板式軌道布置方式的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

板式軌道布置方式的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

無(wú)軌結(jié)構(gòu)意味著軌道結(jié)構(gòu)將取消礫石帶，提高軌道保持幾何狀態(tài)的能力，相應(yīng)提高軌道穩(wěn)定性，減少維護(hù)工作量，成為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。日本的板式無(wú)砟軌道克服了有軌枕無(wú)砟軌道和現(xiàn)澆無(wú)軌枕無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度慢,以及可修復(fù)性差的不足,具有拼裝式結(jié)構(gòu)和新材料與結(jié)構(gòu)一體化工程的特點(diǎn)。路基上的板式軌道特點(diǎn)是列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中路基面的彈性變形主要發(fā)生在基床部分,尤其是基床表層。因此,應(yīng)采用合理的路基結(jié)構(gòu)形式及尺寸、填料材質(zhì)和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以提高路基剛度。本文主要對(duì)板式軌道軌道板與底座對(duì)縫及錯(cuò)縫兩種布置方式進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,并對(duì)得出的鋼軌位移、枕上壓力、CA砂漿層及路基面應(yīng)力進(jìn)行分析比較,還分析了路基面支承剛度對(duì)板式軌道的動(dòng)力影響。1瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析板式軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、軌道板、CAM層、混凝土底座等幾部分組成。本文僅考慮輪軌垂向動(dòng)力效應(yīng)。在計(jì)算模型中,鋼軌、軌道板、混凝土底座均采用連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承梁模型;列車(chē)荷載以集中荷載來(lái)模擬,車(chē)輛定距之半為9.0m,轉(zhuǎn)向架軸距之半為1.25m。圖1和圖2分別為軌道板與底座對(duì)縫與錯(cuò)縫布置時(shí)的板式軌道動(dòng)力學(xué)模型示意圖。動(dòng)力學(xué)計(jì)算應(yīng)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算,ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(亦稱(chēng)時(shí)間歷程分析)是用于確定結(jié)構(gòu)承受任意的隨時(shí)間變化載荷時(shí)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法,它應(yīng)用Newmark時(shí)間積分方法在離散的時(shí)間點(diǎn)上求解動(dòng)力學(xué)方程。鋼軌為60kg/m軌,采用單元BEAM4進(jìn)行模擬,其彈性模量為2.1×1011N/m2,截面慣性矩為3.217×10-5m4;軌下彈性墊層視為一個(gè)彈簧阻尼單元COMBIN14,其靜剛度為2×107～4×107N/m,動(dòng)剛度取靜剛度的1.5倍;CA砂漿層和路基均采用單元COMBIN14模擬,分別密布于軌道板和底座下,CA砂漿彈性模量為300MPa,厚度50mm,路基表層彈性模量為120MPa;軌道板和混凝土底座采用單元shell63進(jìn)行模擬,軌道板的幾何尺寸長(zhǎng)×寬×高為:4930mm×2400mm×190mm,混凝土底座的幾何尺寸長(zhǎng)×寬×高為:4930mm×3200mm×300mm,軌道板和混凝土底座的彈性模量分別為3.6×104MPa和3.25×104MPa;混凝土的泊松比均為0.2,密度為2500kg/m3;板縫寬度為70mm;計(jì)算模型長(zhǎng)度取60m;鋼軌支點(diǎn)間距0.625m;動(dòng)車(chē)組軸重140kN,重載貨車(chē)的軸重250kN。實(shí)測(cè)的動(dòng)力系數(shù)一般<2,本文取動(dòng)力系數(shù)2進(jìn)行分析。2kn移動(dòng)荷載在不同速度下的板縫位置圖3為軌道板與底座對(duì)縫及錯(cuò)縫兩種方式布置時(shí),移動(dòng)荷載(速度為250km/h)為140kN的作用下的鋼軌支點(diǎn)壓力、CA砂漿動(dòng)應(yīng)力、路基面動(dòng)應(yīng)力、路基面位移動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)。表1給出了140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用下軌道板與底座對(duì)縫與錯(cuò)縫布置時(shí)的板縫位置的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值比較。表2給出了140kN移動(dòng)荷載在不同速度運(yùn)行條件下軌道板與底座對(duì)縫布置時(shí)的板縫位置的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值比較。表3給出了25t軸重貨車(chē)在不同速度下軌道板與底座對(duì)縫布置時(shí)板縫位置的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值結(jié)果。