高速鐵路無軌道路基模型實(shí)尺模型試驗(yàn)系統(tǒng)

高速鐵路無軌道路基模型實(shí)尺模型試驗(yàn)系統(tǒng)

高速鐵路的發(fā)展為傳統(tǒng)鐵路的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提出了新的課題。就路基工程而言,高速鐵路改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念,主要表現(xiàn)在:一是路基結(jié)構(gòu)形式的變化,包括有砟軌道和無砟軌道;二是路基工后沉降控制成為路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;三是路基剛度是列車-軌道-路基系統(tǒng)剛度的重要組成部分目前,對高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)研究主要從理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)等三方面進(jìn)行。由于高速鐵路路基結(jié)構(gòu)中軌道板-路基結(jié)構(gòu)之間的作用問題相當(dāng)復(fù)雜,這方面的理論研究還相當(dāng)薄弱,而數(shù)值分析中設(shè)計(jì)參數(shù)難以準(zhǔn)確選取,計(jì)算結(jié)果值得商榷。因此,可通過建立與原型具有相似性規(guī)律的高速鐵路路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)下,借助科學(xué)儀器和設(shè)備,人為地控制試驗(yàn)條件研究高速鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)特性。與現(xiàn)場試驗(yàn)受場地等因素影響較大相比,室內(nèi)試驗(yàn)可以嚴(yán)格控制試驗(yàn)參數(shù),并進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)Gobela等從上述分析可知,目前的軌道-路基動(dòng)力學(xué)模型研究的內(nèi)容有:路基動(dòng)力響應(yīng)和變形特性隨列車荷載作用次數(shù)、軸重以及速度的變化規(guī)律;不同基床結(jié)構(gòu)、不同材料的基床動(dòng)力特性。由于目前建立的軌道路基模型尺寸小,受邊界條件影響大,模型試驗(yàn)中列車動(dòng)力荷載的模擬都是采用連續(xù)的正弦函數(shù)或沖擊荷載來模擬,荷載作用位置不變,無法考慮相鄰車廂相鄰轉(zhuǎn)向架不同輪對之間的動(dòng)荷載疊加效應(yīng),與實(shí)際的鐵路動(dòng)力荷載相差較大,因此不能準(zhǔn)確反映鐵路路基內(nèi)的主要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)特性?；诖?為研究不同軌道結(jié)構(gòu)下路基在不同列車運(yùn)行速度下的動(dòng)力響應(yīng)特性,本文建立軌道-路基全尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图虞d方案,提出模型試驗(yàn)的加載裝置,并參照試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜邢拊⒖奂c(diǎn)的反力時(shí)程曲線,通過疊加得到模型試驗(yàn)的動(dòng)力加載時(shí)程曲線。11.1路基模型填筑與放坡軌道路基模型試驗(yàn)在模型槽內(nèi)進(jìn)行,模型槽長16m,寬13m,高4m,槽壁為厚度1.5m鋼筋混凝土,槽壁下方設(shè)有人工挖樁基礎(chǔ)。路基基床底層下方路堤填筑厚度2m,基床底層2.3m,基床表層0.4m,基床兩側(cè)按1∶1.5進(jìn)行放坡。路基填料采用改良后的級配碎石,路基模型在填筑過程中嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行,填料的基本參數(shù)見表1。填筑后模型如圖1、圖2所示。為研究不同軌道結(jié)構(gòu)下路基的動(dòng)力響應(yīng)特性,在基床表層上依次布置CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道板、CRTSⅡ型板式無砟軌道板和CRTSⅠ型板式無砟軌道板,見圖3。1.2路基模型測試元件布置為測試路基動(dòng)力響應(yīng)特性,沿線路縱向共布置3個(gè)主要測試斷面和2個(gè)輔助測試斷面,主要測試斷面上測試元器件有靜土壓力盒、動(dòng)土壓力盒(豎向和水平)、加速度計(jì)、單點(diǎn)沉降計(jì)、沉降板,輔助測試斷面上測試元器件有靜土壓力盒、動(dòng)土壓力盒(豎向和水平)、加速度計(jì)、單點(diǎn)沉降計(jì)。路基模型中測試元器件布置的總數(shù)量見表2。測試元器件縱向布置網(wǎng)格見圖3,典型橫向布置剖面見圖4。1.3動(dòng)力荷載分配系統(tǒng)試驗(yàn)采用多個(gè)作動(dòng)器聯(lián)動(dòng)加載模擬高速列車荷載,加載裝置包括反力架、作動(dòng)器和分配梁系統(tǒng),加載裝置見圖5。反力架各部分組成形狀參照MTS疲勞加載的鋼門架進(jìn)行設(shè)計(jì),各截面均為焊接鋼結(jié)構(gòu)箱型截面。作動(dòng)器荷載幅值為204kN,行程為2mm,頻率為40Hz。