1、 重载铁路桩板结构力学特性及有砟轨道合理型式研究1 引言1.1 研究的背景及意义随着我国经济的快速发展，铁路货运量将进一步增长，作为我国能源主体的煤炭运量必将稳步增长，西煤东运、北煤南运的任务量仍将持续增加，发展重载运输是实现铁路现代化的强有力保障，也是实现铁路效益最大化的必然选择。重载铁路是一种可能穿越不同地理区域的长大工程，线路沿途往往存在大面积的软土、膨胀土、黄土、盐渍土、杂填土等特殊土场地，在这些地质条件上修建重载铁路往往会出现路基变形过大、工后沉降难以满足要求等问题，且随着列车轴重和运行速度的增加，导致了路基病害的加重，继而造成路基状态的进一步恶化，形成恶性循环。因此，本文尝试将承载
2、力高、沉降小、刚度大、稳定性好的桩板结构应用在重载铁路路基上来控制路基结构的变形，改善路基结构的受力状况，从而降低重载线路养护维修工作量和费用，提高重载运输的安全与效益。桩板结构作为一种可以有效控制路基沉降的新型轨下结构形式，在我国郑西客运专线、武广高速铁路以及京沪高速铁路等多条高速铁路无昨轨道上都有广泛应用，对其在高速铁路高频轻荷载作用下的力学性能和工作机理有了较多的认识，但是其在重载铁路有昨轨道上的研究和应用还很少，现有的桩板结构型式其承载力能否满足重载铁路列车大轴重低频率荷载的要求，以及有昨轨道与桩板结构这种硬质基础的适用性等问题目前尚不清楚，因此，针对上述问题有必要对重载铁路桩板结构的
3、力学特性及桩板结构上有碎轨道的合理型式进行研究，为桩板结构在重载铁路上的应用提供理论指导。1.2 国内外被板结构研究及应用现状在工程应用方面，国外的铁路己经有应用桩板结构进行路基加固的实例，并取得了很好的加固效果。最初使用桩板结构路基进行加固的是 20 世纪 90 年代初的芬兰人，他们最初是想发明一种新型路基结构来满足沉降控制要求。第一个工程应用实例是在芬兰西南部沼泽地区的 Turku-Toijala 重载铁路中，为满足 170km/h 的运行速度要求，而修建了 400m 的抽板结构路基，如图 1-1 所示。德国纽伦堡一英戈尔施塔特线 Nuremberg-Ingolstadt)应用了被板结构路
4、基，其H 的是为了加固具有膨胀性的粘土地基，采用了直径为 0.9m 的钻孔灌注桩，桩顶钢筋混凝土板厚为 0.6ml。在桩板结构路基与土质路基的过渡段，为了减小刚度的差异，采用了厚度 h。为了达到实际运营速度为 300km/h, 为 450km/h 的要求，决定铺设桩板结构。2 重载铁路有昨轨道被板结构数值模型2.1 软件介绍由于数值仿真和计算机硬件技术的迅速发展，一些复杂的工程技术问题不需要进行现场试验即可进行理论研究，有限元软件可以快速有效的模拟桩板结构的静、动力学特性。本文主要采用大型非线性有限元软件 ABAQUS 进行计算分析。ABAQUS 拥有大量的单元模型、材料模型和分析过程，是国际
5、公认的功能最强大的有限元软件之一。它广泛的应用在了各国的工业和研究中，是很多高科技产品开发的非常有用的软件。ABAQUS 软件广泛的应用在我国的土木工程、核工业、石油、水利、地矿等领域，为各领域的科学研究、安全评价及工程设计做出了重大的贡献53。ABAQUS 的非线性计算功能非常方便，通过合理的计算方法、模型、参数，可以很好的模拟解决接触条件复杂变化的以及简单的线弹性问题、静态和准静态问题、稳态和动态问题以及隐式求解和显式求解等问题。ABAQUS 有限元分析主要有两个主求解器模块一 ABAQUS/Standard和 ABAQUS/Explicit。在进行大轴重荷载作用下桩板结构路基静力分析时主
6、要选用 ABAQUS/Static, General 分析步来进行求解；在进行车辆一轨道稱合动力学数学模型分析时主要采用ABAQUS/ExpHcit 求解器，其对模拟高速动力学和强非线性的良好支持，以及较高的效率，成为求解高速列车一轨道一路基稱合系统最合适的求解器。.2.2 计算参数选取为了获得精确的结果，恰当地定义阻尼在大多数线性动力学问题中是十分必要的。但是，阻尼在某种意义上只能近似地模拟了结构吸收能量的特性，引起这种效果的物理机制并不能由阻尼的设置去模拟，因此，确定模型中所需要的阻尼是不容易的。本模型土体使用 Rayleigh 阻尼，计算 Rayleigh 阻尼系数 a 和存需要通过土体
