高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法

摘要

本发明公开了一种高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法，该方法包括如下步骤：应用ABAQUS软件对高速列车车辆的结构、无砟轨道结构和桩板结构进行模拟仿真，建立高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型；对该空间耦合动力学模型进行动力学分析。本发明的方法考虑了承载板下方的土体对承载板的支承作用以及土体对桩的约束作用，使得桩板结构的造价明显降低。采用本发明的方法建立的高速铁路列车-轨道-桩板结构空间耦合动力学模型，结构更加完善，模型更加细致，各项参数均可以按照实际设计参数和现场实测数据取值，可以得到各细部结构在动力学条件下的计算结果，能有效指导桩板结构的合理设计、铺设和养护维修等。

说明书

技术领域

本发明属于铁道工程设计技术领域，特别涉及高速铁路列车-轨道-桩板结 构的动力耦合分析方法。

背景技术

目前，我国的高速铁路技术在国际上处于领先地位。采用桩板结构的新型 路基已经在现有的高速铁路中广泛应用。在实际工程实践中，通常采用现有技 术的静态方法或准静态方法设计桩板结构。由于静态方法和准静态方法均不考 虑承载板下方的土体对承载板的支承作用以及土体对桩的约束作用，通常采用 梁体模型进行设计，从而导致桩板结构的造价较高。工程实践表明，桩板结构 在列车动荷载作用下比其在静荷载作用下受到的作用力较大；并且在列车动荷 载作用下，采用桩板结构的新型路基的动力响应的传递和衰减规律与传统的路 基不同。现有技术的静态方法和准静态方法均不能解决桩板结构在列车动荷载 作用下的上述技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高速铁路列车-轨道-桩板 结构的动力耦合分析方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法包括如下 步骤：

应用ABAQUS软件对高速列车车辆的结构、无砟轨道结构和桩板结构进行 模拟仿真，建立高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型；

对该空间耦合动力学模型进行动力学分析。

优选地，所述步骤“应用ABAQUS软件对高速列车车辆的结构、无砟轨道 结构和桩板结构进行模拟仿真，建立高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合 动力学模型”包括如下子步骤：建立高速列车车辆的多刚体模型，且该多刚体 模型包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂；选用ABAQUS软件的实 体单元对钢轨进行模拟，根据实际的钢轨截面的形状和尺寸建立钢轨模型，建 立钢轨模型时要考虑钢轨的截面积、惯性矩、扭转弯矩、纵向线位移、横向线 位移、垂向线位移、转角和轨底坡；采用ABAQUS软件的弹簧单元对扣件进行 模拟，考虑扣件的纵向刚度、横向刚度和垂向刚度；按照LM磨耗型踏面建立 轮对的踏面模型，轮轨的接触类型采用ABAQUS软件的面对面接触类型，该面 对面接触类型的主面为车轮踏面，其从面为轨头上表面和轨头内侧表面；采用 ABAQUS软件的实体单元对轨道板、砂浆填充层和支撑层进行模拟，考虑轨道 板、砂浆填充层和支撑层的几何尺寸和物理属性；采用ABAQUS软件的实体单 元对桩板结构进行模拟，考虑桩板结构的几何尺寸和物理属性；采用摩尔-库 伦本构模型和ABAQUS软件的实体单元对路基土体进行模拟，考虑现场勘测的 土体参数；采用库仑摩擦模型对桩土接触进行模拟，考虑接触面的摩擦系数。

优选地，所述步骤“采用ABAQUS软件的实体单元对轨道板、砂浆填充 层和支撑层进行模拟，考虑轨道板、砂浆填充层和支撑层的几何尺寸和物理属 性”以及所述步骤“采用ABAQUS软件的实体单元对桩板结构进行模拟，考 虑桩板结构的几何尺寸和物理属性”的物理属性包括弹性模量和泊松比。

优选地，所述步骤“对该空间耦合动力学模型进行动力学分析”包括如下 子步骤：计算得到包括轮轨力、车体垂向加速度和车体横向加速度的动力学安 全性指标；计算得到包括钢轨加速度、钢轨垂向位移和钢轨横向位移的钢轨动 力学计算结果；计算得到包括轨道板垂向加速度、轨道板垂向位移和轨道板动 应力的无砟轨道结构动力学计算结果；计算得到包括承载板和桩的垂向加速 度、垂向位移、横向位移、动应力的桩板结构动力学计算结果。

