高速铁路路基不均匀沉降对胶黏道砟道床过渡段的影响研究.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202210055开放科学(资源服务)标识码(OSID)高速铁路路基不均匀沉降对胶黏道砟道床过渡段的影响研究胡凯凯,马学宁(兰州交通大学,兰州730070)摘要:以中兰客专某车站为例,采用 ABAQUS 有限元软件建立胶黏道砟道床过渡段的车辆-轨道-路基空间耦合模型,分析列车双向行驶时不平顺激励下折角沉降差异值的影响规律。研究结果表明:折角沉降差异值增大时,列车从无砟轨道至有砟轨道钢轨垂向振动位移与轮轨力增大幅度明显大于反向行驶;上行和下行钢轨垂向位移最大峰值点均处在折角沉降起点 9 m 的位置,而车体垂向加速度、轮轨垂向力上行和下行
2、其峰值点位置均不相同。关键词:高铁路基;过渡段;不均匀沉降;胶黏道砟道床;钢轨位移;动力特性中图分类号:U213.2文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)04 0050 06 0 引言新建有砟轨道客运专线车站岔区,由于车轨系统动力相互作用及排水系统较为复杂,加之西北地区黄土的特殊工程性质影响,运营后线路几何形位变化较快,岔区沉降后日常捣固、垫板起道等维修难度较大,工作效率低,岔区养护维修成为工务系统顽疾。为尽量减少铁路运营后出现影响行车安全的路基病害,降低车站道岔区路基工后沉降,增加旅客的输送能力,需要降低日常捣固、垫板起道等维修的难度和频率,保证车辆安全平顺运行,有必要将有砟
3、轨道岔区改为无砟轨道岔区。在此过程中形成了有砟过渡段和岔区过渡段,由于高速铁路运行速度较快,在经过上述过渡区域时,列车对轨道结构的振动冲击作用加大,轨道结构的使用寿命减短,因此需要对过渡段进行处理。过渡段处理措施研究已较成熟,其中采用道砟胶处理的措施在国内也得到了应用研究。亓伟等1通过现场动态测试分析了道砟胶分段固化道床后线路的道床刚度,从局部黏结区域到部分黏结区域,再到全黏结区域道床刚度逐渐增大;姜涵文等2采用 SIMPACK 和 ANSYS 联合仿真研究了胶黏道砟道床过渡段的动力特性,分析了速度对无砟轨道、胶黏道砟道床、有砟轨道构成完整过渡段动力特性的影响;何斌等3采用 ABAQUS 建立
4、车辆-轨道空间耦合模型,分析了道砟胶用量和固化深度对道床动力学特性的影响;马学宁等4基于轮轨位移协调条件,建立车-路耦合动力分析模型,研究确定了过渡段轨道折角不平顺和余弦型不平顺条件下路桥过渡段各项设计参数的限值;Hu P 等5基于 DAlemberts 原理和多刚体力学建立数值分析模型,并通过现场测试验证该模型,分析得到了钢轨弯曲、差分沉降对过渡段动力性能影响限值。综上,采用道砟胶处理有砟无砟过渡段研究,主要针对道砟胶本身或行车条件对胶黏道砟道床过渡段动力特性影响,路基不均匀沉降对胶黏道砟道床过渡段影响研究较少。因此,分析路基不均匀沉降对胶黏道砟道床过渡段影响具有重要意义6-7。1 工程概况
5、中兰客专某车站黄土路堤及地基处理工程长1 758.46 m,以填方形式通过,路堤边坡最大高度12.30 m。项目位于山前及山间冲洪积倾斜平原,地形较平坦。地层岩性主要为第四系全新统风洪积层砂质黄土、细砂,上冲洪积层砂质黄土、细砂、粗砂。有砟轨道区域地基已采用水泥土挤密桩处理完毕,且路基已填筑到基床底层的顶面。为减少运营后出现路基病害,降低车站道岔区路基工后沉降,需将有砟轨道岔区改为无砟轨道岔区。收稿日期:2022 12 07作者简介:胡凯凯(1996),男,甘肃定西人。硕士研究生,主要从事岩土工程与基础工程方面研究工作。E-mail:。路基工程 50 Subgrade Engineering2