作動(dòng)器通過反力架固定安裝在路基中央,作動(dòng)器下部與剛性分配梁(焊接鋼結(jié)構(gòu)箱型截面)連接,剛性分配梁放置于短鋼軌上,短鋼軌與扣件點(diǎn)相連。考慮到加載效果、制作成本以及加載空間,沿線路共布置5個(gè)作動(dòng)器,每個(gè)作動(dòng)器通過短鋼軌與2對相鄰的扣件點(diǎn)相連。動(dòng)力荷載分配系統(tǒng)如圖6所示。試驗(yàn)中加載分兩次進(jìn)行,首先對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道和CRTSⅠ型板式無砟軌道進(jìn)行加載,再對CRTSⅡ型板式無砟軌道進(jìn)行加載。兩次加載時(shí)作動(dòng)器的布置如圖7所示。2軌道板扣件反力列車在無砟軌道上運(yùn)行時(shí)在土層所產(chǎn)生的荷載是由輪軌間的相互作用力經(jīng)扣件點(diǎn)傳遞至軌道板上,然后由軌道板傳遞并擴(kuò)散至基床表層,最后傳遞至路基體。在列車運(yùn)行的實(shí)際情況中,軌道板直接承受的作用力并非列車荷載,而是軌下扣件的壓力。因此,通過計(jì)算求得列車經(jīng)過時(shí)引起的扣件反力,并將其作用于軌道板扣件點(diǎn)上,即可模擬列車對軌道-路基結(jié)構(gòu)的作用。目前,實(shí)測列車運(yùn)行時(shí)扣件點(diǎn)的反力時(shí)程很少,本文采用有限元求解列車運(yùn)行過程中扣件點(diǎn)的反力時(shí)程。2.1軌道路基有限元模型參照軌道路基全尺模型,采用ANSYS有限元軟件建立無砟軌道-路基體系的三維有限元分析模型,模型長16m。以CRTSⅡ型板式無砟軌道為例,路基結(jié)構(gòu)從上向下依次為鋼軌、軌下扣件、軌道板、CA砂漿、混凝土支承層、基床表層、基床底層和基床以下的路基本體。軌道路基有限元模型網(wǎng)格劃分如圖8所示。鋼軌采用BEAM188梁單元,軌道板采用SHELL63彈性殼單元,混凝土板、基床及路基本體均采用SOLID45實(shí)體單元,扣件和CA砂漿采用COMBIN14彈簧-阻尼單元。鋼軌、軌道板、混凝土支承層等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型,基床及路基本體采用黏彈性模型?？奂蛙壪履z墊系統(tǒng)的等效剛度為4.38×102.2扣件點(diǎn)反力時(shí)程曲線的建立以列車運(yùn)行速度為350km/h的CRH3/CRH380型動(dòng)車組為例,取列車軸重為170kN,假定輪載均勻分布,則輪載考慮到輪載的疊加效應(yīng)主要集中在兩個(gè)相鄰車廂的相鄰轉(zhuǎn)向架的各輪對之間,同一車廂兩轉(zhuǎn)向架之間的疊加效應(yīng)較小從圖10可以看出,通過有限元計(jì)算得到的扣件點(diǎn)反力時(shí)程曲線存在突兀的峰值與銳角,結(jié)合模型試驗(yàn)中采用的MTS伺服加載系統(tǒng)對加載函數(shù)的要求,對扣件點(diǎn)反力時(shí)程曲線中進(jìn)行高階Fourier變換,設(shè)(sin(2式中,扣件點(diǎn)反力時(shí)程Fourier變換后結(jié)果見圖11中A曲線。2.3作動(dòng)器加載時(shí)程模型試驗(yàn)中,每個(gè)作動(dòng)器通過動(dòng)力荷載分配體系向相鄰的扣件點(diǎn)傳遞荷載,因此輸入作動(dòng)器的荷載時(shí)程應(yīng)為其連接扣件點(diǎn)反力時(shí)程的疊加。為獲得作動(dòng)器的加載時(shí)程,應(yīng)將扣件反力時(shí)程分別向前、后偏移時(shí)間差Δ(由式(2)可得作動(dòng)器加載時(shí)程曲線,見圖11中B曲線。由于作動(dòng)器無法對鋼軌施加拉力,可由式(3)得到當(dāng)作動(dòng)器連接2對扣件點(diǎn)時(shí)作動(dòng)器實(shí)際輸入時(shí)程曲線方程。(3)作動(dòng)器加載時(shí),還應(yīng)考慮實(shí)際列車經(jīng)過時(shí)的周期效應(yīng)。以車廂長度為25m的CRH3/CRH380型動(dòng)車組為例,運(yùn)行速度為350km/h時(shí),周期為0.257s,作動(dòng)器加載時(shí)程曲線如圖12所示。采用同樣的處理方法,通過有限元計(jì)算、三階Fourier變換以及疊加可獲得其他速度下作動(dòng)器的輸入時(shí)程曲線。3多作動(dòng)器聯(lián)動(dòng)下的列車動(dòng)力荷載研究(1)建立軌道路基全尺模型試驗(yàn)系統(tǒng),包括軌道路基模型、路基動(dòng)力響應(yīng)測試系統(tǒng)、列車荷載模擬加載系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅考慮邊界、尺寸效應(yīng)等因素對路基動(dòng)應(yīng)力的影響,而且能對不同軌道板、不同速度、不同軸重下路基的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究。(2)提出多作動(dòng)器聯(lián)動(dòng)來模擬列車動(dòng)力荷載的加載裝置,并根據(jù)試驗(yàn)條件提出動(dòng)力荷載分配體系。該列車動(dòng)力荷載模擬裝置不僅能提供不同軸重、不同速度下的列車動(dòng)力荷載,而且考慮了相鄰車廂相鄰轉(zhuǎn)向架不同輪對之間動(dòng)力荷載的疊加效應(yīng)。(3)根據(jù)軌道路基全尺模型,建立三維有