优选地，所述无砟轨道结构包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆填充层和支撑 层。

优选地，所述桩板结构包括多个桩和设置于该多个桩顶端的承载板。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的方法考虑了承载板下方的土体对承载板的支承作用以及土体 对桩的约束作用，使得桩板结构的造价明显降低；

(2)采用本发明的方法建立的高速铁路列车-轨道-桩板结构空间耦合动力 学模型，结构更加完善，模型更加细致，各项参数均可以按照实际设计参数和 现场勘测数据取值，可以得到各细部结构在动力学条件下的计算结果，能有效 指导桩板结构的合理设计、铺设和养护维修等；

(3)本发明可以弥补高速铁路桩板结构动力分析研究的不足，有助于形成 我国高速铁路桩板结构的技术条件，完善我国高速铁路技术体系，研究成果将 直接服务于我国高速铁路的建设，具有重要的理论与现实意义。

附图说明

图1为高速铁路列车车辆的多刚体模型图；

图2为钢轨实体单元模型图；

图3为轮轨接触关系的示意图；

图4为轮轨接触力与钢轨压缩量的关系曲线图；

图5为轨道板实体单元模型图；

图6为桩板结构实体单元模型图；

图7为桩板结构和路基土体实体单元模型图；

图8为桩板结构与路基土体接触对的示意图；

图9为高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型的正视图；

图10为高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型的半剖图；

图11为高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型的立体图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

实施例1

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法包括如 下步骤：

S1：应用ABAQUS软件对高速列车车辆的结构、无砟轨道结构和桩板结构 进行模拟仿真，建立高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型；

S2：对该空间耦合动力学模型进行动力学分析。

上述步骤S1中所述的无砟轨道结构包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆填充 层和支撑层。

上述步骤S1中所述的桩板结构包括多个桩和设置于该多个桩顶端的承载 板。

上述步骤S1包括如下子步骤：

S1.1：建立高速列车车辆的多刚体模型，且该多刚体模型包括车体、转向 架、轮对、一系悬挂和二系悬挂，如图1所示；

S1.2：选用ABAQUS软件的实体单元对钢轨进行模拟，根据实际的钢轨截 面的形状和尺寸建立钢轨模型，建立钢轨模型时要考虑钢轨的截面积、惯性矩、 扭转弯矩、纵向线位移、横向线位移、垂向线位移、转角和轨底坡，如图2所 示；

S1.3：采用ABAQUS软件的弹簧单元对扣件进行模拟，考虑扣件的纵向刚 度、横向刚度和垂向刚度；

S1.4：按照LM磨耗型踏面建立轮对的踏面模型，轮轨的接触类型采用 ABAQUS软件的面对面接触类型，该面对面接触类型的主面为车轮踏面，其从 面为轨头上表面和轨头内侧表面，轮轨接触如图3所示，轮轨接触力与钢轨压 缩量的关系曲线如图4所示；

S1.5：采用ABAQUS软件的实体单元对轨道板、砂浆填充层和支撑层进行 模拟，考虑轨道板、砂浆填充层和支撑层的几何尺寸和物理属性，如图5所示；

S1.6：采用ABAQUS软件的实体单元对桩板结构进行模拟，考虑桩板结构 的几何尺寸和物理属性，如图6所示；

S1.7：采用摩尔-库伦本构模型和ABAQUS软件的实体单元对路基土体进行 模拟，考虑现场勘测的土体参数，如图7所示；

S1.8：采用库仑摩擦模型对桩土接触进行模拟，考虑接触面的摩擦系数， 桩板结构与路基土体接触对如图8所示。

高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型的正视图如图9所示， 其半剖图如图10所示，其立体图如图11所示。

