地鐵曲線段扣件螺旋道釘斷裂原因及減緩措施

焦 坤

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

1 螺旋道釘破壞情況現(xiàn)場調(diào)研

帶螺旋道釘型扣件在我國地鐵線路上應(yīng)用廣泛,運(yùn)營實(shí)際情況表明,扣件錨固螺栓折斷的問題較為突出。對(duì)于小半徑曲線地段,螺旋道釘螺帽與鐵墊板之間由于振動(dòng)而產(chǎn)生的橫向剪切沖擊力過大,若超出了螺旋道釘極限承載能力,易發(fā)生折斷病害。結(jié)合實(shí)際調(diào)研統(tǒng)計(jì)可知,截止2021年10月份,北京地鐵14號(hào)線東段共出現(xiàn)1 600余根扣件螺旋道釘斷裂病害,對(duì)軌道交通的行車安全造成了一定隱患,增加了軌道維護(hù)的工作量,為現(xiàn)場扣件螺旋道釘斷裂的情況。

實(shí)際調(diào)研可知,不論是普通道床還是浮置板減振道床,也不論是直線線路或者曲線線路,均存在螺旋道釘折斷的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)比不同類型道床扣件螺旋道釘斷裂出現(xiàn)的頻數(shù)可知,浮置板道床結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)的次數(shù)最多,占斷裂總數(shù)的69%,如圖1所示。對(duì)比線路類型可知,曲線地段扣件螺旋道釘折斷數(shù)量明顯多于直線地段,占斷裂總數(shù)的75%,如圖2所示?？梢钥闯?曲線地段與浮置板道床結(jié)構(gòu)的位置,需要在運(yùn)營階段重點(diǎn)關(guān)注并做好日常檢查。

圖1 不同道床形式螺旋道釘折斷數(shù)量

圖2 曲線和直線地段螺旋道釘折斷數(shù)量對(duì)比

2 曲線軌道受力特性分析

為分析曲線地段扣件螺旋道釘?shù)钠茐奶卣?需要對(duì)曲線位置軌道的受力特性進(jìn)行分析。實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明,曲線半徑越小,線路的維修工作量與扣件螺旋道釘斷裂的概率越高。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求[8],地鐵線路曲線半徑應(yīng)該根據(jù)地鐵列車型號(hào)、環(huán)境地勢和線路性質(zhì)等綜合考慮后確定,最小曲線半徑按表1規(guī)定。

表1 圓曲線最小曲線半徑 單位:m

列車經(jīng)過曲線地段時(shí),為了平衡慣性離心力,需要抬高外軌的方式設(shè)置曲線超高,通過車體自身重力的水平分量來平衡這個(gè)離心力,使兩側(cè)鋼軌受力均勻,提高旅客乘坐舒適度,保證線路橫向穩(wěn)定性,曲線超高設(shè)置的示意如圖3所示。

圖3 曲線超高設(shè)置示意圖

車輛在曲線軌道上運(yùn)行時(shí),慣性離心力J可按如公式(1)計(jì)算

(1)

式中:m為車輛質(zhì)量,kg;v為列車速度,m/s;R為曲線半徑,m。

對(duì)慣性離心力和重力在水平、豎直向進(jìn)行分解后,為了讓內(nèi)外兩軌受力均勻,進(jìn)一步分析化簡后可以得到超高h(yuǎn)按如公式(2)計(jì)算。

(2)

式中:s1為兩軌頭中心線距離,一般取1 500 mm;v為列車速度,km/h,帶入后得到超高按如公式(3)計(jì)算。

(3)

由公式(3)可知,在保證安全條件下,曲線超高的大小隨著運(yùn)行速度增大而變大,隨曲線半徑增大而變小。若是存在未被平衡的超高,橫向未被平衡離心力Y按如公式(4)計(jì)算。

(4)

基于實(shí)際曲線設(shè)計(jì)參數(shù)、列車通過速度與軸重,即可獲得列車通過曲線時(shí),作用在鋼軌上未被平衡的橫向離心力大小,可作為進(jìn)行分析計(jì)算與仿真的輸入力。

3 扣件螺旋道釘受力仿真模型

3.1 受力仿真模型建立

鋼彈簧浮置板軌道截面形式如圖4所示,浮置板布置在基底混凝土上,截面板厚300 mm。鋼彈簧排列在管狀套筒內(nèi),鋼套筒預(yù)埋在道床內(nèi)。按照浮置道床的幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立有限元模型,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)各部分的特點(diǎn),選取不同的單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,各要素離散化的有限元模型為鋼軌為Timoshenko梁單元,導(dǎo)入60 kg/m的鋼軌截面;扣件與浮置板為實(shí)體單元,隔振器為彈簧單元;剪力鉸應(yīng)用節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行簡化,有限元模型如圖5所示。各結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)選取如表2所示[9-10]。

