道岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道結構靜力分析

韓朝霞，孫方遒，谷愛軍

(1.北京交通大學，北京100044;2.北京九州一軌隔振技術有限公司，北京100070)

隨著城市軌道交通路網的加密，城市軌道交通道 岔部分越來越難以繞避振動噪聲敏感建筑，而道岔又是城市軌道交通中重要的連接設備，其結構本身存在的垂橫向幾何不平順［1］導致其引起的振動噪聲問題較正線部分更加嚴重［2］。目前，國內道岔區(qū)的減振措施主要包括道岔減振器扣件［3］、軌下減振墊層等中高級減振措施，而地鐵新線建設中對岔區(qū)的減振需求卻越來越高，因此需要采用特殊減振軌道產品——鋼彈簧浮置板［4］，以滿足減振要求。

此前，在德國海德爾堡等城市的有軌電車線以及瑞士巴塞爾的輕軌線中應用了岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道結構，對其減振效果進行了研究分析和測試［5］，廣州地鐵3號線［6］和北京地鐵9號線等也建成了道岔區(qū)鋼彈簧浮置板，但對岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道結構的研究還比較匱乏。本文主要研究道岔區(qū)鋼彈簧浮置板在靜力荷載作用下的受力，為設計和使用提供依據。

1 模型的建立及參數的選取

本文的道岔區(qū)鋼彈簧浮置板模型及鋼彈簧布置方式是根據國外城市軌道交通道岔區(qū)鋼彈簧浮置板的設計［7］，結合某地鐵線路道岔區(qū)的線路條件建立的，此道岔應用于我國城市軌道常用的9號單開道岔。模型包括鋼軌、扣件、混凝土道床、阻尼鋼彈簧隔振器、道床板間的剪切連接件(剪力鉸)等。

利用ANSYS有限元計算軟件建立道岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道模型。其中鋼軌采用Euler梁單元，扣件和鋼彈簧采用線性彈簧單元，浮置板采用實體單元［8，9］。模型參數見表1，道岔區(qū)隔振器布置如圖1所示，除心軌尖端至板后端直側向基本軌下隔振器垂向剛度加大為7×106N/m(剛度加大后有說明)外，其余隔振器的剛度為5.7×106N/m。道岔區(qū)鋼彈簧浮置板有限元模型如圖2所示。

表1 軌道結構參數

圖1 道岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道力學模型及平面布置

圖2 道岔區(qū)鋼彈簧浮置板有限元模型

本文荷載采用地鐵B型車，軸重14 t，計算考慮距離最近的2個轉向架軸重荷載。垂向荷載由道岔鋼彈簧浮置板前沿道岔直、側向作用至道岔后，如圖3所示。

2 直向加載時對道岔浮置板的分析

圖3 垂向荷載分布(單位:m)

列車荷載作用在道岔直股時，分析道岔浮置板和鋼軌的受力和變形，并與正線鋼彈簧浮置板的受力比較。

2.1 彎矩包絡線

將列車荷載由距道岔浮置板前端10 m的正線浮置板以0.1 m的間隔沿道岔直向逐步加載至2個轉向架軸重荷載完全作用在道岔浮置板后的正線浮置板，如圖3所示，以求解道岔浮置板上各個位置的最大縱、橫向彎矩，即彎矩包絡圖，如圖4所示。

由圖4(a)可知，沿道岔直向由尖軌尖端開始，道岔浮置板的最大縱向正彎矩逐漸加大，在尖軌尖端與尖軌跟端中間(即8.1 m處)開始逐漸減小，從導曲線中部(即15 m處)又逐漸增大，繼而從轍叉部位開始逐漸減小，與文獻［10-11］所得規(guī)律類似，正彎矩在距道岔浮置板后端3.5 m處達到最大值。在轉轍機預留凹槽前道岔浮置板的縱向負彎矩最大，在凹槽后道岔浮置板的最大縱向負彎矩最小(除板端位置)。轉轍器預留凹槽處道岔浮置板的最大縱向正彎矩約為正線浮置板相應位置的1/2，是道岔浮置板和正線浮置板的最大彎矩相差最大的位置。

圖4 直向過岔浮置板的縱、橫向彎矩包絡圖

由圖4(b)可知，道岔浮置板的橫向最小彎矩包絡線與正線浮置板相差較小，而橫向最大彎矩包絡線與正線浮置板相差較大。當荷載作用在道岔浮置板直股時，直股基本軌和里軌之間位置浮置板表層和底層均受拉。在直股鋼軌下道岔浮置板的位置橫向最大彎矩出現峰值，其中直股里軌下道岔浮置板的彎矩最大。

