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摘要：无砟轨道已广泛铺设于我国高速铁路上。路基在高速列车的循环荷载下，不可避免的会发生沉降变形。采用基于ABAQUS软件建立的高速列车-轨道空间耦合动力学模型，对不同沉降特征的路基沉降、不同列车速度等工况下，列车-轨道动力特性进行了研究。
关键词：无砟轨道；ABAQUS；耦合动力学
1 概述
目前，无砟轨道已广泛铺设于我国高速铁路上。路基在高速列车的循环荷载下，不可避免的会发生沉降变形。当发生区域性沉降变形后，考虑列车的高速动力作用，无砟轨道结构层之间的相互作用机理将更为复杂，列车-轨道系统的动力性能也会发生明显变化。
本章采用基于ABAQUS软件建立的高速列车-轨道空间耦合动力学模型，对不同沉降特征的路基沉降、不同列车速度等工况下，列车-轨道动力特性进行了研究。
2 路基不均匀沉降
目前，对于无砟轨道路基地段不均匀沉降曲线，我国建议采用（正）余弦型基础变形影响降曲线，波长20m。余弦型不均匀沉降曲线如图1所示。
假设地基面层不均匀沉降形式为全波长余弦型沉降，表达式为：
图3 轮对模型
本文采用赫兹接触理论对轮轨关系进行简化。根据上述公式计算出的轮轨力，建立的轮轨接触模型如图4所示。
图5 钢轨实体单元模型
扣件采用线性弹簧单元模拟；轨道板、砂浆填充层、底座板、路基均采用实体单元进行模拟。CRTSⅠ型板式无砟轨道实体模型和列车-轨道-路基耦合动力学模型如图6所示。
图7 车辆-轨道-路基耦合动力学模型
4 地面沉降下无砟轨道动力学特性
对不同特征的路基沉降、不同列车速度等工况下，列车-轨道动力特性进行了研究。
4.1 不同沉降幅值的影响
为了研究地面发生余弦型沉降，不同沉降幅值对无砟轨道及车辆的动力特性影响，沉降波长为20m，选取不同沉降幅值，车速固定为300km/h进行动力学计算。沉降工况分别为：5mm/20m、10mm/20m、15mm/20m、20mm/20m、25mm/20m、30mm/20m。
不同地面沉降幅值下列车和无砟轨道动力响应如表1所列。
由以上计算结果可知，当沉降幅值不断增加时，车辆和无砟轨道各项动力响应均有所增加。随着地面沉降幅值由5mm/20m、10mm/20m、15mm/20m、20mm/20m、25mm/20m、30mm/20m变化，车体垂、横向加速度分别由0.062g增加到0.136g，0.035g增加到0.056g；轮轨垂、横向力分别由125.588 kN增加至133.256 kN，10.289 kN增加到13.598 kN；轮重减载率和脱轨系数分别由0.111增加到0.640，0.089增加到0.165；钢轨加速度和位移分别由225.574g增加至226.371g，0.759mm增加到0.957mm；轨道板加速度和位移分别由6.232g增至6.511g，0.163mm增加到0.178mm。
4.2 不同沉降波长的影响
不同地面沉降波长对无砟轨道影响的范围会相应发生变化，为了研究沉降波长对对无砟轨道及车辆的动力特性影响规律。选取不同沉降波长，车速固定为300km/h进行动力学计算。沉降工况分别为：15mm/10m、15mm/20m、15mm/30m、15mm/40m、15mm/50m。
不同沉降波长下，列车和无砟轨道动力响应计算结果如表2所列。
由以上计算结果可知，当沉降幅值不变，地面沉降波长由10m逐渐增加50m，车辆和无砟轨道各项动力响应逐渐减小。车体垂、横向加速度分别由0.093g减小到0.086g，0.0028g减小到0.0019g；轮轨垂、横向力分别由132.043kN减小到125.776kN，12.345kN减小到10.244kN；轮轨减载率和脱轨系数分别由0.459减小到0.301，0.132减小到0.099；钢轨垂向加速度和钢轨垂向位移分别由228.349g减小到212.904g，0.934mm减小到0.674mm；轨道板加速度由6.54g减小到6.132g，0.174mm减小到0.163mm。
4.3 不同车速的动力影响
地面发生15mm/20m沉降，车辆以不同车速200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h通过沉降地段，列车和无砟轨道动力响应计算结果如表3所列。
由以上计算图表可知，当沉降工况不变，车速由200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h逐渐增加时，车体和无砟轨道各项动力响应均相应增加。车体垂、横向加速度分别0.078g增加到0.09g，0.01g增加到0.03g；轮轨垂、横向力分别由127.328kN增加到132.035kN，10.98kN增加到12.264kN；轮轨减载率和脱轨系数分别由0.305增至0.425，0.075增至0.119；钢轨垂向加速度和垂向位移分别由200.153g增至241.783g，0.729mm增至0.873mm；轨道板加速度和垂向位移分别由5.124g增至7.777，0.15mm增至0.177mm。
5 结束语
基于ABAQUS软件建立的车辆-轨道-路基耦合动力学模型，对采用不同车速、不同地面沉降幅值、不同地面沉降波长、以及不同沉降型式的地面沉降下，无砟轨道的动力学特性进行了研究。
（1）当地面发生余弦型沉降，车辆通过沉降区域，沉降幅值越大，对车辆-无砟轨道系统的动力影响越大。地面沉降值从5mm/20m变化到30mm/20m，车辆的横、垂向加速度、轨道的振动加速度和位移、轮轨力和车辆运行安全系数都有不同程度的增加。
（2）地面余弦型沉降波长越大，车辆-无砟轨道动力响应值越小。随着沉降波长由10m增加到50m，车辆和无砟轨道各项动力响应逐渐减小。
（3）车辆以不同车速通过地面沉降区域，车速由200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h逐渐增加时，车体和无砟轨道各项动力响应均相应增加。
参考文献
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作者简介
汤超，男，毕业于北京交通大学，硕士研究生，专业：道路与铁道工程，职称：工程师，研究方向：轨道工程。
论文作者:汤超
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/5
标签：轨道论文; 路基论文; 动力学论文; 动力论文; 车辆论文; 波长论文; 列车论文; 《防护工程》2017年第30期论文;