城市軌道交通7號(hào)無(wú)砟道岔的無(wú)縫化設(shè)計(jì)研究

喬神路　劉婷林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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城市軌道交通7號(hào)無(wú)砟道岔的無(wú)縫化設(shè)計(jì)研究

喬神路劉婷林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要結(jié)合寧波地鐵5號(hào)線(xiàn)前殷停車(chē)場(chǎng)的無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)方案，建立無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的空間耦合有限元仿真模型，對(duì)城市軌道交通7號(hào)無(wú)砟道岔無(wú)縫化后的鋼軌強(qiáng)度、軌道穩(wěn)定性、間隔鐵受力及凍結(jié)接頭受力等進(jìn)行計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：在溫度荷載作用下，道岔基本軌承受一定的附加力作用，鋼軌最大溫度力出現(xiàn)在轍跟基本軌處；尖軌尖端縱向變形最大，基本軌縱向變形較?。粌鼋Y(jié)接頭受力在岔頭位置出現(xiàn)最大值； 7號(hào)無(wú)砟道岔采用凍結(jié)接頭的無(wú)縫化設(shè)計(jì)可行。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；7號(hào)無(wú)砟道岔；無(wú)縫化；凍結(jié)接頭

城市軌道交通車(chē)場(chǎng)線(xiàn)列車(chē)運(yùn)行速度較低，軌道一般采用有縫線(xiàn)路，道岔以7號(hào)道岔為主[1-3]。寧波地鐵5號(hào)線(xiàn)前殷停車(chē)場(chǎng)物業(yè)上蓋綜合開(kāi)發(fā)[4-5]，除采用隔離式減振墊、阻尼鋼軌等特殊減振措施外，為進(jìn)一步提高線(xiàn)路平順性，降低輪軌通過(guò)接頭產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)噪聲，最大程度地實(shí)現(xiàn)減振降噪效果，車(chē)場(chǎng)線(xiàn)軌道擬采用無(wú)砟軌道跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路，7號(hào)道岔的無(wú)縫化設(shè)計(jì)是其是否可行的關(guān)鍵。

目前，城市軌道交通多采用有縫道岔，既有理論及應(yīng)用研究多集中在道岔結(jié)構(gòu)及養(yǎng)護(hù)維修方面，無(wú)縫道岔的相關(guān)研究較少[6-7]?；谟邢拊碚?，建立無(wú)砟軌道7號(hào)單開(kāi)道岔的空間耦合仿真模型，對(duì)其無(wú)縫化后的受力變形進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算及檢算，為前殷停車(chē)場(chǎng)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路提供依據(jù)。

1道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

寧波地鐵5號(hào)線(xiàn)采用的7號(hào)道岔全長(zhǎng)23.627 m，前長(zhǎng)11.194 m，后長(zhǎng)12.433 m，導(dǎo)曲線(xiàn)半徑150 m。道岔轉(zhuǎn)轍器采用8.54 m 50AT彈性可彎曲線(xiàn)尖軌，尖軌跟端采用間隔鐵結(jié)構(gòu)，間隔鐵螺栓為10.9級(jí)，直徑27 mm；固定轍叉采用高錳鋼整鑄式；扣件采用彈條Ⅰ型分開(kāi)式扣件；鋼軌材質(zhì)為U71Mn；道岔容許通過(guò)速度：直向?yàn)?0 km/h，側(cè)向?yàn)?5 km/h。

為適應(yīng)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路的鋪設(shè)使用要求，并方便道岔的養(yǎng)護(hù)維修，道岔岔內(nèi)接頭及道岔與區(qū)間的接頭均采用凍結(jié)接頭。

2空間模型的建立

無(wú)砟道岔主要由鋼軌、彈性扣件、間隔鐵等組成?，F(xiàn)對(duì)各部件利用不同單元模型分別進(jìn)行模擬，建立城市軌道交通無(wú)砟軌道7號(hào)道岔的空間仿真模型。

(1)采用空間梁?jiǎn)卧M鋼軌，考慮鋼軌截面積、慣性矩及扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)，如圖1所示。鋼軌截面面積77.45 cm2，彈性模量2.1×105MPa。鋼軌根據(jù)扣件支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，可全面考慮縱、橫、垂位移及轉(zhuǎn)角。

(2)選用非彈簧單元模擬扣件，考慮扣件的縱向阻力及垂、橫向剛度。單組扣件縱向阻力為10 kN，橫向剛度為50 kN/mm，垂向剛度為35 kN/mm。

圖1　間隔鐵(空間梁?jiǎn)卧M)

(3)采用非線(xiàn)性彈簧單元模擬轍跟間隔鐵，如圖2所示。間隔鐵阻力由螺栓抗剪力和摩阻力組成，其中螺栓抗剪力只與螺栓數(shù)目有關(guān)，摩阻力與螺栓拉力以及間隔鐵與鋼軌間的摩擦系數(shù)有關(guān)。間隔鐵阻力根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果取值[8](如圖3所示)。

圖2　間隔鐵(非線(xiàn)性彈簧單元模擬)

圖3　間隔鐵阻力-位移曲線(xiàn)

(4)采用非線(xiàn)性彈簧單元模擬凍結(jié)接頭。凍結(jié)接頭不允許螺栓受剪，其承載力即為接頭螺栓的摩阻力。單組凍結(jié)接頭承載力為1 100 kN[9]。