表2 各部分材料參數(shù)

圖4 鋼彈簧浮置板軌道典型截面

圖5 浮置道床有限元模型

3.2 扣件螺旋道釘破壞成因

列車通過曲線地段時(shí),扣件螺旋道釘除了受到豎向荷載的作用外,因?yàn)榇嬖谥c通過速度不匹配的為未被平衡的曲線超高,受到較大的橫向水平力作用,使扣件螺旋道釘出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力,在不利工況下容易出現(xiàn)破壞。

由分析可知,在橫向水平力荷載作用下,螺旋道釘與墊板接觸等位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域,最大值達(dá)到了5.81 MPa。在應(yīng)力集中位置最先出現(xiàn)變形或者初始裂縫,在周期性列車荷載作用下,裂紋逐漸擴(kuò)展,進(jìn)而發(fā)展為整個(gè)螺旋道釘?shù)募羟衅茐?。所出現(xiàn)的剪切應(yīng)力集中的位置,也與實(shí)際調(diào)研中所發(fā)現(xiàn)的扣件螺旋道釘出現(xiàn)“切帽”的位置相符,也驗(yàn)證了曲線地段較大的橫向水平力作用加劇了扣件螺旋道釘?shù)钠茐摹?/p>

3.3 減緩措施探討

面對(duì)扣件螺旋道釘出現(xiàn)斷裂的問題,地鐵軌道部門目前普遍采用安裝彈簧墊圈的方式,用于減緩扣件螺旋道釘發(fā)生剪切破壞的速率,實(shí)際運(yùn)營結(jié)果表明,墊圈的安裝使運(yùn)營線路上螺栓道釘?shù)摹扒忻爆F(xiàn)象”有所緩解。

為探究加裝彈簧墊圈后扣件的受力情況變化,基于所建立的有限元模型,分別計(jì)算螺旋道釘加裝一組與兩組彈簧墊圈后不同工況下的受力狀態(tài)。工況1:加上一組彈簧墊圈后,螺栓的應(yīng)力分布發(fā)生了一定的改變,最大應(yīng)力值下降為4.784 MPa左右,最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)至螺栓與鐵墊板接觸平面位置處,螺帽位置處的應(yīng)力值出現(xiàn)一定程度下降。工況2:加上兩組彈簧墊圈后,螺栓的應(yīng)力分布發(fā)進(jìn)一步重新分布,最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)仍在螺栓與混凝土枕接觸平面位置處,最大應(yīng)力值下降為3.862 MPa左右,螺帽位置處的應(yīng)力值進(jìn)一步下降。

螺栓上加不同數(shù)量的彈簧墊圈后,改變了螺栓的自由度與支撐條件,螺帽與鐵墊板之間的剪切力有所下降,在一定程度上降低了螺旋道釘切帽的風(fēng)險(xiǎn)。但并未改變輪軌力通過扣件系統(tǒng)的傳遞特性,僅在局部位置改變了應(yīng)力的分布,并有可能在其他位置產(chǎn)生新的應(yīng)力集中點(diǎn),例如:螺栓與道床混凝土直接接觸的界面,過大的應(yīng)力可能產(chǎn)生混凝土的裂縫,降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 結(jié)論與建議

(1)螺旋道釘上加不同數(shù)量的彈簧墊圈后,改變了其支撐條件,在一定程度上降低了螺栓切帽的風(fēng)險(xiǎn),但并未改變輪軌力傳遞特性,并可能產(chǎn)生新的應(yīng)力集中位置。

(2)扣件螺旋道釘在曲線地段折斷數(shù)量所占比例較大,因鋼軌波磨導(dǎo)致軌道振動(dòng)加劇等問題是主要原因,應(yīng)建立合理鋼軌打磨機(jī)制,改善輪軌相互作用狀態(tài)。

(3)對(duì)于“切帽”問題的解決,加上彈簧墊圈僅可作為臨時(shí)方案,如線路大規(guī)模出現(xiàn)相關(guān)病害,需考慮輪軌接觸關(guān)系、鋼軌-扣件-道床板振動(dòng)特性等方面,因地制宜,尋求最佳解決措施。