维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第４期 华北水利水电学院学报 Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．４ ２００７年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＮｏＡｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｇ．２００７ 文章编号：１００２—５６３４（２００７）０４—００３０—０３ 铁路路基动力响应的分布规律研究 孙常新 ，邢 矿 ，姜 彤 ，梁 波 （１．华北水利水电学院，河南郑州４５００１１；２．重庆交通大学，结构工程重点实验室，重庆４０００７４） 摘要：在模拟了铁路轨道不平顺和高速列车振动荷载的基础上，分析了铁路路基动力响应（位移、加速度、 应力）在列车荷载作用下线路横断面的分布规律，得到路基动力响应的横断面分布图，找出了路基动力响应 的最不利位置．将模拟计算出的路基动力响应数值与秦沈客运专线现场测试试验的实测数据对比，结果一致． 关键词：秦沈客运专线；铁路路基；动力响应分析；有限元分析；分布图 中图分类号：Ｕ２１３．１ 文献标识码：Ａ 铁路路基是铁道工程的重要组成部分．研究在 动力响应应力、加速度、位移的分布规律．具体有限 列车运行荷载作用下，路基内所产生的应力、加速 元网格划分如图１所示． 度、位移等动力响应的分布规律和变化规律及其影 ， ， 响因素很有意义…． 目前，我国对铁路路基内动力响应问题已经进 行了相当深入的研究，特别是近几年在车路耦合方 面取得了很大进展 ．但是还有不少问题尚待解 决，特别是列车和路基的振动相互影响问题（尤其 共振问题）． 笔者通过运用电算程序模拟计算出铁路路基动 力响应（位移、加速度、应力）值在铁轨下的横断面 图１ 结构有限元网格划分示意图 分布规律． 。 程序中所选用的车辆基本计算参数是根据我国 １计算方法及参数 自行研制的动力集中型动车组“中华之星”，该车最 计算中采用的列车荷载为一个能够涵盖速度、 大轴重１９．５ ｔ，最高行车速度３００．０ ｋｍ／ｈ，运营速度 ２７０．０ ｋｍ／ｈ￣ 线路不平顺、矢高、轮重等一系列因素在内的模拟荷 ． 载 Ｊ，所用的有限元网格的尺寸参照了秦沈客运专 使用电算程序ＤＹＮＥＸＰ２Ｄ进行模拟计算 ，采 线的路基断面：双线铁路路基，路堤为１２．５ ｍ，路堑 用Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则和Ｎｅｗｍａｒｋ隐式时间 为１２．１ ｍ，线间距为４．６ ｍ；路基基床表层厚０．６ ｍ， 积分法求解动态平衡方程¨ ．求解的内容包括：岩 基床底层厚１．９ ｍ；路堤本体高３．’１ ｍ，计算深度为 土工程、隧道与地下结构物在平面应力、平面应变和 地面以下２０．０ ｍ，采用粘滞边界条件，共分成２６１个 轴对称情况下的非线性瞬时动态问题． 单元，３００个节点． 在选用材料计算参数时参考了秦沈客运专线和 计算中分成轨枕、道床、基床表层、基床底层、路 有关轮轨系统高速、准高速铁路的有关资料，选取铁 堤、地基６种不同材料进行 ，主要计算了铁路路基 路轨下结构各部分材料的计算参数见表１ ． 收稿日期：２００７—０１—３０；修订日期：２００７一ｏ３—０８ 作者简介：孙常新（１９８０～），男，河南鹤壁人，华北水利水电学院助教，硕士，主要从事岩土工程方面的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第４期 孙常新等： 铁路路基动力响应的分布规律研究 ３１ ２铁路路基动力响应的分布规律 ２．３路基竖向应力值的分布规律 图４为铁路路基竖直方向应力值的分布图．由 通过程序计算（ ＝２００．０ ｋｍ／ｈ）得到铁路路基 图４可知：①竖向应力大都集中在路基基床表层以 横断面的位移、加速度、应力等一系列数据（仅单线 上部分，路基基床表层顶面以下部分的竖向应力值 过车时），根据所得数据绘制成图（图形中虚线位置 的范围大致为０．０～１００．０ ｋＰａ；②应力分布比较 表示路基基床顶面，加速度和应力值较为集中分布， 集中． 这里仅给出集中分布图）． ２．１路基竖向位移值的分布规律 图２为铁路路基竖直方向的位移值的分布图． 由图可知：①路基及地基的竖直方向位移值的取值 范围大致为０．０～５．５ ｍｍ；②竖向位移随深度的增 加而减小，且深度越大衰减越缓慢，在距离轨面 ２０．０ ｎｌ多处位移值变为０．０ ｍｍ；③竖向位移值分 布较为均匀． 图４竖直方向应力图（部分）（单位：ｋＰａ） ２．４路基最大主应力 的分布规律 图５为铁路路基最大主应力 的分布图．由图 ５可知：①在路基基床部分（表、底层）分布有较大的 嫠 最大主应力 ，范围大致为０．０～１６０．０ ｋＰａ，且有 应力集中圆存在；②最大主应力 分布比较集中， 路基基床（表、底层）以外部位 基本为０．０ ｋＰａ． －５．ＵＵ—Ｚ ．ｕ。 ＵＵ—Ｉ Ｕ—Ｉｕｕ—０．Ｕ ｕｕ ．ｕ １０Ｕ Ｊ ｕ ｕ ｕ ．ｕ．５０．ｕ 横向距离 图２竖直方向位移值分布图（单位：ｍｉｌ１） ２．２路基竖向加速度值的分布规律 图３为铁路路基竖向加速度值的分布图．由图 ３可知：①竖向加速度值最大为２２．０ ｍ／ｓ ，且大都 集中在路基基床表层以上的范围内；②路基基床 （表、底层）范围内的加速度值为２．Ｏ～４．０ ｍ／ｓ ，基 床底层底面以下加速度基本为零；③加速度值分布 图５最大主应力图（部分）（单位：ｋＰａ） 比较集中． ２．５双线同时过车与单线过车路基动力响应分析 通过计算分析可以得到：２种情况下铁路路基 内产生的应力值相差不大，双线同时过车时产生的 竖向应力值较单线过车时大，双线同时过车时产生 的竖向应力基本上分布在路基基床表层以上，仅单 线过车时产生的应力分布较为靠下，基本上分布在 图３竖直方向加速度值分布图（部分）（单位：ｍ／ｓ ） 路基基床底层和路堤范围内． 