路基上板式無(wú)砟軌道處于正常支承狀態(tài)時(shí),由仿真計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:1)對(duì)于平順?shù)撥壎?140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用于軌道板與底座對(duì)縫與錯(cuò)縫兩種布置方式的軌道結(jié)構(gòu)時(shí),鋼軌位移最大值變化不大,對(duì)縫時(shí)為1.216mm,錯(cuò)縫時(shí)為1.178mm;鋼軌支點(diǎn)壓力最大值變化不大,對(duì)縫時(shí)為54.177kN,錯(cuò)縫時(shí)為56.119kN;CA砂漿動(dòng)應(yīng)力變化較小,對(duì)縫時(shí)為0.072MPa,錯(cuò)縫時(shí)為0.078MPa。2)140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用下,路基上板式軌道在軌道板與底座對(duì)縫與錯(cuò)縫兩種布置方式下,對(duì)縫時(shí)的路基面垂向位移和路基面動(dòng)應(yīng)力分別要高于錯(cuò)縫約36.8%和42.1%。3)移動(dòng)荷載以不同的速度通過(guò)路基上板式軌道時(shí),軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)變化不大。4)對(duì)于軌道變形而言,貨車(chē)運(yùn)營(yíng)條件下比客車(chē)運(yùn)營(yíng)條件下大得多。3ca砂漿彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響以路基基床表層地基系數(shù)190MPa/m、基床底層地基系數(shù)110MPa/m為標(biāo)準(zhǔn)路基剛度,通過(guò)改變路基剛度的方法(與標(biāo)準(zhǔn)路基剛度的比值)研究路基支承剛度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響。140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用在不同路基支承剛度條件下,板縫處軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值如表4所示(剛度比為0.1相當(dāng)于較弱路基,剛度比為100相當(dāng)于剛性路基)。140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用在不同CA砂漿彈性模量下板縫處軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值如表5所示。140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用在在不同扣件剛度條件下,軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值如表6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)由較弱路基作用到剛性路基上時(shí),板縫處CA砂漿動(dòng)應(yīng)力從0.062MPa增大到0.076MPa,板縫處鋼軌支點(diǎn)壓力從44.365kN增大到56.605kN,板縫處路基面動(dòng)應(yīng)力從0.048MPa增大到0.057MPa,板縫處鋼軌垂向位移發(fā)生顯著的變化,從3.078mm降低到1.006mm,路基面垂向位移由2.378mm降低到0.030mm。路基支承剛度太小,鋼軌和路基面的位移就很大,在長(zhǎng)期列車(chē)荷載作用下塑性變形較大,難以保證線(xiàn)路的平順性。路基剛度太大,路基面動(dòng)應(yīng)力就增加,也容易使土質(zhì)路基產(chǎn)生破壞。CA砂漿彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響較小?？奂偠葟?0MN/m增大到60MN/m時(shí),在140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用下,板縫處軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均有明顯的變化,CA砂漿動(dòng)應(yīng)力增大22%,鋼軌支點(diǎn)壓力增大24.1%,鋼軌垂向位移減小47.2%,路基面垂向位移增大15.6%,路基面動(dòng)應(yīng)力增大23.4%。4ca砂漿彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響1)對(duì)于軌道板與底座錯(cuò)縫與對(duì)縫兩種布置方式,鋼軌位移、鋼軌支點(diǎn)壓力以及CA砂漿動(dòng)應(yīng)力差別不大,但對(duì)縫時(shí)的路基面垂向位移和路基面動(dòng)應(yīng)力分別要高于錯(cuò)縫約36.8%和42.1%。2)路基支承剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)影響較大,140kN的移動(dòng)荷載(速度為250km/h)作用下,由較弱地基過(guò)渡到剛性地基上時(shí),板縫處CA砂漿動(dòng)應(yīng)力從0.062MPa增大到0.076MPa,板縫處鋼軌支點(diǎn)壓力從44.365kN增大到56.605kN,板縫處路基面動(dòng)應(yīng)力從0.048MPa增大到0.057MPa,板縫處鋼軌垂向位移發(fā)生顯著的變化,從3.078mm降低到1.006mm,路基面垂向位移由2.378mm降低到0.030mm。3)CA砂漿彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的各部分動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響較小。4)扣件剛