上述步骤S1.5和步骤S1.6中所述的物理属性包括弹性模量和泊松比。

上述步骤S2包括如下子步骤：

S2.1：计算得到包括轮轨力、车体垂向加速度和车体横向加速度的动力学 安全性指标；

S2.2：计算得到包括钢轨加速度、钢轨垂向位移和钢轨横向位移的钢轨动 力学计算结果；

S2.3：计算得到包括轨道板垂向加速度、轨道板垂向位移和轨道板动应力

的无砟轨道结构动力学计算结果；

S2.4：计算得到包括承载板和桩的垂向加速度、垂向位移、横向位移、动 应力的桩板结构动力学计算结果。

本实施例比较分析了列车速度对桩板结构的影响，以列车速度分别为 250km/h、300km/h、350km/h三种工况为例计算桩板结构的应力、位移和加速 度。计算结果参见表1。

表1：不同列车速度条件下桩板结构的应力、位移和加速度计算结果比较。

由表1的计算结果分析得出，桩板结构的主要应力、位移和加速度均随着 列车速度的提高而增大，即列车速度越高，列车对桩板结构的动力作用越明显。

本发明所建立的高速铁路列车-轨道-桩板结构的空间耦合动力学模型，结 构更加完善，模型更加细致，各项参数均可以按照实际设计参数和现场实测数 据取值，可以得到各细部结构在动力学条件下的计算结果，能有效指导桩板结 构的合理设计、铺设和养护维修等。

本发明可以弥补高速铁路桩板结构动力分析研究的不足，有助于形成我国 高速铁路桩板结构的技术条件，完善我国高速铁路技术体系，研究成果将直接 服务于我国高速铁路的建设，具有重要的理论与现实意义。

实施例2

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了列车车辆满载和空载两种条件下桩板结构的应力、位移和 加速度的变化。本实施例的轴重是指列车车辆满载和空载两种条件下的轴重， 其中，满载是指按照车厢乘客为100人，且人均体重为65kg计算，即满载相 当于在空载的基础上增大了6.5t。计算结果参见表2。

表2：不同轴重条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表2的计算结果可以看出，随着轴重的增大，由于承载板的垂向位移及 桩的侧向位移增加，这使得板土的相互作用以及桩土的相互作用均明显增大。 但总体来看，桩土的接触应力以及板土的接触应力的数值均较小，远小于路基 基床土体的设计允许值。

实施例3

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

列车在高速行驶时，会产生横向摇摆力等水平作用力。参考《铁路桥涵设 计基本规范》相关规定，本实施例以横向摇摆力为100kN为例计算桩板结构 在有、无横向作用力下的桩土相互作用、以及板土相互作用的特性。计算结果 参见表3。

表3：有、无横向摇摆力条件下桩板结构的应力、位移和加速度计算结果比较。

由表3的计算结果可以看出，相对于无横向摇摆力作用，当施加横向水平 力后，桩板结构和路基的垂向位移基本没有变化，横向位移和动应力显著增大， 桩土的接触应力以及板土的接触应力均有所增大。由此可见，当桩板结构受水 平力作用时，会显著增大桩土的相互作用，充分说明了路基土体对桩的侧向约 束作用。

实施例4

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

桩板结构路基在运营一段时间后，在车辆动力作用下路基土体可能会产生 压密下沉，从而使承载板与路基土体产生分离，改变桩板结构桩土的相互作用、 以及板土的相互作用特性。因此，参考《高速铁路设计规范》、并综合考虑已 有工程实践，以承载板与土体正常接触和板下脱空两种工况为例来对比研究桩 土的相互作用、以及板土的相互作用特性。计算结果参见表4。

表4：板土接触和板下脱空条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表4可以看出，与不脱空相比，承载板下土体脱空时，承载板的动位移、 加速度和动应力均有所增大。由此可以看出，不考虑板下土体的作用，会明显 增大承载板的高频振动与动振幅。这也说明，目前采用不考虑板下土体支承作 用的经验设计方法存在缺陷。

实施例5

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

表5：不同曲线半径条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

本实施例分析了曲线半径对桩板结构力学特性的影响，参考《高速铁路设 计规范》及已有工程实践，以曲线半径为7000m、9000m和11000m三种工况 为例分析曲线半径的变化对桩板结构桩土相互作用、以及板土相互作用特性。 计算结果参见表5。