2.2 道岔浮置板應力和道岔位移

為了進一步分析道岔浮置板的受力，選取道岔浮置板縱、橫向彎矩包絡圖中彎矩的峰值位置，分析此位置的最不利荷載情況下鋼軌下道岔浮置板的縱、橫向應力。選取轉轍部分、導曲線和轍叉處的最不利荷載工況，分別用工況1、工況2和工況3表示。

由圖5可知，各工況下道岔浮置板表層的壓應力最大，底層拉應力最大，說明道岔浮置板表層主要承受壓應力，底層主要承受拉應力，因此配筋時下層主要為受力鋼筋;各工況下道岔浮置板最大壓應力都大于最大拉應力，說明道岔浮置板主要承受壓應力。工況1中道岔浮置板的壓應力最大，為3.29 MPa，在混凝土應力允許范圍內(浮置板為C40混凝土，允許抗壓應力為 19.1 MPa［12］)。

隨著道岔浮置板寬度越大，道岔浮置板同一橫截面各處受力會越不均勻，因此加大了轍叉至道岔浮置板后端直側向基本軌下鋼彈簧的剛度，以減小隨著板寬越大基本軌下和里軌下道岔浮置板越來越大的應力差。圖5中各工況下里軌和基本軌下道岔浮置板的縱向應力幾乎相同，但隨著板寬度加大基本軌下道岔浮置板的縱向應力比里軌下稍大，但應力差都小于0.35 MPa。由工況1至工況3，基本軌下道岔浮置板的橫向應力變化不大，里軌下道岔浮置板的橫向應力逐漸增大，里軌和基本軌下道岔浮置板表層橫向應力差最大值為0.64 MPa，底層橫向應力差最大值為0.59 MPa。

本文分析了荷載作用在凹槽附近時凹槽處道岔浮置板的應力狀態(tài)，可知雖然凹槽位置最大彎矩約為正線浮置板的1/2，但由于浮置板的厚度較小，凹槽處仍出現應力集中。且此處道岔浮置板底層的縱向拉應力較浮置板其他部位大。由圖6可知，凹槽處底層最大拉應力為3.15 MPa，比圖5中各工況的最大縱向拉應力為1.81 MPa大，且超過C40混凝土的允許抗拉強度(1.71 MPa)，但若此處配有縱向受拉鋼筋亦在允許范圍內(HRB400鋼筋的允許抗拉應力為360 MPa［12］)。

通過對道岔浮置板應力的分析可知，道岔浮置板沿橫向受力不均勻，為研究其對鋼軌水平不平順的影響，分析各工況下鋼軌的位移，如圖7所示。

由圖7可知，隨著荷載作用位置處道岔浮置板寬度越大，基本軌與里軌的位移差越大，由于道岔的垂向位移主要由道岔浮置板的垂向位移引起，因此增大轍叉至道岔浮置板末端區(qū)段基本軌下側隔振器剛度，以減小基本軌和里軌的位移差。工況3中基本軌和里軌的位移差最大，最大差值為1.06 mm，在水平不平順允許范圍內(靜態(tài)水平不平順容許偏差為6 mm［13］)。如圖7所示，各工況位移差均大于零，沒有出現三角坑不平順。在工況3中，鋼軌的位移差在轍叉部分突然變小，是由于轍叉部分鋼軌剛度大，荷載作用在此處時里軌的垂向位移較小所致。

3 側向加載時對道岔浮置板的分析

列車荷載作用在道岔曲股時，分析道岔浮置板和鋼軌的受力和變形。并對荷載作用在道岔直股時，道岔和下部鋼彈簧浮置板的受力進行比較，分析直、側向過岔時的不同。

圖5 不同工況下道岔浮置板的應力圖

圖6 轉轍器凹槽縱向應力最大時道岔浮置板應力

3.1 彎矩包絡圖

與直向加載時類似，荷載由正線浮置板同一位置沿道岔側向至道岔浮置板后正線浮置板。

圖7 基本軌和里軌的位移差

如圖8(a)所示，直、側向加載時道岔浮置板的縱向彎矩包絡圖幾乎完全相同，是由于直、側向加載時荷載沿道岔浮置板縱向的位置基本相同，浮置板沿縱向受力也基本相同。在靠近道岔板后端時，直向加載時道岔板的最大正負彎矩比側向加載時大，最大差值為12.6 kN·m，這是由于在道岔板后端，板寬度較大，側向加載時荷載沿道岔縱向的分布較直向更為集中，因此彎矩較直向加載時小。