6、023 年第 4 期(总第 229 期)车站中卫端线纵断面布置,见图 1。有砟轨道至无砟轨道过渡区域内按道砟胶分段固化道床的方式过渡,从有砟道至无砟依次为局部黏结道床、部分黏结道床和全黏结道床三种形式,每段长度取6.67 m,过渡段总长度设置为 20.00 m。文献 3 在研究道砟胶用量与固化深度对道床动力特性的影响时,取道砟胶用量分别为 0、36、48 kg/m3;文献 2 将过渡段分为三个区域,依次为局部黏结区域、部分黏结区域和全断面黏结区域,道砟胶用量分别为 20、30、48 kg/m3,道床弹性模量分别为 150、200、240 MPa;文献 8 三个区域的道床弹性模量分别为 160、
7、200、240 MPa,通过逐渐增加过渡区域内的垂向刚度,以此实现轨道刚度的平顺过渡。有砟段胶黏道床过渡段兰州无砟岔区(383.067 m)胶黏道床过渡段20.000 m(研究段)有砟段中卫图1车站中卫端线路纵断面布置 本文从有砟轨道至无砟轨道依次按局部黏结道床、部分黏结道床和全黏结道床进行处理,道床刚度分别取 150、200、240 MPa,分析路基不均匀沉降差异值对车辆、轨道动力特性的影响。道床黏结布置平面,见图 2。胶黏道砟道床,见图 3。双块式无砟轨道道床全黏结区域道床部分黏结区域道床局部黏结区域有砟轨道图2道床黏结布置平面 图3胶黏道砟道床 2 有限元数值计算模型采用 CRH2 型车
8、9,为充分模拟列车垂向荷载作用,建立整车模型考虑沉浮与点头自由度,自由度总数 10 个。整车模型,见图 4。假定:将整车模型视为刚体,不考虑运动过程中的车辆弹性变形;整车外形和质量均对称,不考虑偏心影响。图4整车模型 2.1 计算单元设置建立 CRH2 型客车一节车辆前后转向架及四个轮对二系悬挂车辆模型,二系悬挂通常由轴箱悬挂装置和中央悬挂系统构成;转向架轴箱悬挂装置和中央悬挂系统均以刚度和阻尼元件考虑,在模型中用 ABAQUS 软件提供连接单元(Cartesian)进行模拟;轮对采用解析刚体进行模拟。以上各部分构成只考虑垂向运动的整车模型。扣件采用连接单元进行模拟,其参数,见表 1。轮轨接触
9、采用赫兹接触,切向行为设置为静摩擦-动摩擦指数衰减,法向采用压力-过盈接触。轨道结构有限元模型,见图 5。过渡段有限元模型,见图 6。表1扣件参数轨道结构方向刚度/(kNmm1)阻尼/(kNsm1)有砟轨道垂向6075横向6075无砟轨道垂向2536横向2536 (a)有砟轨道(b)CRTS 型双块式无砟轨道图5轨道结构有限元模型 xyz图6过渡段有限元模型 2.2 车辆动力性能评价指标本文主要分析车体垂向加速度、钢轨垂向位移、轮轨垂向力。车体垂向加速度是评定旅客乘坐舒适度指标,规范规定旅客列车垂向加速度 a 标准为a1.0 m/s2,优秀a1.3 m/s2,良好a2.0 m/s2,合格(1)
10、胡凯凯,等:高速铁路路基不均匀沉降对胶黏道砟道床过渡段的影响研究 51 我国高速试验列车动力车强度及动力学性能规范(95J01-L)中规定,每个车轮作用于钢轨上的垂向力极限值为Pmax=170 kN(2)2.3 轨道不平顺激振源及模型轨道不平顺是车辆和轨道结构的激振源,轨道不平顺加剧了轮轨作用力,并通过轮轨接触关系使车辆与轨道结构振动加剧,同时加剧车辆和轨道部件的破坏,降低了行车安全性与舒适性。本文采用中国不平顺轨道谱,见图 7,研究有砟轨道道床与CRTS型双块式无砟轨道道床过渡段之间的动力特性。ABAQUS 实现的轨道不平顺模型,见图 8。3210123050100150200250300左
11、高低右高低距离/m不平顺/mm图7高低不平顺轨道谱 轮对钢轨图8高低不平顺三维模型 2.4 路基不均匀沉降路基不均匀沉降类型一般分为余弦型沉降、折角沉降与错台型沉降三种形式。有砟轨道与无砟轨道过渡段,通常由于路基填筑压实密度的不均匀及后期过渡段基础刚度的差异,某一段路基垂向位移在较小范围会出现急剧沉降,形成折角沉降。本文主要分析产生折角型沉降时车辆上行(从有砟至无砟)与下行(从无砟至有砟)对胶黏道砟过渡段动力特性的影响,有砟与无砟分界点作为折角沉降的起点。折角沉降工况,见表 2。折角沉降起止点布置,见图 9。表2折角沉降工况工况折角长度/m折角沉降差异值/mm折角/工况11050.5工况210
