中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司 陕西神木 719316
摘要：神朔铁路是中国神华能源股份公司的骨干单位——神朔铁路分公司负责经营管理的，是集矿、电、路、港、航、煤化工系统等工程为一体的“八五”计划重点建设项目之一。然而随着经济的快速发展，神朔铁路运量紧张问题日渐凸显，其实重载铁路运输能力问题是一个世界范围内的问题，因此本文采用ABAQUS大型有限元分析软件建立重载铁路轨道路基结构模型，进行空间线弹性有限元数值模拟，分析在不同的基床表层填料、轮轴数、轮载作用位置、轴重及轨下胶垫弹簧刚度变化条件下，列车轮载力在轨枕上的分布规律。同时对不同作用条件下的重载铁路路基结构应力、变形的动力特性进行研究，加强及细化重载铁路基础结构计算，在一定条件下尽可能提高轴重，对进一步提高重载铁路运输能力做出了技术贡献。
关键词：重载铁路；数值分析；线路参数
概述
神朔铁路是我国继大秦铁路之后的第二条西煤东运的大通道，是国家Ⅰ级干线双线电气化重载铁路。它主要承担神府、东胜煤田的煤炭外运任务，是中国神华能源股份公司矿、电、路、港、航、煤化工系统工程的重要组成部分。
神朔铁路西起陕西省神木县大柳塔镇，北与包神铁路相连，南与神延铁路相接，东至山西省朔州市，与北同蒲线接轨，在神池南与朔黄线相连，正线全长270公里。全线桥梁249座，43368.8延米；隧道61座，37429.5延米；涵渠743座，28904.3延米，总长109702.6延米（不包括32公里复线），约占线路总长的22.28%。沿线自然环境恶劣，地形地貌复杂，不少地段高山大岭相连，峡谷河道不断，属条件较差的山区铁路。
神朔铁路自1996年开通运营以来，提前5年实现年运量过亿吨的运期设计能力。然而随着经济的快速发展，神朔铁路运量紧张问题日渐凸显。其实重载铁路运输能力问题是一个世界范围内的问题，随着重载铁路技术进入一个崭新的阶段，伴随其不断的创新，铁路运输能力有了显著的提升。进一步加大运能、提高牵引质量以及提高运输效率是各国重载铁路部门不断追求的目标，是现代重载铁路发展的大趋势，并且有助于提高重载铁路在运输市场的竞争力。因此，加强及细化重载铁路基础结构计算，在一定条件下尽可能提高轴重以提高运输质量，对进一步发展重载铁路技术尤为重要。
1 路基模型几何尺寸及荷载施加
1.1道床、路基尺寸
参照《重载铁路设计规范（报批稿）》，道床尺寸见表1.1所列，道床边坡为1：1.75。计算主要针对单线路堤，基床边坡为1：1.15，具体尺寸见表1.2所示。
将图1.1~图1.4与数值计算结果进行对比。结果表明，荷载分担Gauss函数法与有限元数值分析法所得结果较为吻合，比值差及相对误差等均较小。表明，荷载分担Gauss函数法适用于重载铁路条件下各轨枕分担轮载力比值的确定。
针对重载铁路技术条件，单、双及四轴载作用下，两种方法计算结果均吻合较好。
3 基床结构力学数值分析
采用有限元方法，对不同基床表层填料、不同轮轴作用以及不同轴重条件的重载铁路路基结构进行计算，并对计算结果进行分析。
3.1 不同轴重、轮轴作用下路基动应力计算结果分析
针对不同轴重、不同轮轴作用条件下路基动应力进行计算分析。结果表明，轮载力以动力波的形式通过钢轨、轨枕传递至基床表面，随着深度的增加路基动应力不断衰减，其衰减规律基本一致，但路基面以下不同深度处动应力值及其衰减率因轴重及轮轴作用不同而略有差异。轴重25t不同轮轴作用下路基动应力数值计算结果如表1.3，轴重30t及35t不同轮轴作用下路基动应力数值计算结果如表1.4所列。
根据表1.3及表1.4中路基动应力数值计算结果可知，轮轴作用和基床表层填料相同条件下，随着轴重的提高，路基动应力值也相应增大；在轴重、轮轴作用相同的条件下，基床表层填料的不同致使道床厚度并不相同，A组填料下道床厚度较级配碎石填料下道床厚度要大，因此列车轮载力传递至轨枕底的压力在道床层中扩散、衰减较多，从而导致传递到路基内的动应力减少，故道床厚度增大，路基动应力相应减小；相同轴重及基床表层填料情况下，轴数的增多，则路基内动应力值也相应增大。
与轴重25t下路基面动应力相比，轴重30t下无论基床表层填料为A组填料还是级配碎石，路基面动应力增加比例均约为20%；轴重35t条件下，基床表层采用
A组填料路基面动应力增加比例大概为40%，采用级配碎石时增加比例为30%左右。
相比于轴重25t下路基面动应力，轴重每提髙5t，路基面动应力相应增加约18%（Ａ组填料）及10%（级配碎石）。
3.2 不同轴重、轮轴作用下路基动变形计算结果分析
表1.5为不同轴重及轮轴作用条件下路基动变形数值计算结果。
4 结束语
采用ABAQUS大型有限元分析软件建立有砟轨道路基结构模型，进行空间线弹性有限元数值模拟，分析了在不同的基床表层填料（Ａ组填料或级配碎石）、轮载作用（单、双及四轴载）以及不同轴重（25t、30t及35t）条件下，列车轮载力在轨枕上的分布规律及基床结构的动力响应特性。结果表明：
（1）无论基床表层为Ａ组填料还是级配碎石，不同轴重、相同轮轴数情况下，轨枕承担轮载力的根数基本一致（即单轴载下轮载力由5根轨枕承担，双轴载下由8-9根轨枕承担，四轴载下由15根轨枕承担），但轨枕承担轮载力比值的大小却略有差异。据此可得，轴重及基床表层填料没有轴间距对轨枕承担轮载力范围及比值大小造成的影响显著。
（2）在扣件刚度参考值范围内，扣件刚度的变化对轮载力的影响范围没有影响，对轨枕承担轮载力比值大小影响不显著。（3）重载铁路条件下的荷载分担Gauss函数法与有限元计算结果具有较好的一致性，比值差平均值在0.63%~1.39%范围内、平均值仅为1.1%，相对误差平均值在2.38%~29.47%之间、平均值约为10.71%，说明荷载分担Gauss函数法适用于重载铁路条件下各轨枕分担轮载力比值的确定。
（4）不同轴重下，路基动应力数值解与理论计算值（路基常遇动应力）较接近，且在基床范围内，理论计算值仅略大于数值解，最大相对差值仅有10%的偏差（最大差值和相对差值均出现在基床中部区域），说明釆用路基－轨道一体化空间计算模型所得结果较为准确。同时，路基动应力理论计算值衰减速率略慢于数值解，从结构设计的角度上讲偏于安全。
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论文作者:张永刚
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/4
标签：路基论文; 铁路论文; 应力论文; 轨枕论文; 轮轴论文; 填料论文; 条件下论文; 《基层建设》2017年第36期论文;