重载铁路路基基床结构动力分析

曹刚，马云东

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 概述

随着经济的快速发展，重载铁路以其极高的运输效率和可观的利润前景，备受世界瞩目［1-5］.随着列车重量和行车密度的增大，对重载铁路路基基床结构提出更高的要求;如何提高路基的承载能力和稳定性，减少路基病害的发生，已成为重载铁路发展中亟待解决的重要问题［6-9］.

通过分析比较重载铁路路基基床的结构形式及控制参数，利用有限元ANSYS软件，对建立的轨道—路基系统三维有限元模型，进行列车动力荷载作用下的结构分析，以列车车速80 km/h、加载时间1 s的路基段作为试算，分析不同基床结构控制参数的动力特性变化规律，更好地为研究重载铁路路基的力学性能提供技术支持和数据分析.

1 建立轨道－路基系统三维有限元模型

1.1 计算参数

钢轨 标准轨距1.435 m，重60 kg/m的无缝钢轨，弹性模量为2.06e5 MPa，泊松比为0.3，密度7850 kg/m3.

扣件及轨下胶垫 弹条Ⅱ型扣件，垂直刚度1.2e8 N/m，阻尼系数8e4 N·s/m，厚度40 mm.

轨枕 2.6 m长Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕，间距1760根/km，弹性模量3.5e4 MPa，泊松比为0.167，密度2 750 kg/m3，埋置厚度0.19 m.

道砟 碎石道砟，顶面宽度3.4 m，厚度0.3 m，边坡坡度1∶1.75.弹性模量140 MPa，泊松比0.27，阻尼系数5.8e4 N·s/m，厚度0.3 m，密度2400 kg/m3.

基床 基床顶面宽度6.8 m，边坡坡度1∶1.5;基床表层厚度0.9 m，底层厚度1.6 m，总厚度2.5 m.其控制参数分三组计算，详见表1.

表1 三组基床控制参数

地基 非渗水土路堤，不考虑地基变形及地面坡率，视其为半空间无限大平面，采用全部约束.

动力荷载 执行30 t轴重荷载标准，参照我国C80货车荷载分布工况，并采用一个有周期特点的激振力函数来模拟列车动力荷载的取值.

1.2 网格划分

建立轨道—路基系统三维有限元模型时，在保证仿真精度的前提下，对原结构体系进行简化，便于建模，减少计算误差.对于模型网格的划分，采用粗、中、细三种划分模式，通过对结果进行对比分析得知:模型网格划分的越细越符合实际情况，但随着计算次数的增加，迭代误差也会加大.为了更好的模拟实际工况，最后得出网格细分模式划分更符合实际.其网格划分完后，轨道—路基系统三维模型图如图1.

图1 轨道－路基系统三维模型

2 基床结构动力响应分析

基床结构动力响应分析是指当轨道承受重载列车高速行驶时的动力荷载，研究不同基床结构控制参数的动力性能响应规律.

2.1 基床断面动应力响应分析

基床断面应力的分布反映了基床结构在承受轨道动力荷载作用下的累计应力叠加情况，对研究基床层间应力变化及路基整体强度有着重要价值.

轨道结构在30 t轴重作用下，分别对基床结构三组控制参数进行动力加载，其基床断面动应力分布图如图2.

图2 三组基床断面动应力分布图

综合上图可以清晰地得知基床结构在轨道动力荷载作用下的应力累计叠加情况，轨道对应位置基床断面应力较为集中，逐渐向基床两侧减小.

比较三组基床结构控制参数下的基床断面应力分布图，发现基床断面最大动应力值位于基床中心线处，依次为:第一组189.552 kPa、第二组190.455 kPa、第三组191.447 kPa，呈递增关系.

2.2 基床断面动位移响应分析

基床断面竖向动位移响应反映了基床结构在承受轨道动力荷载作用下的累计变形能力，关系到路基的整体刚度及基床的沉降变形幅度.

轨道结构在30 t轴重作用下，分别对基床结构三组控制参数进行动力加载，其基床断面竖向动位移分布图如图3.

图3 三组基床断面竖向动位移分布图

综合上图可以清晰地得知基床结构在轨道动力荷载作用下的竖向累计变形情况，轨道对应位置基床断面竖向动位移较为集中，沿轨道横向距离向下扩展，逐渐变小.

比较三组基床结构控制参数下的基床断面竖向动位移分布图，发现基床断面竖向动位移最大值位于基床中心线处，依次为:第一组2.594 mm、第二组2.334 mm、第三组2.081 mm，呈递减关系.

2.3 基床竖向动位移最大点的加速度响应分析

基床受到来自列车动力荷载的影响，其稳固性对整个路基本体及轨道稳定，都极为关键;而且路基病害中，以基床病害分布最广、数量最大.基床竖向动位移最大点的加速度响应分析能够为研究基床弹性变形过大导致其松散流动、翻浆冒泥、过量下沉、剪切破坏等重要因素提供有力数据.

轨道结构在30 t轴重作用下，分别对三种基床结构控制参数进行动力加载，其基床竖向动位移最大点的加速度时程曲线如图4.

综合图4得到的基床竖向动位移最大点加速度时程曲线，有效的描绘了基床结构在列车动力荷载作用下的振动幅度、变形能力.通过分析可知第一组、第二组的基床振动幅度较小，第三组的基床振动幅度较大;比较三组基床结构控制参数下的加速度变化趋势，加速度最大值发生在加载时间0.5 s处，其值依此为:第一组25.2 m/s2、第二组 26.525.2 m/s2、第三组 37.525.2 m/s2，呈递增趋势.另一方面，观察图中三条加速度时程曲线沿时间坐标轴的振动趋势可以得知，第一组、第二组的曲线振动趋势较为强烈，第三组的曲线振动趋势较为平缓.

图4 三组基床竖向动位移最大点加速度时程曲线

3 结论

利用有限元软件 ANSYS，对已建立的轨道—路基系统三维有限元模型，进行了重载列车荷载作用下的基床结构动力响应分析，得出基床结构在动力荷载作用下的变化规律，如下:

(1)随着基床结构弹性模量、密度的增大，基床结构在轨道动力荷载作用下的应力累计叠加更为强烈，轨道对应位置基床断面应力较为集中，逐渐向基床两侧减小;

(2)随着基床结构弹性模量、密度的增大，基床结构在轨道动力荷载作用下的竖向累计变形逐步减小，轨道对应位置基床断面竖向动位移较为集中，沿轨道横向距离向下扩展;

(3)比较基床竖向动位移最大点加速度时程曲线可知，随着基床填料弹性模量、密度的增大，基床结构在动力荷载作用下的振动幅度不断增大，加速度最大值有所增加，但是振动趋势逐渐平缓，基床抵抗变形能力减弱.

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