狀態(tài)的聯(lián)系更是鮮有報(bào)道。

        本文結(jié)合國內(nèi)高速鐵路土質(zhì)路基上的縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于前期開發(fā)的高速鐵路基礎(chǔ)變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)變形與層間接觸性狀演變的通用表征模型,建立軌道-路基解析模型,研究路基不均勻沉降波長和幅值對(duì)軌道各層結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律,并進(jìn)一步揭示軌道-路基系統(tǒng)層間接觸力與接觸性狀的聯(lián)系與演變規(guī)律。

        1 余弦型路基沉降下軌道各層結(jié)構(gòu)變形與層間接觸性狀演變的表征模型

        目前,常見的路基不均勻沉降型式有折角型、錯(cuò)臺(tái)型、路基凍脹及余弦型等路基不均勻沉降模式,均可以采用函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行模擬。本文選取余弦型路基不均勻沉降模式,見圖1。

        如圖1 所示,當(dāng)路基發(fā)生余弦型沉降后,縱連板式無砟軌道系統(tǒng)因自重而產(chǎn)生跟隨性豎向變形,引起軌面幾何不平順。同時(shí),因?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)具有極高的剛度和整體性,使軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)之間出現(xiàn)變形差異,從而導(dǎo)致兩者之間在路基沉降區(qū)域一定范圍內(nèi)產(chǎn)生脫空區(qū)域。

        圖1 余弦型路基沉降描述曲線及其誘發(fā)縱連板式無砟軌道-路基脫空示意圖Fig.1 Diagram of description curve of cosine subgrade settlement and its induced longitudinally connected ballastless track-subgrade void

        通過上述分析,基于前期開發(fā)的高鐵基礎(chǔ)變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)變形與層間接觸性狀演變的通用表征模型[20],引入余弦型路基不均勻沉降描述函數(shù),可以表示為

        式中:ybi為第i 個(gè)接觸彈簧位置處的路基位移;S 為不均勻沉降幅值;L 為不均勻沉降波長;lbi為路基上第i 個(gè)接觸彈簧位置。

        高鐵基礎(chǔ)變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)變形與層間接觸性狀演變的通用表征模型如式所示

        式中:Vr,Vs,Vp分別代表鋼軌、軌道板和底座板的變形矩陣;A,B,C1,C2,D,H1,H2,I 分別為軌道各層結(jié)構(gòu)位移的影響矩陣;Qr,Qs,Qp分別為軌道各層結(jié)構(gòu)的自重矩陣;F,P,N分別為軌道各層間彈簧力矩陣,可以表示為

        式中:kc,kca,kp分別為扣件彈簧,砂漿彈簧及接觸彈簧剛度矩陣;Vb為路基不均勻沉降位移矩陣。

        聯(lián)立求解式(2)式(3),軌道各層結(jié)構(gòu)變形可以表示為式

        式中:E 為單位矩陣。

        此外,由于軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)之間存在接觸非線性,無法直接求解。引入Heaviside 函數(shù)形成無拉力溫克勒梁,用于描述軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)之間的非線性接觸關(guān)系,如

        式中:T 為接觸狀態(tài)矩陣;yup,ydo分別為軌道系統(tǒng)下層與路基系統(tǒng)上層結(jié)構(gòu)的撓度。利用漸進(jìn)性接近法求解[19]。

        當(dāng)路基不均勻沉降波長為10 m,沉降幅值為5 mm 時(shí),將解析模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[20]及有限元模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。如圖2 所示,解析模型計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)及有限元模型的計(jì)算結(jié)果吻合良好。說明引入路基不均勻沉降描述函數(shù)后,通用表征模型依然適用。

        圖2 模型驗(yàn)證Fig.2 Model verification

        2 余弦型路基沉降對(duì)軌道各層結(jié)構(gòu)變形的影響

        2.1 沉降幅值對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

        當(dāng)路基不均勻沉降波長為10 m,沉降幅值從5 mm 到40 mm 等量增加時(shí),不同沉降幅值下的軌道結(jié)構(gòu)幾何變形特征如圖3 所示。

