城市軌道交通高架橋防脫護(hù)軌設(shè)計(jì)研究

冉 蕾，馮 健，李俊璽

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

軌道交通脫軌情況有很多種原因：有軌道交通系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)在的原因,如線路、軌道、車輛、橋梁等專業(yè)的設(shè)計(jì)參數(shù)合理匹配問題；有風(fēng)、地震等天災(zāi)原因,也有無法測定的因素。針對城市軌道交通,應(yīng)有一個(gè)安全合理的防范措施,設(shè)置防脫護(hù)軌是有效的防范措施之一。

1 國內(nèi)概況

我國國家鐵路設(shè)置護(hù)輪軌的位置一般是在有砟橋面和明橋面,結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其作用為當(dāng)列車在橋頭、橋上有護(hù)軌地段脫線時(shí),可將列車限制于護(hù)軌與基本軌之間,以防列車翻落橋下。護(hù)軌采用普通鋼軌制作,為方便軌道養(yǎng)護(hù)維修,利于機(jī)械作業(yè),有砟橋面基本軌與護(hù)軌凈距采用500 mm。

圖1 國鐵有砟橋上護(hù)軌

在國鐵碎石道床線路,道砟穩(wěn)固性能較差,小半徑曲線的緩和曲線,容易減載發(fā)生脫軌事故,在曲線內(nèi)股設(shè)置防脫護(hù)軌。護(hù)軌的作用主要防止列車車輪因懸浮(或減載)發(fā)生的脫軌事故,輪緣槽寬度也為60～85 mm。

我國城市軌道交通線路防脫護(hù)軌首先在上海明珠線高架橋設(shè)置,將國鐵碎石道床線路護(hù)軌結(jié)構(gòu)移植到軌道交通整體道床上,城市軌道用的防脫護(hù)軌輪緣槽一般為60～85 mm,當(dāng)一側(cè)車輪輪緣將要爬上軌頂面時(shí),同一輪對的另一側(cè)車輪的輪背與護(hù)軌接觸,促使要爬軌的車輪恢復(fù)到正常位置,防止列車脫軌。

近年來各地地鐵都對護(hù)軌的設(shè)置進(jìn)行了研究,目前城市軌道的防脫護(hù)軌主要采用2種不同的結(jié)構(gòu)形式。

北京地鐵和上海地鐵采用DPⅡ-60型防脫護(hù)軌,護(hù)軌采用15 kg/m輕軌,在2個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)之間,用專用的支架將護(hù)軌固定到鋼軌上。見圖2。

圖2 上海地鐵DPⅡ-60型防脫護(hù)軌

這種護(hù)軌優(yōu)點(diǎn)是支架與軌枕不發(fā)生緊固關(guān)系,可適用于任何軌枕,支架拆裝方便,但由于護(hù)軌支架下部高度較高,不適用于梯形軌枕等鋼軌與道床之間空間小的地方,同時(shí)由于護(hù)軌型號較多,不利于施工和養(yǎng)護(hù)維修。

廣州地鐵是在鋪設(shè)防脫護(hù)軌地段采用特殊的扣件系統(tǒng),在扣件鐵墊板上增加護(hù)軌支架,將護(hù)軌固定在支架上,護(hù)軌采用UIC33槽型護(hù)軌,見圖3。

圖3 廣州地鐵用防脫護(hù)軌

這種形式的護(hù)軌優(yōu)點(diǎn)是施工方便,支架直接安裝在軌枕上,整體強(qiáng)度較大,護(hù)軌抗橫向力大,缺點(diǎn)是此處扣件與別處不同,運(yùn)營后如要增設(shè)護(hù)軌,則需拆裝鋼軌扣件,工作量較大。

地鐵新線建設(shè)規(guī)模的空前加大,高架線路的比例也不斷增加,因此需要設(shè)計(jì)一種安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、通用性好的防脫護(hù)軌裝置。

2 防脫護(hù)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

無砟軌道的軌下空間較小,新型護(hù)軌的支架底部到鋼軌軌底的高度為30mm,安裝距離可以滿足所有軌道結(jié)構(gòu)通用的要求。

護(hù)軌采用UIC33槽型鋼軌加工制造,強(qiáng)度大,安全系數(shù)高,耐磨損,使用壽命長。

扣板與支架采用斜面壓緊的方式,使扣板與鋼軌密貼,消除了鋼軌及各零部件制造公差而產(chǎn)生的縫隙。

在發(fā)生脫軌危險(xiǎn)時(shí),輪背與護(hù)軌會(huì)發(fā)生激烈的碰撞,此時(shí)產(chǎn)生很大的橫向力,超出護(hù)軌支架能承受的最大值,護(hù)軌自身的抗橫向力已不能滿足要求。為此,在支架底部粘貼一塊橡膠墊層,支架產(chǎn)生過大的變形時(shí),墊層與道床接觸,可共同抵抗橫向荷載。

主要結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 新型護(hù)軌組裝

2.2 橫向荷載計(jì)算

扣板與鐵墊板作為一體計(jì)算,P為脫軌時(shí)撞擊護(hù)軌的橫向力,N1為扣板扣壓鋼軌處反力。支架受力圖示見圖5,有限元分析圖示見圖6。計(jì)算結(jié)果見表1。

圖5 墊板及扣板受力圖示

圖6 橫向力為62 kN時(shí)應(yīng)力分布

表1 不同橫向力下的支架應(yīng)力和扣板反力

3 護(hù)軌試制試驗(yàn)

在廠內(nèi)進(jìn)行橫向力頂推試驗(yàn),用截面積為40 mm×30 mm的頂桿作用于支架上。在各種荷載作用下,測量支架的變形和損壞情況。橫向力頂推試驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。

圖7 橫向力頂推試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)分為3組,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 橫向力頂推試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中支架采用QT450-10,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如增加圓弧型肋,并將其材質(zhì)改為ZG55,修改后的支架經(jīng)橫推試驗(yàn),位移減小約2 mm,抗橫向力能力大大增強(qiáng)。

4 現(xiàn)場使用情況

本防脫護(hù)軌在房山線高架橋上進(jìn)行了鋪設(shè)使用,長度9.208 km,本線2010年9月開始試運(yùn)行,到目前使用狀況良好。

5 結(jié)語

新型防脫護(hù)軌結(jié)構(gòu)可靠,通用性好,零部件少,養(yǎng)護(hù)維修工作量少,運(yùn)營成本低。采用UIC33槽型鋼軌方案雖建設(shè)費(fèi)用稍高,但其強(qiáng)度大,材質(zhì)較硬,不易磨損,使用壽命長,綜合造價(jià)合理,適用于城市軌道交通高架橋上使用。

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