基于MeshFree的路基上高速铁路无砟轨道静力分析——以我国自主研发的CRTS III型轨道为例

1.背景

       截至2018年底，中国高铁营业里程达到2.9万公里以上，超过世界高铁总里程的三分之二。占全世界总里程的超过2/3，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。2018年，预计全国铁路旅客发送量33.13亿人次，同比增长9.0％，其中高铁动车组发送20.01亿人次，占比达60.4％，同比增长16.6％。这其中最为重要的部分之一便是高速铁路无砟轨道。

      高速铁路无砟轨道结构与普通轨道结构一样，由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质截然不同的材料承受来自列车车轮的作用力，它们的工作是紧密相关的，任何一个轨道零部件性能、强度和结构的变化都会影响其他零部件的工作条件，并对列车运行质量产生直接的影响。由于列车速度的提高与轨道结构的作用力及速度成正比，高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性。为保证轨道结构的这些要求，轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的性能都比普通轨道部件高得多。作为铁路基础设施的轨道结构是一庞大的系统工程，其受力状态极其复杂，运营条件的任何变化都会直接引发受力状态的变化，而作为轨道结构基础的桥梁、路基的状态和性能对轨道结构有决定性影响，因此，作为高速铁路和高速铁路的轨道结构，具备良好的基础并在正常受力条件下运营就显得特别重要。

2.主要技术参数

       本文运用首先利用ABAQUS软件建立了我国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道部件，其主要由钢轨、扣件系统、轨道板、自密实混凝土、底座板、基床等组成，如图2-1，然后利用MeshFree的CAD导入功能，将装配好的部件导入新建的模型中。

                                                       图 2-1 CRTSⅢ型轨道板结构组成       

2.1 钢轨及扣件模型

       本模型根据工程实际情况选取了我国高速铁路现行钢轨类型中的60kg/m钢轨，将在CAD软件中建好的钢轨断面图另存为dxf格式,如图2-2，并通过Import-Sketch命令将钢轨断面图导入到Abaqus中，并用实体单元来进行模拟。钢轨设计参数钢轨参数见表2-1。

                                                     图2-2  60kg/m钢轨（单位：mm）

 表2-1钢轨设计参数钢轨参数

名称	数值	单位
弹性模量	205.9	GPa
密度	7830	kg/m3
泊松比	0.3	-

        扣件考虑了纵向、横向和垂向的刚度和阻尼，将钢轨与轨道板之间的单元节点连接起来，采用线性弹簧-阻尼单元进行模拟，间距为0.63m，每个扣件提供的最大纵向阻力为9.0KN。扣件系统模拟具体参数。        根据工程实际情况，扣件选用WJ-8型扣件。

2.2 轨道板参数

       轨道板是由预制的预应力钢筋混凝土组成的结构，混凝土强度等级取为C60。单块轨道板的尺寸为长5600mm、宽2500m、厚210mm。相邻两板之间设置宽为70mm的板缝。

表2-2 轨道板结构参数

部件名称	参数名称	数值	单位
轨道板	密度	2500	kg/m3
弹性模量	36.5	GPa
泊松比	0.2	-

2.3 自密实混凝土参数

      自密实混凝土的混凝土强度等级为C40，其尺寸为长5600mm、宽2500mm、厚100mm。并在其下部区域设置两块尺寸为长700mm、宽1000mm、深100mm的凸台与底座板凹槽相连。

      自密实混凝土的材料参数如表2-3所示：

表2-3 自密实混凝土结构参数

部件名称	参数名称	数值	单位
自密实混凝土	密度	2450	kg/m3
弹性模量	32.5	GPa
泊松比	0.2	-

 

2.4 底座板模型

        底座板的混凝土强度等级取C40，其尺寸为长16.99m、宽3.1m、厚0.3m。采用三块纵连的单元式方案，即在其中部共设有6个凹槽，与上部自密实混凝土凸台相咬合，凹槽四周填充弹性垫层。

        底座板材料参数如表2-4所示：

表2-4 底座板结构参数

部件名称	参数名称	数值	单位
底座板	密度	2500	kg/m3
弹性模量	32.5	GPa
泊松比	0.2	-

 

2.5 基床模型

     其尺寸为长24m、宽3.4m、厚0.35m，其材料参数如表2-5所示：

表2-5 基床结构参数

部件名称	参数名称	数值	单位
基床	密度	2100	kg/m3
弹性模量	0.13	GPa
泊松比	0.3	-

 

2.6 接触及约束定义

       1）钢轨两端采用对称约束。

       2）轨道板和自密实混凝土间粘接良好，采用焊接连接模拟。

       3）自密实混凝土和底座板间粘接良好，采用焊接连接模拟。；自密实混凝土凸台四周与底座板凹槽也采用焊接连接模拟。

       4）考虑到轨道结构固定于基床上，故底座板和基床之间采用焊接连接模拟。

       5）基床横断面采用对称约束，底部完全固结。

3 计算与分析

       本文研究的是在无砟轨道在静力荷载作用下轨道板的力学特征。为了消除边界效应，取三块轨道板纵连来建立有限元模型，研究对象为中间部分，如图3-1。在模型的中部施加了60kn的集中力，经分析最终竖向位移为-0.36mm,与Abaqus的计算结果相近，且符合相关规范要求，计算结果合理。

                                                      图3-1     MeshFree中CRTS III 型高速铁路轨道

         模型中的部分设置如图3-2所示，MeshFree和Abaqus模型的整体沉降分别如图3-3、3-4所示

                                                          图3-2    MeshFree中的部分设置

                                   图3-3  MeshFree中模型的最终计算结果

                                        图3-4   Abaqus中模型的最终计算结果

        从上面两个图中可以看出，对于静力分析，在同等尺寸和同等计算条件下，两者的计算结果相差3.71%：Abaqus中模型中部的整体竖向位移为-0.3643mm,MeshFree中模型中部的整体竖向位移为-0.3508mm,，验证了计算结果的可靠性。此外，图3-5给出了MeshFree结算结果的评价,即归一化总误差为24.8%。

                                             图3-5 MeshFree计算结果评价

         有关模型的计算文件和文字说明word版详见附件：高速铁路轨道静力分析.rar

高速铁路轨道静力分析.rar