12、1.0工况3151.5工况4202.0 10沉降起点沉降结束点道床全黏结区域道床部分黏结区域道床局部黏结区域有砟轨道双块式无砟轨道图9折角沉降起止点布置(单位:m)3 折角沉降对过渡段动力特性的影响10 11 3.1 车体垂向加速度上下行车体垂向加速度,见图 10。由于钢轨高低不平顺的影响,车体垂向加速度出现正负值,分别表示向上和向下的加速度。车辆行驶经过沉降起点时,车体的垂向加速度有明显的突变,且上行和下行车体的垂向加速度的峰值点出现在不同的位置,上行最大峰值点距离折角沉降起点的距离为3.04.6 m(位于全黏结区域),而下行最大峰值点刚好处在折角沉降起点的位置。40801201602000
13、.40.30.20.100.10.20.3行车方向行车方向5 mm10 mm15 mm20 mm(a)上行距离/m4080120160200(b)下行距离/m车体垂向加速度/(ms2)车体垂向加速度/(ms2)0.40.30.20.100.10.20.3有砟轨道过渡段无砟轨道有砟轨道过渡段无砟轨道图10上下行车体垂向加速度 车体垂向加速度最大值,见表 3。车体垂向加速度最大值上行大于下行,且随着沉降幅值的增加,车体垂向加速度最大值逐渐增大,上行车体垂向加速度与沉降差异值 5 mm 时对比,幅度分别增大了 42.3%、86.9%、136.9%,说明随着沉降幅值的增加,对轨道结构的振动影响越大,加
14、速了轨道结构的破坏速率。表3车体垂向加速度最大值折角沉降差异值/mm5101520上行/(ms2)0.1300.1850.2430.308下行/(ms2)0.1270.1590.2050.249 3.2 钢轨垂向位移上下行钢轨垂向位移,见图 11。上行和下行钢轨垂向位移在折角沉降范围内均呈倒三角形趋势分布,且上下行曲线基本吻合,最大值均发生在距离折角沉降起点 9 m 的位置(位于部分黏结区域)。钢轨垂向振动位移(相对于轨枕)最大值,见表 4。下行钢轨垂向振动位移的增大幅度大于上行的增大幅度,当沉降差异值达到 20 mm时,下行钢轨垂向振动位移比上行大 8.5%。同路基工程 52 Subgrad
15、e Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)时,随着沉降差异值的增加,下行钢轨垂向振动位移与沉降差异值 5 mm 时对比,分别增大了 3.8%、99.4%、160.0%,这表明沉降幅值越大,对轨道结构的破坏作用越强,因此在线路养护维修过程中应着重处理沉降幅度较大的区域。5 mm10 mm15 mm20 mm95 100 105 110 11512512020151050钢轨垂向位移/mm20151050钢轨垂向位移/mm局部黏结部分黏结全黏结局部黏结部分黏结全黏结距离/m(a)上行95 100 105 110 115125120距离/m(b)下行图11上下行钢轨垂向位移
16、 表4钢轨垂向振动位移最大值mm折角沉降差异值5101520上行0.6760.8661.1681.577下行0.6580.6831.3121.711 3.3 轮轨垂向力上下行轮轨垂向力,见图 12。车辆行驶经过过渡段时,上下行轮轨垂向力先逐渐增大,然后又逐渐减小,由于胶黏道砟道床过渡段道床刚度的变化及路基不均沉降的作用使上行和下行轮轨垂向力最大峰值点出现在不同的位置,上行轮轨垂向力最大峰值点发生在距离折角沉降起点 5.6 m 的位置(位于全断面黏结区域),而下行轮轨垂向力最大峰值点距离折角沉降起点的距离为 12.3 m(位于部分黏结区域)。901001101201300204060801001
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