        由圖3 可知,在路基不均勻沉降區(qū)域內(nèi),鋼軌隨路基發(fā)生跟隨性向下變形,幾何變形型式同路基不均勻沉降相同,表現(xiàn)為余弦型。在沉降區(qū)域外,鋼軌在沉降區(qū)域邊緣受到向上支撐力,發(fā)生上拱變形,使鋼軌變形波長向兩側(cè)擴(kuò)散,擴(kuò)散速度隨路基沉降幅值的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的非線性變化趨勢(shì)。路基沉降幅值從5 mm 到40 mm 等量增加的過程中,軌道各層結(jié)構(gòu)變形逐漸增大,但增長速度逐漸減小,上拱變形增長速度相對(duì)于下沉變形較為平緩。整體上看,軌道系統(tǒng)下沉變形幅值小于路基沉降幅值。當(dāng)路基沉降波長為10 m 時(shí),不同沉降幅值下的軌道-路基間會(huì)產(chǎn)生不同程度的脫空區(qū)域,沉降幅值的大小決定脫空區(qū)域的長度與高度。

        圖3 不同沉降幅值下的軌道結(jié)構(gòu)幾何變形特征Fig.3 Geometric deformation characteristics of track structure under different settlement amplitudes

        2.2 沉降波長對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

        當(dāng)路基不均勻沉降幅值為10 mm,沉降波長從5 m 到40 m 等量增加時(shí),不同沉降波長下的軌道結(jié)構(gòu)幾何變形特征如圖4 所示。

        由圖4 可知,在路基不均勻沉降幅值為10 mm的情況下,軌道結(jié)構(gòu)的下沉變形隨路基不均勻沉降波長的增加而增大,上拱變形隨沉降波長的增加而減小。當(dāng)沉降波長等于5,10 m 時(shí),軌道各層結(jié)構(gòu)下沉幅值遠(yuǎn)小于路基沉降幅值,這意味著該情況下軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生較大脫空,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力和列車運(yùn)行安全造成不利影響。在路基不均勻沉降區(qū)域外側(cè),軌道結(jié)構(gòu)上拱幅值在沉降波長為10 m 時(shí)最大,下沉幅值在沉降波長大于20 m 時(shí)穩(wěn)定在10 mm 左右。整體上看,當(dāng)路基波長大于30 m時(shí),軌道變形量與路基沉降值基本達(dá)成一致,不再受路基沉降波長影響。

        圖4 不同沉降波長下的軌道結(jié)構(gòu)幾何變形特征Fig.4 Geometric deformation characteristics of track structure under different settlement wavelengths

        3 余弦型路基沉降對(duì)軌道-路基層間接觸性狀的影響

        當(dāng)路基發(fā)生不均勻沉降時(shí),軌道-路基間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移差,使得兩者之間的接觸性狀發(fā)生改變,從而引起層間接觸力出現(xiàn)突變。以路基發(fā)生10 m/10 mm(波長/沉降)不均勻沉降為例,分析軌道-路基間接觸狀態(tài)的改變規(guī)律。圖5 為軌道-路基間位移差及層間接觸力特性。其中,接觸力受拉為負(fù),受壓為正。

        圖5 軌道-路基間的位移差及層間接觸力特性Fig.5 Displacement difference between track-subgrade and interlayer contact force characteristics

        由圖5 可知,軌道-路基間接觸性狀的改變只發(fā)生在路基不均勻沉降區(qū)域及其兩側(cè)小范圍區(qū)域內(nèi),接觸性狀改變類型可分為分離脫空和擠壓接觸。其中,脫空區(qū)域主要產(chǎn)生在路基沉降不均勻區(qū)域中部和沉降區(qū)外部兩側(cè),在受力上表現(xiàn)為接觸力為0。接觸區(qū)域主要存在與各脫空區(qū)域兩側(cè),變形狀態(tài)表現(xiàn)為軌道向下變形量大于路基沉降值;因此,軌道在該區(qū)域受力狀態(tài)發(fā)生突變,產(chǎn)生較大向上支撐力。整體而言,軌道-路基間的脫空區(qū)域及軌道的受力曲線呈左右對(duì)稱特征。在靠近沉降中心的接觸區(qū)域,軌道-路基間的位移差較大,相應(yīng)產(chǎn)生的接觸力也較大。在遠(yuǎn)離沉降中心的接觸區(qū)域,軌道-路基間的位移差較小,相應(yīng)產(chǎn)生的接觸力也較小。

        3.1 沉降幅值對(duì)層間接觸性狀影響

        取路基沉降波長為10 m,使沉降幅值從5 mm到40 mm 等量增加,研究沉降幅值對(duì)軌道-路基接觸性狀的影響,由上述分析可知:脫空區(qū)域呈左右對(duì)稱特征,故只針對(duì)脫空區(qū)域1 和脫空區(qū)域2 進(jìn)行分析。不同沉降幅值下軌道-路基間的脫空量如圖6所示。

