谈谈土质土质路基CRTSⅢ型无碴轨道动力学

论文导读：组轮对作用时要明显更好一些。工况一作用时，各层上的位移时程曲线图的形状与轨道上作用有一个转向架时是基本一样的。区别只是在于当作用两个轮对时，会有两个较大值。从数值大小来看，钢轨在工况一作用下的垂向位移峰值会稍大一些；从振动速度上来看，由于两组轮对共同作用时会产生局部共振现象，从而会局部增大振动幅度与振
【摘要】本文以土质路基上CRTSⅢ型无碴轨道结构作为研究对象，采用有限元软件ANSYS建立模型，对CRTS III型板式无碴轨道进行研究。采用瞬态动力学方法对CRTS III型板式无碴轨道进行分析，总结其规律。本文主要比较两种情况（一组轮对及两组）下轨道结构的垂向动力响应情况，从而求出轨道部件在路基上的响应，研究总结其在动力作用时的受力变形规律。
【关键词】无碴轨道；CRTS Ⅲ型；ANSYS；动力学

1.用ANSYS建立土质路基上无碴轨道分析模型

1.1 梁板模型

用有限元软件ANSYS对土质路基上的无碴轨道进行建模计算，在梁板模型中，钢轨采用弹性点支承梁单元；扣件采用线性弹簧模拟；道床板与底座采用板壳单元进行模拟；地基采用了弹源于：论文格式模板下载www.7ctime.com
簧单元进行模拟，弹簧弹性模量由地基系数换算而来。

1.2 实体模型

CRTS Ⅲ型无碴轨道主要由钢轨、弹性有挡肩扣件、轨道板、自密实混凝土填充层、钢筋混凝土底座或支承层等部分组成。因此可以分别采用以下单元形式模拟：钢轨采用梁单元模拟；扣件采用垂向、纵向以及横向弹簧单元模拟；轨道板和水硬性混凝土支承层选用三维实体单元来模拟；路基采用弹簧单元模拟，其刚度值可由地基系数等效转化得到。

1.3 土质路基CRTSⅢ型无碴轨道计算参数选取

（1）钢轨采用CHN60型
钢轨截面面积：A=7.745×10-3m2；钢轨惯性矩（对水平轴）：I=3.217×10-5m4；钢轨高度：h=0.176m；弹性模量：E=

2.1×1011N/m2；泊松比：μ=0.3；钢轨容重：。

（2）扣件
间距：0.65m；刚度：50kN/mm；阻尼系数：。
（3）道床板
宽度2.8m，厚0.24m；弹性模量：

3.4×104MPa；泊松比：0.2；道床板采用0钢筋混凝土，容重：。

（4）水硬性混凝土支承层
宽度3.4m，厚0.3m；弹性模量：

1.5×104MPa；泊松比：0.2；容重：。

（5）地基弹性系数

2.土质路基CRTS Ⅲ型无碴轨道动力学响应分析

2.1 荷载工况

动车组轴重170kN，计算轴重可由动力系数计算得出。时速为200km时，动力系数取2，时速为250km时，动力系数取2.5，时速为300km时，动力系数取3，一般情况下安全系数也要考虑在内。所有计算都是在认为钢轨静态表面完全理想，并且忽略轨道不平顺影响的情况下进行的。
（1）工况一：一组轮对
在做动力学计算时，当列车分布荷载通过车轮时，将会转化为集中荷载，然后再施加到单元节点上。这是因为在使用有限元进行分析时，单元荷载最终将施加在单元节点上。采用以下假设：1是单元长度（纵向），v是列车速度。假设开始时侯节点1作用有列车荷载p，l/v秒时间后，列车来到节点2，也就是说p开始作用在节点2上，与此同时节点1位置处的p消失；于是当再经历1/v秒时间后，列车又会离开单元2，与此同时会来到节点3位置，也就是说这时候荷载p开始作用于节点3上，与此同时p在节点2的位置上又消失了。
（2）工况二：两组轮对
采用与工况一相似的轮对加载方式，当两组轮对作用时研究结构的垂向动力响应。具体施加荷载的步骤是这样的：①S17m段，继续移动施加荷载于第二组轮对，于此同时第一组轮对将会消失。备注：轮对间的距离为2.5m。

2.2 瞬态动力分析

上述模型在工况一作用下，当行车速度为300km/h时，对土质路基上CRTS Ⅲ型板式无碴轨道结构进行瞬态动力分析。在模型中间位置的道床板以及支承层在上述轨道结构参数作用下，道床板以及支承层横、纵向弯矩时程曲线图，钢轨、道床板和支承层位移时程曲线图和振动速度时程曲线图见图图2.

1、图2.2、图2.3、图2.4、图2.5、图2.6所示。

以上图2.1、图2.2、图2.3、图2.4、图2.5、图2.6模型在工况二作用下，对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构在路基上进行瞬态动力分析。当行车时速是300km时，道床板以及支承层的纵、横向弯矩时程曲线图，钢轨、道床板和支承层位移时程曲线图、振动速度时程曲线图如图2.

7、图2.8、图2.9、图2.10、图2.11、图2.12所示。

3.结论
应用所建立的有限元模型分别对一组轮对与一个转向架下的两种工况进行分析计算，对比分析了轨道结构在这两种工况下各层的纵横向弯矩、垂向振动位移以及振动速度。可以得出一下结论：
由第二节的曲线图可以看出，轮对作用在该点附近时，道床板弯矩的峰值在纵向是14.11kN·m，横向为10.22kN·m，比较一组轮对时的结果，在数值上会发现此处道床板弯矩峰值在纵向上相差不大，而横向上则是稍稍有点小。在相应时间点上时，支承层上的数值会小于道床板的，但是它们的弯矩时程曲线形状则是基本一样的。综合比较分析来看，我们会发现弯矩受力状况在两组轮对作用时要明显更好一些。
工况一作用时，各层上的位移时程曲线图的形状与轨道上作用有一个转向架时是基本一样的。区别只是在于当作用两个轮对时，会有两个较大值。从数值大小来看，钢轨在工况一作用下的垂向位移峰值会稍大一些；从振动速度上来看，由于两组轮对共同作用时会产生局部共振现象，从而会局部增大振动幅度与振动速度。所以在于工况一作用时的情况相比较，振动速度会有所增加，但是数值依然是很集中的。
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作者简介：魏晓文，男，甘肃天水人，兰州交通大学在读硕士研究生，研究方向：道路与铁道工程轨道。