由表5的分析数据可以看出，由于高速铁路采用了大半径曲线，离心力又 被超高所平衡，使得即使在不同的半径下，桩土相互作用、以及板土的相互作 用也变化不大。

实施例6

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了桩径对桩板结构力学特性的影响，以桩径分别为0.8m、 1.0m、1.2m三种工况为例进行桩-板-路基土体相互作用影响分析。计算结果参 见表6。

表6：不同桩径条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表6的计算结果可以看出，采用大直径的桩，由于增大了结构的刚度， 减小了承载板的挠曲变形，从而减小了板土的接触应力；同时，采用大直径的 桩，由于增大了桩土的接触面积，从而也使得桩土的接触应力减小。

实施例7

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

分析桩长对桩板结构力学特性的影响，以桩长分别为15m、20m、25m三 种工况为例进行桩-板-路基土体相互作用影响分析。计算结果参见表7。

表7：不同桩长条件下桩板结构主要应力、位移计算结果比较。

由表7的计算结果可以看出，桩长越长，桩土的相互作用、以及板土的相 互作用就越小。这主要是由于采用较长的桩，增大了结构的竖向刚度，从而减 小了承载板的垂向变形以及桩顶的横向变形，使得桩土相互作用、以及板土的 相互作用有效减小。

实施例8

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了承载板跨度对桩板结构力学特性的影响，选以承载板跨度 分别为5m、7.5m两种工况为例进行桩-板-路基土体相互作用影响分析。计算 结果参见表8。

表8：不同承载板跨度条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表8的计算结果可以看出，增大桩板结构的纵向跨度，会明显增大桩土 的接触应力、以及板土的接触应力。但从各计算值来看，桩土的接触应力、以 及板土的接触应力均很小，满足设计的要求。因此，从降低造价的角度来看， 可采用较大跨度的桩板结构，并充分发挥承载板下路基土体对板的支承作用与 对桩的侧向约束作用。

实施例9

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

表9：不同承载板厚度条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

本实施例分析了承载板厚度对桩板结构力学特性的影响，以承载板厚度分 别为0.4m、0.6m、0.8m三种工况为例进行桩-板-路基土体相互作用影响分析。 计算结果参见表9。

由表9的计算结果可以看出，采用厚度较大的桩板结构，由于增大了结构 的刚度，使得板土、桩土的相互作用有所减小。

实施例10

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了路基填料对桩板结构力学特性的影响，改变路堤填料性质 进行桩板结构桩-板-土相互作用影响分析，以填料1的压缩模量为80.6Mpa， 填料2的压缩模量为120Mpa为例。计算结果参见表10。

表10：不同路基填料条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表10的计算结果可以看出，当路堤填料密实时，板土土体能给承载板 提供更多的竖向支承作用，给桩提供更大的侧向约束作用。

实施例11

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了路堤高度对桩板结构力学特性的影响，以路堤高度分别为 4m、6m、8m三种工况为例进行桩-板-路基土体相互作用影响分析。计算结果 参见表11。

表11：不同路堤高度条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表11的计算结果可以看出，由于高速铁路一般采用良好的路基填料， 当填筑高度较大时，相对来说结构的整体刚度大，承载板的垂向变形及桩的侧 向变形小，从而使得桩土的相互作用、以及板土的相互作用减小。

实施例12

本实施例提供的高速铁路列车-轨道-桩板结构的动力耦合分析方法与实施 例1相同。

本实施例分析了桩的支承形式对桩板结构力学特性的影响，分别进行摩擦 桩和端承桩情况下桩板结构桩-板-土相互作用影响分析。计算结果参见表12。

表12：桩的不同支承条件下桩板结构的应力、位移和加速度的计算结果比较。

由表12的计算结果可以看出，桩的不同支承形式对承载板的动响应有一 定影响。相对于摩擦桩，当采用端承桩时，承载板跨中的动位移、桩土相互作 用、板土相互作用的应力均减小，加速度、动应力均增大。由此可见，相对于 摩擦桩，端承桩的刚度大，加速度显著增大，在同样桩长的情况下，嵌岩端承 桩的侧向变形较小，从而有较小的桩土相互作用趋势，即采用端承桩可以一定 程度上起到减小承载板下路堤的受力、变形的作用。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示 意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可 以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同 替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例 技术方案的精神和范围。