7、固有频率和阻尼比。车辆系统的特点是多自由度、非线性和多刚体。从车辆动力模型复杂度大致分为整车模楚、转向架半车模型和单轮对模型。第一种可以完整反映车辆各主要部件的相互作用，本文在动力模型中使用整车模楚。重载货车的转向架釆用转 K6 型转向架，转 K6 型转向架具有侧架交叉支撑转向架所有的技术优点。将弹性元件布置在轴箱处，相当于给转向架塘设一系悬挂装置，降低了转向架的黃下质量，还可以对轮对起到弹性定位的作用，线路与转向架之间的不良动作用力得到减小，转向架的动力学性能得到改善，轮轨的磨耗降低，转 K6 型转向架见下图 2-3 所示。3 大轴重荷栽作用下桩板结构力分析.393.1 桩板结构静力学特性分
8、析 393.2 桩板结构动力学特性分析.473.3 桩板结构路基与普通路基对比分析.603.3.1 静力对比分析.603.3.2 动力对比分析.623.4 本章小结.644 低频荷载作用下桩板结构力学特性分析.674.1 桩板结构自振频率及影响因素分析.684.2 低频荷载作用下桩板结构动力响应.744.3 低频荷载的影响因素分析.824.4 本章小结.835 重栽铁路桩板结构有砟轨道合理型式研究.855.1 轨枕型式合理性研究.885.2 减振措施合理性研究.915.3 本章小结.975 重载铁路被板结构有碎轨道合理型式研究5.1 轨枕型式合理性研究为了减小重载铁路桩板结构有昨道床的应力和加
9、速度，结合过去己有的研究成果，本节主要考虑将宽轨枕应用在重载铁路桩板结构有昨轨道上，并计算分析了宽轨枕型式的桩板结构有炸轨道的动力特性。宽轨枕是一块预制的混凝土板，长度与普通混凝土轨枕相同，而宽度约为后者的两倍。由于宽轨枕宽度较大，直接铺设在预先压实的道床面上，在制造中对其厚度的控制要求较严格。由于宽轨枕有效支撑面积较大，所以道床应力及道床振动加速度都较小。同时宽轨枕加强了轨道结构，其线路变形小，轨道的养护维修工作量少。因此混凝土宽轨枕轨道适用于运输繁忙、行车密度大的线路。对比分析宽轨枕与普通轨枕的桩板结构动力响应可知，宽轨枕由于增大了与道床的接触面积，可以有效地降低道床应力和道床加速度，道床
10、垂向加速度降低约 21.9%，应力减小约 36.9%。采用宽轨枕也可以降低承载板和路基土体的振动响应，具有降低钢轨和道床变形的优势，但是宽轨枕的使用使得道床的刚度增大，其车辆和钢轨的加速度较普通轨枕略有增大。在综合经济性、施工及养护维修等方面考虑，建议在重载铁路桩板结构有碎轨道上使用宽轨枕。.结论本文在广泛搜集国内外桩扳结构的研究现状以及我国重载铁路路基病害基本状况等资料的基础上，合理联合有限元与无限元方法，对重载铁路大轴重和低频荷载作用下桩板结构的力学特性及桩板结构上有砟轨道的合理型式进行研究分析，主要得到如下结论：承载板应力、挠度及轨道结构的静、动力响应均未超过相应规范的限值，满足开行轴重
11、为 25t 的大轴重重载列车的要求。桩板结构承担约 50%的垂向荷载，纵向荷载主要由桩承担，横向荷载主要由桩侧土体承担。桩板结构的垂向动位移主要由桩底土体性质决定；桩与路基土体动力响应沿深度衰减，且土体由于材料特性的原因衰减更明显，在路基基床部分衰减了大部分；桩板结构路基土体的动应力远小于参考值 150Kpa 的要求，表明了桩板结构对重载铁路路基填料较为宽松。承载板厚度、桩径和桩长的增加会增大桩板结构的刚度，从而使轨道结构稳定性增加，同时桩板结构及路基土体的振动响应相应减小；承载板跨度的增加使得结构刚度减小，增大了桩板结构及路基土体的振动。承载板跨度、厚度及桩长对系统的动力响应影响显著，而桩径对系统动力响应的影响很小。因此，在满足要求的情况下可以适当的减小桩径，从而减少工程投资。
