高速铁路无轨道路基模型实尺模型试验系统

高速铁路无轨道路基模型实尺模型试验系统

高速铁路的发展为传统铁路的设计、施工和维护提出了新的课题。就路基工程而言,高速铁路改变了传统的设计观念,主要表现在:一是路基结构形式的变化,包括有砟轨道和无砟轨道;二是路基工后沉降控制成为路基设计的关键;三是路基刚度是列车-轨道-路基系统刚度的重要组成部分目前,对高速铁路路基动力学研究主要从理论分析、数值模拟及试验等三方面进行。由于高速铁路路基结构中轨道板-路基结构之间的作用问题相当复杂,这方面的理论研究还相当薄弱,而数值分析中设计参数难以准确选取,计算结果值得商榷。因此,可通过建立与原型具有相似性规律的高速铁路路基试验模型,在结构实际工作状态下,借助科学仪器和设备,人为地控制试验条件研究高速铁路路基的动力响应特性。与现场试验受场地等因素影响较大相比,室内试验可以严格控制试验参数,并进行重复试验Gobela等从上述分析可知,目前的轨道-路基动力学模型研究的内容有:路基动力响应和变形特性随列车荷载作用次数、轴重以及速度的变化规律;不同基床结构、不同材料的基床动力特性。由于目前建立的轨道路基模型尺寸小,受边界条件影响大,模型试验中列车动力荷载的模拟都是采用连续的正弦函数或冲击荷载来模拟,荷载作用位置不变,无法考虑相邻车厢相邻转向架不同轮对之间的动荷载叠加效应,与实际的铁路动力荷载相差较大,因此不能准确反映铁路路基内的主要动态响应特性。基于此,为研究不同轨道结构下路基在不同列车运行速度下的动力响应特性,本文建立轨道-路基全尺试验模型。根据试验模型和加载方案,提出模型试验的加载装置,并参照试验模型采用有限元建立扣件点的反力时程曲线,通过叠加得到模型试验的动力加载时程曲线。11.1路基模型填筑与放坡轨道路基模型试验在模型槽内进行,模型槽长16m,宽13m,高4m,槽壁为厚度1.5m钢筋混凝土,槽壁下方设有人工挖桩基础。路基基床底层下方路堤填筑厚度2m,基床底层2.3m,基床表层0.4m,基床两侧按1∶1.5进行放坡。路基填料采用改良后的级配碎石,路基模型在填筑过程中严格按规范进行,填料的基本参数见表1。填筑后模型如图1、图2所示。为研究不同轨道结构下路基的动力响应特性,在基床表层上依次布置CRTSⅠ型双块式无砟轨道板、CRTSⅡ型板式无砟轨道板和CRTSⅠ型板式无砟轨道板,见图3。1.2路基模型测试元件布置为测试路基动力响应特性,沿线路纵向共布置3个主要测试断面和2个辅助测试断面,主要测试断面上测试元器件有静土压力盒、动土压力盒(竖向和水平)、加速度计、单点沉降计、沉降板,辅助测试断面上测试元器件有静土压力盒、动土压力盒(竖向和水平)、加速度计、单点沉降计。路基模型中测试元器件布置的总数量见表2。测试元器件纵向布置网格见图3,典型横向布置剖面见图4。1.3动力荷载分配系统试验采用多个作动器联动加载模拟高速列车荷载,加载装置包括反力架、作动器和分配梁系统,加载装置见图5。反力架各部分组成形状参照MTS疲劳加载的钢门架进行设计,各截面均为焊接钢结构箱型截面。作动器荷载幅值为204kN,行程为2mm,频率为40Hz。作动器通过反力架固定安装在路基中央,作动器下部与刚性分配梁(焊接钢结构箱型截面)连接,刚性分配梁放置于短钢轨上,短钢轨与扣件点相连。考虑到加载效果、制作成本以及加载空间,沿线路共布置5个作动器,每个作动器通过短钢轨与2对相邻的扣件点相连。动力荷载分配系统如图6所示。