        由圖6 可知,隨路基沉降幅值的增加,脫空區(qū)域1 在脫空高度和長度增長的同時(shí),區(qū)域整體逐漸向遠(yuǎn)離沉降區(qū)域的方向“偏移”。但在路基沉降幅值增加的過程中,脫空長度和高度的增長幅度及脫空區(qū)域的“偏移”速度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。脫空區(qū)域2 的脫空長度和高度在隨路基沉降幅值的增加,分別表現(xiàn)為向外側(cè)擴(kuò)散和逐漸增大,不同的是,脫空長度的擴(kuò)散速度在路基沉降幅值增加的過程中逐漸衰弱,而脫空高度的增大速度卻在逐漸提高。整體而言,軌道的整體剛度影響著脫空區(qū)域的脫空長度發(fā)展。在其剛度可承受的范圍內(nèi),變形會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值,超過這個(gè)值后,軌道的變形將不會(huì)有很大變化,從而使脫空長度發(fā)展速度有所減緩。對(duì)于脫空高度,脫空區(qū)域1 同樣主要受軌道整體剛度影響,其發(fā)展速度與脫空長度具有相同規(guī)律。而脫空區(qū)域2 的脫空高度主要由路基沉降幅值決定,故其發(fā)展速度逐漸提高。

        圖6 不同沉降幅值下軌道-路基間的脫空值Fig.6 Void value between track-subgrade under different settlement amplitudes

        3.2 沉降波長對(duì)層間接觸性狀的影響

        取路基沉降幅值為10 mm,使沉降波長從5 m到40 m 等量增加,研究沉降波長對(duì)軌道-路基間接觸性狀的影響。不同沉降波長下軌道-路基間的脫空量如圖7 所示。

        由圖7 可知,當(dāng)沉降波長大于5 m 時(shí),脫空區(qū)域1 的脫空高度和長度隨沉降波長的增減而有所減小,直至大于35 m 后,軌道-路基間的變形逐漸一致,脫空區(qū)域隨之消失。值得注意的是,當(dāng)沉降波長從5 m 增加到10 m 的過程中,脫空區(qū)域1 的脫空高度和長度逐漸增大,這是因?yàn)槌两挡ㄩL相對(duì)較小時(shí),沉降區(qū)域內(nèi)的軌道下沉變形相對(duì)較小,從而引起沉降區(qū)域外的軌道上拱變形也相對(duì)較小。在沉降區(qū)域2,隨沉降波長的增加,脫空區(qū)域的高度和長度隨之減小。這是因?yàn)樵诔两挡ㄩL增加的過程中,軌道變形曲線與路基沉降曲線之間的跟隨性逐漸變好,使兩者之間的脫空區(qū)域逐漸減小直至消失。整體而言,當(dāng)路基不均勻沉降幅值為10 mm 時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注沉降波長小于20 m 的短波不均勻沉降。

        圖7 不同沉降波長下軌道-路基間的脫空值Fig.7 Void value between track-subgrade under different settlement wavelengths

        4 結(jié)論

        1)筆者前期開發(fā)的高速鐵路基礎(chǔ)變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)變形與層間接觸性狀演變的通用表征模型,通過引入路基不均勻沉降描述函數(shù)后,依然適用于路基不均勻沉降的工況分析中,說明通用表征模型具有廣泛的適用性。

        2)在路基不均勻沉降區(qū)域內(nèi),軌道隨路基沉降發(fā)生跟隨性變形;在沉降區(qū)域外,軌道出現(xiàn)上拱變形,使軌道變形波長向兩側(cè)擴(kuò)散。軌道變形和波長擴(kuò)散程度由路基沉降幅值、波長綜合決定。

        3)當(dāng)路基不均勻沉降波長一定時(shí),軌道下沉和上拱幅值隨路基沉降幅值的增加而增大。增大幅度在沉降幅值增大的過程中表現(xiàn)為逐漸衰減的趨勢(shì);當(dāng)沉降幅值一定時(shí),軌道下沉變形隨路基沉降波長的增加而增大,但上拱變形卻隨路基沉降波長的增加而減小。

        4)軌道整體剛度影響著脫空區(qū)域的脫空長度和高度,在其剛度可承受的范圍外,軌道變形將不會(huì)有較大變化,從而使脫空長度和高度發(fā)展速度有所減緩。

        5)當(dāng)路基沉降波長為10 m 時(shí),隨路基沉降幅值的增加,脫空區(qū)域1 在脫空高度和長度增長的同時(shí),區(qū)域整體逐漸向遠(yuǎn)離沉降區(qū)域的方向“偏移”。當(dāng)路基沉降幅值為10 mm 時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注沉降波長小于20 m 的短波不均勻沉降。

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