路基沉降量和行车速度对整体道床受力性能的影响研究

王之鲁

摘要：通过有限元软件ANSYS建立了高速铁路无砟轨道整体道床有限元模型，分析了当高速铁路列车行驶速度分别为250 km/h、300 km/h、350 km/h及400 km/h与路基沉降量分别为0、5、10、15、20、25、30、35及40（单位mm/20 m）时，整体道床各受力性能的变化规律，探讨了不同路基沉降量与不同行车速度对钢轨位移、道床板位移以及道床板应力等特性的影响，在此基础上，深入研究了路基沉降量与行车速度对整体道床受力性能的影响。

关键词：高速铁路；动力响应；整体道床；路基沉降；行车速度

中图分类号： U21文献标志码：A

0引言

高速铁路列车运行速度逐渐提升使列车对整体道床结构的动力响应也相应增大[1-2]，高速铁路路基作为承载列车荷载和整体道床荷载等上部结构荷载的承重构件，一旦发生沉降，整体道床的線型平顺性将会受到影响[3-4]，当列车通过该路段时，在路基沉降导致的轨道不平顺与列车振动冲击的激励下，整体道床系统将发生空间耦合振动响应，整体道床及列车的动力响应将会受到显著影响[5-7]。所以对于路基沉降量和行车速度对整体道床受力性能的影响研究极有研究价值。

秉承科学、实用、创新的精神，立足实践，利用AN？ SYS建立整体道床有限元模型，展开一系列相关研究，探讨分析路基沉降量与行车速度对整体道床受力性能的影响，这一系列研究成果具有重要的理论研究价值与工程实际意义，为我国的高速铁路建设和列车安全运营提供有力支撑，积极推动我国高速铁路建设发展。

1有限元模型建立

有限元法因其易于求解与高精度等特点而受到各界人员的青睐，加之其建模能力强、求解能力强、非线性分析能力强等优势而广泛应用于结构等多个领域，因此本论述选取ANSYS进行分析研究。

1.1模型几何尺寸及其物理参数

结合实际工程，整体道床有限元模型几何尺寸及材料参数见表1所列。

1.2单元类型合理选取

钢轨采用Beam188单元进行模拟；扣件采用Com？ bin14单元来模拟；轨枕、道床板、支撑层与路基采用Solid65，通过设定不同的特性分别进行模拟；考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移作用，利用分离式方法进行建模，钢筋采用Link8进行模拟[8-9]。

1.3模型建立

利用有限元软件ANSYS建立双块式无砟轨道实体模型，自上而下依次由钢轨、扣件、轨枕、道床板、支承层和路基等组成，模型如图1、图2所示。

2不同沉降量和不同运行速度下整体道床的力学性能分析研究

2.1钢轨位移分析研究

提取不同沉降量与不同行车速度下的钢轨位移（单位：mm）做绘图处理，如图3所示。

根据图3可知：随着沉降量和行车速度的增加，钢轨位移也呈现出增大的趋势，但是不同沉降量、不同行车速度下其增长幅度不同。在相同的沉降量下，行车速度越大，钢轨位移则越大，且其增长幅度也越大；在相同的行车速度下，沉降值越大，钢轨位移则越大，且其增长幅度也越大。对于行车速度为300 km/h和350 km/h，当沉降量超过10 mm/20 m时，钢轨位移增幅相对于沉降量小于10 mm/20 m时要更大。四种行车速度下，沉降量为10 mm/20 m与15 mm/20 m相比较，钢轨位移增大较多，此后随着沉降值的增大其增长幅度有所放缓，尤其是当行车速度为250 km/h与300 km/h时这一现象更为明显，但是随着行车速度的提高，钢轨位移的增幅逐渐增大，这一现象逐渐被覆盖，所以从钢轨位移的角度出发，在高速铁路提速升速的同时应当严格把控路基沉降。

2.2道床板位移分析研究

提取不同沉降量与不同行车速度下的道床板位移（单位：mm）做绘图处理，如图4所示。

根据图4可知：随着沉降量和行车速度的增加，道床板位移也呈现出增大的趋势，但是不同沉降量、不同行车速度下其增长幅度不同。在相同的沉降量下，行车速度越大，道床板位移则越大，且其增长幅度也越大；在相同的行车速度下，沉降值越大，道床板位移则越大。四种行车速度下，沉降量为5 mm/20 m、10 mm/ 20 m与15 mm/20 m时，道床板位移增大较多，此后随着沉降值的增大其增长幅度有所放缓，尤其是当行车速度为250 km/h时这一现象更为明显，但是随着行车速度的提高，道床板位移的增幅逐渐增大，这一现象逐渐被覆盖，所以从道床板位移的角度出发，在高速铁路提速升速的同时应当严格把控路基沉降。

2.3道床板应力分析研究

提取不同沉降量与不同行车速度下的道床板应力（单位：MPa）做绘图处理，如图5所示。

根据图5可知：随着沉降量和行车速度的增加，道床板应力也呈现出增大的趋势，但是不同沉降量、不同行车速度下其增长幅度不同。在相同的沉降量下，行车速度越大，道床板应力则越大，且其增长幅度也越大；在相同的行车速度下，沉降值越大，道床板应力则越大，且其增长幅度也越大。当沉降量超过10 mm/20 m时，道床板应力增幅相对于沉降量小于10 mm/20 m时要更大。四种行车速度下，沉降量为10 mm/20 m与15 mm/20 m相比较，道床板应力增大较小，此后随着沉降值的增大其增长幅度有所增加，尤其是对于各行车速度这一现象更为明显，这是因为当路基刚发生沉降时，道床板则会随路基沉降产生下挠，但是由于沉降幅度较小，支撑层在很大程度上还是支撑着道床板，因此道床板应力增加较为缓慢，但是随着路基沉降的继续增大，道床板与支撑层之间产生了“脱空”较多，此时道床板应力必然增大且其增长幅度也会更大。所以从道床板应力的角度出发，在高速铁路提速升速的同时应当严格把控路基沉降。

3结论

通过建立的有限元模型，研究了不同路基沉降量和不同行车速度对整体道床受力性能的影响，得出以下结论。

（1）当列车经过路基沉降区段时，相比于未发生路基沉降区段而言，整体道床各项力学性能均有明显的恶化，而且随着路基沉降量的增大，恶化情况更为严重；在相同行车速度下，随着路基沉降的恶化，車体垂向加速度和道床板位移近似于线性增长，而钢轨位移最大值和道床板应力增幅越来越大。

（2）行车速度对于整体道床影响显著，很明显当行车速度越来越快时，行车速度越大，钢轨位移、道床板位移以及道床板应力变化幅度也越大。

（3）随着沉降量和行车速度的增加，无砟轨道整体道床车体垂向加速度、钢轨位移、道床板位移以及道床板应力等特性也呈现出增大的趋势，但是不同沉降量、不同行车速度下其增长幅度不同。从整体道床车体垂向加速度、钢轨位移、道床板位移以及道床板应力等特性的角度出发，在高速铁路提速升速的同时应当严格把控路基沉降。

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