试验中加载分两次进行,首先对CRTSⅠ型双块式无砟轨道和CRTSⅠ型板式无砟轨道进行加载,再对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行加载。两次加载时作动器的布置如图7所示。2轨道板扣件反力列车在无砟轨道上运行时在土层所产生的荷载是由轮轨间的相互作用力经扣件点传递至轨道板上,然后由轨道板传递并扩散至基床表层,最后传递至路基体。在列车运行的实际情况中,轨道板直接承受的作用力并非列车荷载,而是轨下扣件的压力。因此,通过计算求得列车经过时引起的扣件反力,并将其作用于轨道板扣件点上,即可模拟列车对轨道-路基结构的作用。目前,实测列车运行时扣件点的反力时程很少,本文采用有限元求解列车运行过程中扣件点的反力时程。2.1轨道路基有限元模型参照轨道路基全尺模型,采用ANSYS有限元软件建立无砟轨道-路基体系的三维有限元分析模型,模型长16m。以CRTSⅡ型板式无砟轨道为例,路基结构从上向下依次为钢轨、轨下扣件、轨道板、CA砂浆、混凝土支承层、基床表层、基床底层和基床以下的路基本体。轨道路基有限元模型网格划分如图8所示。钢轨采用BEAM188梁单元,轨道板采用SHELL63弹性壳单元,混凝土板、基床及路基本体均采用SOLID45实体单元,扣件和CA砂浆采用COMBIN14弹簧-阻尼单元。钢轨、轨道板、混凝土支承层等结构采用线弹性模型,基床及路基本体采用黏弹性模型。扣件和轨下胶垫系统的等效刚度为4.38×102.2扣件点反力时程曲线的建立以列车运行速度为350km/h的CRH3/CRH380型动车组为例,取列车轴重为170kN,假定轮载均匀分布,则轮载考虑到轮载的叠加效应主要集中在两个相邻车厢的相邻转向架的各轮对之间,同一车厢两转向架之间的叠加效应较小从图10可以看出,通过有限元计算得到的扣件点反力时程曲线存在突兀的峰值与锐角,结合模型试验中采用的MTS伺服加载系统对加载函数的要求,对扣件点反力时程曲线中进行高阶Fourier变换,设(sin(2式中,扣件点反力时程Fourier变换后结果见图11中A曲线。2.3作动器加载时程模型试验中,每个作动器通过动力荷载分配体系向相邻的扣件点传递荷载,因此输入作动器的荷载时程应为其连接扣件点反力时程的叠加。为获得作动器的加载时程,应将扣件反力时程分别向前、后偏移时间差Δ(由式(2)可得作动器加载时程曲线,见图11中B曲线。由于作动器无法对钢轨施加拉力,可由式(3)得到当作动器连接2对扣件点时作动器实际输入时程曲线方程。(3)作动器加载时,还应考虑实际列车经过时的周期效应。以车厢长度为25m的CRH3/CRH380型动车组为例,运行速度为350km/h时,周期为0.257s,作动器加载时程曲线如图12所示。采用同样的处理方法,通过有限元计算、三阶Fourier变换以及叠加可获得其他速度下作动器的输入时程曲线。3多作动器联动下的列车动力荷载研究(1)建立轨道路基全尺模型试验系统,包括轨道路基模型、路基动力响应测试系统、列车荷载模拟加载系统。该试验系统不仅考虑边界、尺寸效应等因素对路基动应力的影响,而且能对不同轨道板、不同速度、不同轴重下路基的动力响应进行研究。(2)提出多作动器联动来模拟列车动力荷载的加载装置,并根据试验条件提出动力荷载分配体系。该列车动力荷载模拟装置不仅能提供不同轴重、不同速度下的列车动力荷载,而且考虑了相邻车厢相邻转向架不同轮对之间动力荷载的叠加效应。(3)根据轨道路基全尺模型,建立三维有