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 华北水利水电学院学报 ２００７年８月 ３实例分析 萎 。 秦沈客运专线为我国第一条准高速铁路，旅客 项目的部分数据进行对比． 表２不同行车线路时动力响应值比较表 由表２看出：①程序计算出的数值比现场试验 得到的数据要大，可能是由测试误差和计算误差共 同造成的，程序计算出的数值和现场试验得到的数 参 考 文 献 据所反映的动力响应值的变化规律一致；②在不同 ［１］王其昌．高速铁路土木工程［Ｍ］．成都：西南交通大学 行车线路时对于位移值和加速度值而言，计算值比 出版社，２０００． 测试稍大，但不同项目下的计算值与测试值的比值 ［２］屈晓辉．我国高速铁路轮轨系统尚应深入研究的几个 基本一样，说明２种方法得出的变化规律一致． 技术问题［Ｊ］．铁道工程学报，２００３，７７（１）：６５—６８． ［３］雷晓燕．铁路轨道结构数值分析方法［Ｍ］．北京：中国 ４ 结语 铁道出版社，１９９８：３７—４２． ［４］周神根．高速铁路路基基床设计［Ｊ］．路基工程，１９９７， 通过对车速 ：２００．０ ｋｍ／ｈ时，横断面动力响 ７２（３）：１０—１３． 应值在铁路轨下结构内的分布规律分析得出以下 ［５］常杰峰．秦沈客运专线路基主要技术标准与设计［Ｊ］． 结论： 路基工程，２００２，１０４（５）：６—１２． １．位移值的分布范围比较大，加速度和应力的 ［６］梁波．高速铁路路基的动力特性及土工合成材料的应 分布范围相对较小； 用研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，１９９８． ２．位移、加速度、应力在路基基床（特别是基床 ［７］潘昌实．隧道力学数值方法［Ｍ］．北京：中国铁道出版 表层）内的值比其他位置要大得多，这就对铁路路 社，１９９５． 基基床的刚度和强度提出了更高的要求； ［８］兰州交通大学．秦沈客运专线试验科技攻关项目测试 ３．影响铁路路基动力响应值的因素有：轨道的 分析报告［Ｒ］．兰州：兰州交通大学，２００３． 不平顺程度，行车方式 ，列车轴重，行车速度，基 ［９］夏禾．车辆与结构相互作用［Ｍ］．北京：科学出版社， ２００２． 床表层和底层的厚度、刚度和地基土的性质等． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｒａｉｌｗａｙ’ｓ Ｓｕｂｇｒａｄｅ’ｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ＳＵＮ Ｃｈａｎｇ．ｘｉｎ ，ＸＩＮＧ Ｋｕａｎｇ ，ＪＩＡＮＧ Ｔｏｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｂｏ （１．Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｉｔａｔｉｎｇ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｔｒａｃｋ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｒｏａｄ ｔｒａｉｎ，ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｂｇｒａｄｅ’ｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｒｕｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ ｌｏａｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｒｏａｄ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ’Ｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ’Ｓ ｓｕｂｇｒａｄｅ’Ｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｉｓ ｇｏｔｔｅｎ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｄｉｓａｄＶａｎｔａｇｅ０ｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ’Ｓ ｓｕｂｇｒａｄｅ’Ｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｑｉｎ—Ｓｈｅｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｌｌｎｅ ｆｏｒ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｔｒａｎｓｐｏ￣ ｉｓ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｄａｔｅｓ，ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｑｉｎ—Ｓｈｅｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｌｉｎｅ ｆｏｒ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ；ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｉｓｔｒｉｂｕ— ｉｒｎｇ ｄｉａｇｒａｍ
