铁路路基动力特性有限元分析_路基动力触探

　　摘要:为了研究路基的动力响应，利用有限元分析方法，对建立的轨道一路基三维有限元模型，进行高速列车荷载作用下的动力分析。分析了在列车荷载作用下铁路路基的动力响应(速度)的分布规律，有利地促进了高速铁路路基的动态响应研究。
　　关键词:铁路 路基 动力特性 速度时程 有限元
　　1 概述
　　路基是轨道结构的基础，是以密实的土、石构成的土工结构物。铁路线路沿线地质状况复杂，路基类型多样。由于列车荷载的重复作用和长期受外界环境对路基的影响，就是同一类型的路基其性能也各不相同。土的多样性、荷载的随机性和重复性及性状的多变性是与一般土工结构物相比不同的其突出特点。
　　目前，学者们对铁路路基动力响应有限元问题进行了大量的研究，雷晓燕[1]、梁波[2-3]等分别考虑路基动态响应的特点和主要影响因素对上部结构进行适当简化，建立了轨道-路基耦合模型，有利地促进了高速铁路路基的动态响应研究。本文就是在分析高速列车波动引起的动态响应，利用有限元软件建立高速铁路3D路基动力分析模型，在总结和吸收前人研究成果的基础上，结合我国高速铁路路基的动力特性，对影响路基动力特性的因素进行研究。
　　2 有限元模型建立
　　对轨道-路基系统的三维动力性能进行研究的关键就是建立一个合理的计算模型。首先根据路基断面结构，利用有限元软件，建立基于轨道-路基体系的三维有限元模型，确定模型的计算参数，选用合理的高速列车荷载作用下路基的三维模型进行分析。为了考察节点沿深度的时程变化规律我们选取了有代表性的三个节点，编号分别为①（86235节点）、②（81703节点）、③（75188节点），如图1所示。
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　　图1 不同深度处三个代表性节点位置图
　　3 路基速度时程分析
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　　（a）节点速度X轴方向时程曲线变化规律
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　　（b）节点速度Y轴方向时程曲线变化规律
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　　（c）节点速度Z轴方向时程曲线变化规律
　　图2 列车荷载作用下不同深度节点的速度分析曲线图
　　观察列车荷载作用下不同深度节点的速度分析曲线图（见图2），我们可以明显地看出，路基在列车振动荷载作用下节点速度X、Y、Z轴方向时程曲线，都是随着深度的增加对其速度时程影响越来越小，速度时程曲线的波动幅度越来越小，但节点速度X、Y、Z轴三个方向时程曲线变化规律都是一致。
　　3.1 节点速度X轴方向时程曲线变化规律，近似正弦波的形式，先向负的方向波动，达到一个峰值，然后增加，直至达到0，继续增加，达到一个正的峰值点，再下降到第二个负峰值时，曲线开始强烈的波动，然后增加再下降回到最初的0点，趋于平稳。值得注意的是，在第一个正峰值点处于路基最上面位置的节点有小的波动情况。但随着路基深度的增加，速度时程曲线波动越来越小，曲线变化规律基本一致。
　　3.2 节点速度Y轴方向时程曲线变化规律，先是向负方向变化，在负向产生两个波动点，然后逐渐增大达到正值，同样，在正方向也产生两个波动点，再逐渐减小，减小到负值，有一个小负峰值点，但相对于前两次的两个负向波动点数值相对要小得多。但随着路基深度的增加，速度时程曲线波动越来越小，曲线变化规律基本相同。
　　3.3 节点速度Z轴方向时程曲线变化规律，先是向负向增加，越来越大，直至达到峰值点，才不断增加，达到正值后，仍然不断增加，达到正向峰值点，然后下降，回到0点。值得注意的是，负向峰值的明显大于正向峰值2-3倍。但随着路基深度的增加，速度时程曲线波动越来越小，曲线变化规律基本相同。
　　4 结论
　　路基在列车振动荷载作用下节点速度X、Y、Z轴方向时程曲线，都是随着深度的增加对其速度时程影响越来越小，速度时程曲线的波动幅度越来越小，但节点速度X、Y、Z轴三个方向时程曲线变化规律都是一致的。
　　参考文献：
　　[1]雷晓燕，陈水生.高速铁路轨道结构空间动力分析[J].铁道学报，2000，22(5):76-80.
　　[2]梁波.高速铁路路基的动力特性及土工合成材料的应用研究[D].成都:西南交通大学，1998.
　　[3]梁波，蔡英，朱东生.车-路垂向耦合系统的动力分析[J].铁道学报，2000，22(1):65-71.
　　基金项目：
　　黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助（项目编号：12511566）。
　　佳木斯市社会科学重点科研项目资助（项目编号：11 135）。
　　佳木斯大学科学技术研究项目资助（项目编号：L2011-032）。