由于道岔采用無(wú)砟軌道，下部基礎(chǔ)受力變形對(duì)道岔的影響可忽略，仿真模型可不考慮岔下基礎(chǔ)。城市軌道交通7號(hào)道岔的有限元模型如圖4所示。

圖4　城市軌道交通7號(hào)道岔空間仿真模型

3無(wú)縫道岔受力變形及檢算

寧波地區(qū)最高軌溫61.2 ℃，最低軌溫-9.6 ℃。根據(jù)寧波地鐵地面線(xiàn)的工程實(shí)踐，并考慮停車(chē)場(chǎng)上蓋開(kāi)發(fā)對(duì)軌溫變化的影響，偏于安全，岔區(qū)無(wú)縫線(xiàn)路最大軌溫變化幅度按45 ℃考慮。

3.1鋼軌強(qiáng)度

道岔軌溫變化45 ℃時(shí)，鋼軌溫度力的主要分布如圖5、圖6所示，最大值為858.50 kN，出現(xiàn)在轍跟基本軌處，溫度力增幅為17%。

圖5　基本軌受力

圖6　尖軌及導(dǎo)軌受力

道岔鋼軌受力檢算結(jié)果見(jiàn)表1。由于道岔側(cè)股曲線(xiàn)半徑的影響，直向及側(cè)向過(guò)岔允許速度不同，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力有所差異[10]，但總應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，且有較大余量，鋼軌強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1　鋼軌受力檢算　MPa

3.2鋼軌位移

道岔軌溫變化45 ℃時(shí)，鋼軌位移的主要分布如圖7、圖8所示，最大位移為10.28 mm，出現(xiàn)于尖軌尖端。受間隔鐵傳遞溫度力的影響，轍跟基本軌處也出現(xiàn)一定的縱向變形，但量值較小，僅為0.58 mm。

城市軌道交通7號(hào)道岔采用聯(lián)動(dòng)內(nèi)鎖閉結(jié)構(gòu)，尖軌容許伸縮位移為15 mm[11]，道岔位移滿(mǎn)足使用要求。

圖7　基本軌位移

圖8　尖軌及導(dǎo)軌位移

3.3軌道穩(wěn)定性

岔區(qū)無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定性需根據(jù)乘車(chē)舒適性、軌道養(yǎng)護(hù)維修和行車(chē)安全的要求進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)壓彎變形理論[12]，無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路的允許壓彎變形量為：既有線(xiàn)0.02～0.05 cm，客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)0.01～0.02 cm。

考慮城市軌道交通車(chē)場(chǎng)線(xiàn)列車(chē)空載運(yùn)行且行車(chē)速度較低，岔區(qū)無(wú)縫線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不高，與客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)相比，城市軌道交通車(chē)場(chǎng)線(xiàn)岔區(qū)無(wú)縫線(xiàn)路的允許壓彎變形量可適當(dāng)放寬取0.03 cm，允許溫度壓力為908.6 kN。根據(jù)溫度力計(jì)算結(jié)果，道岔軌溫升高45 ℃時(shí)，鋼軌最大溫度壓力為858.50 kN，小于允許溫度壓力，軌道穩(wěn)定性滿(mǎn)足檢算條件。

3.4轍跟間隔鐵受力

道岔軌溫變化45 ℃時(shí)，間隔鐵受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由于道岔直、側(cè)股均按無(wú)縫化設(shè)計(jì)，轍跟兩個(gè)間隔鐵的受力基本相同，最大值為262.31 kN。

表2　間隔鐵受力　kN

根據(jù)計(jì)算[10]，在不考慮間隔鐵摩阻力的條件下，間隔鐵螺栓最大剪應(yīng)力為229.19 MPa，小于剪應(yīng)力限值415 MPa，間隔鐵受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)檢算要求。

3.5凍結(jié)接頭受力

道岔軌溫變化45 ℃時(shí)，凍結(jié)接頭受力最大值為762.03 kN，小于限值1100 kN，滿(mǎn)足使用要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

3.6鋼軌斷縫值

道岔降溫45 ℃時(shí)，鋼軌斷縫值為23.4 mm，小于限值100 mm，檢算滿(mǎn)足控制條件[10]。

表3　凍結(jié)接頭受力　kN

4結(jié)論與建議

建立空間有限元仿真模型，對(duì)城市軌道交通7號(hào)無(wú)砟道岔無(wú)縫化后的鋼軌受力、位移、間隔鐵及凍結(jié)接頭受力、鋼軌斷縫值等進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算及檢算，主要結(jié)論與建議如下：

(1)前殷停車(chē)場(chǎng)7號(hào)無(wú)砟道岔各項(xiàng)受力變形指標(biāo)滿(mǎn)足檢算要求，無(wú)縫化設(shè)計(jì)可行。

(2)凍結(jié)接頭承載力與螺栓扭矩密切相關(guān)，直接影響無(wú)縫道岔的正常安全使用，應(yīng)加強(qiáng)螺栓復(fù)擰，嚴(yán)格保持扭矩在要求范圍內(nèi)。

(3)目前物業(yè)上蓋綜合開(kāi)發(fā)具體方案尚未確定，建議施工圖階段結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)，鎖定軌溫范圍。

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收稿日期：2016-03-02

第一作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)躺衤?1985—)，男，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)博士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0119-03

中圖分類(lèi)號(hào)：U213+.1； U213.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Jointless Design & Research on No.7 Ballastless Turnout in Urban Rail Transit

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