高速铁路路基动力响应研究*

  韩宜康

  （南京铁道职业技术学院电力工程学院，江苏  南京  210031）

[摘要]针对京沪高速铁路上一处典型路基，利用Fortran语言编制车辆一轨道一路基动力大耦合计算程序，考虑轨道的不平顺性，对高速铁路路基的动力学特性进行了研究，得出以下结论：加速度、动应力以及位移随深度的增加而呈非线性减小，前两者最后趋于稳定；总体来讲，路基内的动应力值随列车速度的增大而增大。然而，路基本体内部不同埋深处的峰值加速度和峰值动应力、基床表层处的水平和竖向位移随着列车行驶速度的增加呈现多峰值现

象。列车的轴重对基床表层处的竖向位移和路基本体内的动应力具有显著影响，但是对前者的影响要明显强于后者，在后续重载铁路设计中需要重点考虑。

[关键词]高速铁路；路基；动力响应；加速度

[中图分类号]   TU758. 11        [文章编号]1002-8498( 2016)01-0116-03

1  高速铁路车辆-轨道-路基大耦合系统

    为了研究高速铁路路基的动力学特性，本文选取京沪高速铁路DK386 +435.5工点为研究对象建立了车辆，轨道-路基耦合系统垂向动力学分析模型，如图1所示。在模型中，车辆采用CRH380型动车组的相关参数，通过刚性质量块进行仿真；轨道采用15 kg/m型钢轨铺设，通过线性梁单元进行仿真分析，本构模型为线弹性模型；基床表层、基床底层、路基填土、轨道为莫尔一库仑模型。

2  高速铁路路基动力响应数值分析

2.1数值分析模型

    基于上述大耦合系统，针对京沪高速铁路DK386 +435.5工点，依据设计图纸建立数值分析模型，具体尺寸如下：基床表层厚0. 7m，基床底层厚2. 3m，路基填土厚8.0m，采用CRTS I型轨道板；水硬性支撑材料为梯形，顶面宽2. 95m，底面宽3. 20m，厚0.3m;摩擦板宽9.Om，厚0.4m;基床表层、路基本体及基床底层均按照高速铁路设计规范的相关要求进行建设。在进行数值计算过程中，机车、轨道、路基、地基等部分均采用实体单元进行模拟，对于各个部分之间的相互作用则采用接触单元进行模拟，具体情况如图2所示。

2.2计算参数

2. 2.1材料参数的确定

    相关参数均通过开展室内试验得到，具体情况如表1，2所示。

2.2.2列车荷载确定

    本文选取CRH380型动车组的相关参数建模，参考日本和英国关于高速铁路轨道垂向不平顺性的相关规定，采用软件中自带的轨道谱数据以考虑轨道的不平顺性，列车的运行速度为350km/h，历时1 200个轮载，具体计算结果如图3所示。

2.3计算结果分析

2.3.1动力响应沿深度的变化关系

    为了充分研究高速列车荷载作用下路基沿深度方向的动力响应，本文在路基中心线处自上而下布设了15个测点，具体分析结果如图4所示。

    由图4中可以看出，随着埋深的逐渐增大，路基本体内的动应力峰值逐渐减小，在基床表层处的峰值动应力为481kPa，而路基顶部3.0m深度处路基动应力峰值衰减为71. 5kPa，在埋深为11. 2m时，峰值动应力则非常小，最后达到一个相对稳定的值，对于路基本体内峰值加速度而言，其变化规律与峰值动应力则是一致的。因此，高速列车荷载作用下路基体内的峰值动应力和峰值加速度向下具有一定的传播深度，大致约为5. 0m左右。相反，对于路基本体的位移而言，则不存在影响深度，最大值发生在基床表层，此次计算结果为5. 21mm。因此，在研究高速铁路路基动力特性时需要重点考虑路基本体的峰值动应力和峰值加速度。

2.3.2动力响应随列车行驶速度的变化关系

    为了研究路基动力响应随列车行驶速度的变化关系，本文在路基中心线处自上而下在基床表层设置了监测点，并且调节列车的行驶速度分别为50 ,100 ,150 ,180, 200, 250, 300 ,350 ,400 km/h，具体分析结果如图5所示。

    由图5可知，路基中动应力、加速度以及竖向位移总体上是随着车速的增加而增。但是，动力响应在增长的过程中，出现了两处突变点，即行驶速度分别为150km/h和350km/h，这一突变即为列车行驶的临界速度。这就充分说明了路基本体内的峰值动应力、峰值竖向位移以及峰值加速度随着列车速度的变化存在双峰值现象，这将会对列车运营时速的确定具有积极的参考价值。

2.3.3动力响应随列车轴重的变化关系

    为了充分的研究路基动力响应随列车轴重的变化关系，本文在路基中心线处自上而下布设了15个监测点，并且调节列车的轴重分别为40，30t以及20t，具体分析结果如图6所示。

    由图6可知，随着列车轴重的增加，路基本体内的峰值加速度略有增加，且影响主要集中在基床表层以下部位。然而，路基本体内的峰值动应力和竖向峰值位移则对轴重较为敏感，随着列车轴重的增加而逐渐增大，并且对峰值动应力的影响力也随着轴重逐渐变化。因此，列车的轴重对基床表层处的竖向位移和路基本体内的动应力具有显著影响，但是对前者的影响要明显强于后者，在后续重载铁路设计中需要重点考虑。

3  结语

    1)加速度、动应力以及位移随深度的增加而呈非线性减小，前两者最后趋于稳定。

    2)路基内的动应力值随列车速度的增大而增大。然而，路基本体内部不同埋深处的峰值加速度和峰值动应力、基床表层处的水平和竖向位移随着列车行驶速度的增加呈现多峰值现象。

    3)列车的轴重对基床表层处的竖向位移和路基本体内的动应力具有显著影响，但是对前者的影响要明显强于后者，在后续重载铁路设计中需要重点考虑。