高速鐵路路基不均勻沉降對雙塊式無砟軌道動力特征影響研究

程年圣

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

路基不均勻沉降導(dǎo)致高速鐵路出現(xiàn)平順性和穩(wěn)定性問題，影響了列車運行的舒適性、安全性及軌道主體結(jié)構(gòu)的服役性能，成為高速鐵路建設(shè)和運營必須解決的難題。無砟軌道具有較高的保持幾何形位的優(yōu)勢，隨著高速鐵路大規(guī)模的建設(shè)而逐步發(fā)展，已經(jīng)成為高速鐵路的主要軌道型式[1]。

國內(nèi)外對高速鐵路路基不均勻沉降開展了大量研究工作，Lundqvist等[2]分析了軌道幾何狀態(tài)惡化及軌枕空吊對輪軌動力作用的影響；蔡成標(biāo)等[3]分析了路基沉降對系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響，基于舒適性指標(biāo)提出了路基不均勻沉降控制限值；韓義濤等[4]分析了不同行車速度對應(yīng)的路基沉降控制值；Banimahd等[5]分析了過渡段剛度不均對上部車輛軌道耦合系統(tǒng)的動態(tài)影響。

本文為研究高速鐵路路基不均勻沉降對雙塊式無砟軌道影響動力特征，建立了車輛-雙塊式無砟軌道-路基不均勻沉降耦合動力模型，分別對路基不均勻沉降時雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)受力及振動特征進(jìn)行分析，并分析了沉降波長、沉降幅值及行車速度的影響。

1 計算模型及參數(shù)

圖1為車輛-雙塊式無砟軌道-路基沉降動力學(xué)耦合分析模型。無砟軌道模型方面，縱向連續(xù)式雙塊式無砟軌道長度為200 m，由道床板和支承層組成，道床板為C40現(xiàn)澆混凝土，支承層為HGT水硬性混凝土?？奂?、道床板及支承層模型采用空間實體單元模擬無砟軌道，扣件模型采用三向彈簧-阻尼單元模擬，雙塊式無砟軌道模型基本參數(shù)見表1。車輛模型方面，采用我國高速鐵路CRH380A統(tǒng)型動車組，定距為2.5 m，軸距為17 m，軸重為15 t。車輛由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對及兩系懸掛構(gòu)成，車體、轉(zhuǎn)向架、輪對按剛體考慮。輪軌間法向作用力由赫茲接觸理論確定，切向蠕滑力由蠕滑理論確定。

圖1 車輛-軌道-路基沉降耦合模型

表1 雙塊式無砟軌道基本參數(shù)

2 路基不均勻沉降對軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)受力影響

2.1 路基不均勻沉降波長的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降幅值為40 mm，沉降波長分別為5 m、10 m、20 m、30 m、60 m時，分析路基不均勻沉降波長對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)受力的影響。

圖2為不同沉降波長時道床板底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。沉降波長較小時峰值現(xiàn)象明顯，沉降波長為60 m時，拉應(yīng)力峰值已不明顯，說明沉降波長較大時，對道床板受力已影響較小。道床板底部縱向拉應(yīng)力峰值隨沉降波長變化，可以看出，隨著波長增大，道床板底部拉應(yīng)力呈減小趨勢，沉降波長為10 m時道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，峰值為4.86 MPa。隨著沉降波長的增加，到60 m時道床板底部拉應(yīng)力僅為1.71 MPa。

圖2 不同沉降波長時道床板底部拉應(yīng)力縱向分布

圖3為不同沉降波長時支承層底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。沉降波長為5 m、10 m、20 m、30 m時峰值較為明顯，沉降波長為60 m時，支承層底部受力較為均勻，無明顯峰值。隨著波長增大，支承層底部拉應(yīng)力呈減小趨勢，沉降波長為10 m時支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，峰值為2.48 MPa。沉降波長為60 m時支承層底部拉應(yīng)力已降為0.57 MPa。

圖3 不同沉降波長時支承層底部拉應(yīng)力縱向分布

2.2 路基不均勻沉降幅值的影響

圖4為不同沉降幅值時道床板底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，道床板底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。幅值越大，峰值越明顯。隨著幅值增大，道床板底部拉應(yīng)力呈增加趨勢。沉降幅值20～80 mm范圍內(nèi)，道床板底部縱向拉應(yīng)力變化范圍為2.7～10.6 MPa，增加292.6%，增幅明顯，可見沉降幅值對道床板底部縱向拉應(yīng)力影響顯著。