圖8 側向過岔道岔浮置板的縱、橫向彎矩包絡圖

如圖8(b)所示，由于直、側向加載時，列車荷載在道岔浮置板橫截面的位置差異較大，因此直側向加載時橫向彎矩包絡圖的差異較大。由于側向加載時荷載在道岔浮置板橫截面上的位置不斷變化，因此橫向彎矩包絡圖沒有明顯的峰值，正彎矩最大值比直向加載時小，但是由于側向加載時沿橫截面作用范圍大，因此側向加載時道岔浮置板正彎矩分布較均勻。

3.2 道岔位移

通過對直向加載時道岔浮置板的位移分析可知，道岔浮置板寬度越大，浮置板橫向受力越不均勻，雖然側向加載時道岔浮置板橫向彎矩包絡圖分布較均勻，但通過分析荷載作用在直股和曲股同一橫截面(轍叉與道岔浮置板后端中間)道岔浮置板的垂向位移可知，側向加載時道岔浮置板在浮置板寬度較大位置也出現沿橫向的傾斜，如圖9所示。由于道岔浮置板剛度較大，道岔浮置板橫向不出現彎曲變形，靠近荷載一側的道岔浮置板端部垂向位移最大，在遠離荷載作用一端雖然道岔浮置板垂向位移小但是垂向位移依然向下，而沒有向上翹起。

圖9 30.3 m處道岔浮置板橫截面的垂向位移

當道岔板板寬與區(qū)間板基本相同時，直、側向加載時荷載在道岔浮置板上的位置基本相同，因此道岔浮置板的受力也基本相同。而越靠近道岔浮置板后端，直、側向加載時荷載位置的差異越大，因此取導曲線至道岔浮置板后端圖8(a)中彎矩達到峰值的4個工況分析位移差。

如圖10所示，在工況3轍叉部位鋼軌的位移差突然變小，與直向加載時相同，主要由于轍叉部位剛度較大，荷載作用在此處時里軌的位移較小所致。工況1至工況3，隨著板寬加大基本軌和里軌的位移差加大;但是工況4中基本軌和里軌的位移差比工況3略小，是因為工況4只有一個轉向架軸重荷載作用在道岔浮置板上，道岔浮置板的垂向位移相對會減小，鋼軌的位移量主要由板的垂向位移決定，進而導致鋼軌的垂向位移減小，基本軌和里軌的位移差也減小。側向加載時曲股基本軌和里軌的位移差最大值為工況3轍叉部位的1.45 mm，同樣在水平不平順允許范圍內，且位移差均大于零，未出現三角坑不平順。

圖10 基本軌和里軌的位移差

4 結論

根據國外道岔區(qū)鋼彈簧浮置板的設計并結合工程實際，建立了三維道岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道的有限元模型，并分析直向和側向加載時道岔區(qū)浮置板軌道結構的彎矩、應力和位移特性，得出以下結論。

(1)直向和側向過岔時，道岔浮置板沿縱向上的受力基本相同，但是由于直向和側向過岔時荷載沿道岔浮置板橫向的作用位置差別較大，因此道岔浮置板沿橫向的受力差別較大。雖然道岔浮置板直側向過岔時的受力仍不均勻，但受力在允許范圍內。

(2)轉轍機拉桿預留凹槽處縱向最大彎矩約為導曲線和轍叉部位的一半，由于道岔浮置板的高度較小，板的抗彎剛度較小易出現應力集中，為道岔浮置板的薄弱環(huán)節(jié)，但在凹槽處加裝縱向受力鋼筋可滿足應力要求。

(3)由道岔浮置板前端至后端，基本軌和里軌下道岔浮置板的縱向應力基本相同，但隨著板寬度加大，里軌下道岔浮置板的橫向應力比基本軌下越大;且隨著板寬增大基本軌和里軌的垂向位移差也增大。行車時浮置板道岔橫向受力的不均勻易引起水平和高低不平順，因此增大了轍叉至道岔浮置板后端基本軌下隔振器的剛度，使道岔浮置板受力和鋼軌的位移均在允許范圍內。

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