圖4 不同沉降幅值時道床板底部拉應(yīng)力縱向分布

圖5為不同沉降幅值時支承層底部拉應(yīng)力縱向分布，可以看出，在沉降發(fā)生位置處，支承層底部拉應(yīng)力達(dá)到峰值，兩端離縫位置處出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。幅值越大，峰值越明顯。隨著幅值增大，支承層底部拉應(yīng)力呈線性增大趨勢。沉降幅值20～80 mm范圍內(nèi)，支承層底部縱向拉應(yīng)力變化范圍為1.2～5.3 MPa，增加341.7%，增幅明顯，可見沉降幅值對支承層底部縱向拉應(yīng)力影響顯著。

圖5 不同沉降幅值時支承層底部拉應(yīng)力縱向分布

3 路基不均勻沉降對軌道結(jié)構(gòu)振動特征影響分析

3.1 路基不均勻沉降波長的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降幅值為40 mm，沉降波長分別為5 m、10 m、20 m、30 m、60 m時，分析路基不均勻沉降波長對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)振動特征的影響。

圖6為不同沉降波長時道床板垂向加速度縱向分布，可以看出，結(jié)構(gòu)層離縫處，道床板的垂向加速度較大，沉降峰值位置處相對較小。

圖6 不同沉降波長時道床板垂向加速度縱向分布

為便于分析路基不均勻沉降對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)振動特征的影響，取路基不均勻沉降范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)的垂向加速度平均值進(jìn)行分析。圖7為道床板垂向加速度隨沉降波長變化規(guī)律，可以看出，道床板垂向加速度隨沉降波長的增加而減小。沉降波長范圍為5～60 m，道床板垂向加速度平均值變化范圍為530～320 m/s2，量值減少39.6%。

圖7 道床板垂向加速度隨沉降波長變化規(guī)律

圖8為不同沉降波長時支承層垂向加速度縱向分布，可以看出，沉降波長為5 m、10 m短波長時，沉降發(fā)生處，支承層的垂向加速度較大。沉降波長大于10 m后，支承層垂向加速度較為均勻。

圖8 不同沉降波長時支承層垂向加速度縱向分布

圖9為支承層垂向加速度隨沉降波長變化規(guī)律，可以看出，沉降波長對支承層垂向加速度平均值的影響較小，沉降波長范圍為5～60 m，支承層垂向加速度平均值變化范圍為28～31 m/s2，變化范圍為10%左右。垂向加速度最大值方面，波長越短，支承層垂向加速度越大。

圖9 支承層垂向加速度隨沉降波長變化規(guī)律

3.2 路基不均勻沉降幅值的影響

選取行車速度為350 km/h，沉降波長為10 m，沉降幅值分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm時，分析路基不均勻沉降幅值對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)振動特征的影響。

圖10為不同沉降幅值時道床板垂向加速度縱向分布，可以看出，結(jié)構(gòu)層離縫處，道床板的垂向加速度較大，沉降峰值位置處相對較小。

圖10 不同沉降幅值時道床板垂向加速度縱向分布

圖11為道床板垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律，可以看出，道床板垂向加速度隨沉降幅值的增加而增大。沉降幅值范圍為20～80 mm，道床板垂向加速度平均值變化范圍為467～508 m/s2，量值增加9%，增加量值不明顯。

圖11 道床板垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律

圖12為不同沉降幅值時支承層垂向加速度縱向分布，可以看出，沉降發(fā)生處，支承層的垂向加速度較大。

圖12 不同沉降幅值時支承層垂向加速度縱向分布

圖13為支承層垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律，可以看出，沉降幅值對支承層垂向加速度平均值的影響較大，幅值越大，加速度越大。沉降幅值范圍為20～80 mm，支承層垂向加速度平均值變化范圍為26～65m/s2，量值增加150%，增加量值明顯。

圖13 支承層垂向加速度隨沉降幅值變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文分析了路基不均勻沉降狀態(tài)下雙塊式無砟軌道動力特征，包括軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)受力和振動特征影響分析,并討論了沉降波長、沉降幅值的影響。得出主要結(jié)論如下：

(1)路基中短波長不均勻沉降對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響較大，軌道結(jié)構(gòu)受力隨著沉降波長的增加而逐漸減小。路基不均勻沉降波長應(yīng)控制在20 m以上。

(2)隨著路基不均勻幅值的增加，軌道結(jié)構(gòu)受力顯著增大，應(yīng)重點控制不均勻沉降幅值的增長。

(3)路基不均勻沉降波長主要影響道床板的垂向加速度，隨波長的增加而減小，對支承層垂向加速度的影響較小。

(4)不均勻沉降幅值主要影響支承層垂向加速度，隨沉降幅值的增加而增大，對道床板垂向加速度的影響較小。