城市軌道交通整體道床垂向受力分析

劉曉華

城市軌道交通以市區和市郊運輸為主要目標,具有客運量大、車輛軸重輕、運營速度低、行車密度高、客流比較集中、牽引分散、全程距離短和運營單一等特征,對軌道結構的安全可靠性及舒適、低噪聲、長壽命、少維修也提出了更高的要求。城市軌道交通的這些特點,決定了其應采用有別于國鐵軌道的設計標準,以達到標準合理,技術安全,投資經濟的目標[1-4]。針對城市軌道交通的特點,本文著重對城市軌道交通整體道床的垂向受力進行研究。文章基于有限元理論,使用“ANSYS”分析軟件建立橋上整體道床軌道結構的模型,計算分析了不同扣件剛度和不同扣件間距對鋼軌及道床的變形受力影響,找出其影響的規律。

1 計算模型

整體道床式軌道結構在列車荷載作用下采用彈性地基上的“梁—實體”有限元理論進行計算。有限元計算模型為:鋼軌模擬為彈性點支承梁;扣件采用線性彈簧;鋼筋混凝土道床由于在其厚度方向上的尺寸遠小于長度和寬度方向上的尺寸,符合彈性薄板的結構特點,但為更好地提取道床不同位置的應力,本文采用實體單元進行模擬;基礎支承彈性系數采用面剛度。以中心水溝短軌枕整體道床為例,具體模型如圖1所示。

2 計算分析

2.1 計算參數及基本工況

計算中按照60 kg/m鋼軌,車輛荷載按照地鐵中大A型車進行,A型車的荷載圖示如圖2所示,荷載計算結合地鐵速度為80 km/h的運營條件以及偏載系數的影響,選取動載系數為2.5[5]。A型車轉向架加載,軸距2.5 m,軸重160 k N,則設計輪重 P=(160/2)×2.5=200 k N;基本工況按照矩形隧道內整體道床結構建模,軌枕和道床簡化為一體結構,為C30混凝土材料,彈性模量為3.2×104MPa;道床計算長度取 12.5 m;扣件間距取為 0.625 m;扣件垂向剛度為30 kN/mm;中心排水溝道床頂面寬760 mm,軌頂至排水溝底的距離為380 mm。對于上述道床結構形式,在A型車加載情況下,道床的受力如圖3～圖7所示。

從有限元的計算結果可以看出,在車輛輪載作用處道床受到很大集中力作用,道床頂面各個方向的應力值都很大,而道床的底面受到的縱向拉應力較大。另外,由圖6可以看出,在靠近中心水溝處道床也受到較大的橫向應力,這也就要求對中心水溝下道床的受力引起重視,合理配置一定數量的鋼筋將更有利于道床的安全使用。

2.2 扣件剛度影響分析

實際工程軌道結構可能會選擇不同的扣件形式,而不同扣件形式的垂向剛度不同,對鋼軌和道床的受力影響也不相同,以下將分析不同扣件剛度對鋼軌和道床受力影響,具體計算結果如表1所示。

表1 扣件剛度影響

由表1可看出,隨著扣件剛度的增大,鋼軌的垂向動位移和鋼軌的動彎矩都減小,扣件剛度由10 k N/mm增大到60 k N/mm時:鋼軌的垂向動位移由5.72 mm減小到了1.40 mm,減小幅度達75.4%;鋼軌的最大動彎矩由45.17 kN·m減小到了 31.24 kN·m,減小幅度為30.8%。

隨著扣件剛度的增大軌枕受到的壓應力增大,扣件剛度由10 k N/mm增加到60 k N/mm時,軌枕受到的壓力由0.95 MPa增大到1.37 MPa,增大幅度為45.0%。道床的縱向和橫向應力隨著扣件剛度的增加有所增加,扣件剛度由10 k N/mm增加到60 k N/mm時:道床的縱向應力由163.91 kPa增加到 189.65 kPa,增加幅度為 15.7%;道床的橫向應力由 73.07 kPa增加到了111.65 k Pa,增加幅度為52.8%。

2.3 扣件間距影響分析

分析扣件間距影響時,為了便于對比,統一考慮扣件的垂向剛度為 30 kN/mm,扣件的間距由600 mm變化到725 mm,分別計算其對鋼軌和道床的受力影響,計算結果如表2所示。

表2 扣件間距影響

由表2可以看出,隨著扣件間距的增大,鋼軌的垂向動位移有所增大,扣件間距由600 mm增大到750 mm時:鋼軌的垂向動位移由2.27 mm增大到了2.71 mm,增大幅度為 19.3%;而扣件間距的變化對鋼軌最大動彎矩、道床的縱、橫向應力的影響變化規律并不明顯,主要是因為選擇轉向架加載,隨著扣件間距的變化,荷載作用的相對位置也是變化的,不便于直接的比較,但總體看來扣件間距的變化對道床的縱、橫向應力影響不大。

3 結語

1)在車輛輪載作用處,道床頂面各個方向的應力值都很大,而道床的底面受到的縱向拉應力較大。在靠近中心水溝處道床也受到較大的橫向應力,合理配置一定數量的鋼筋將更有利于道床的安全使用。2)隨著扣件剛度的增大,鋼軌的垂向動位移和鋼軌的動彎矩減小,軌枕受到的壓應力增大,道床的縱向和橫向應力也有所增加。3)隨著扣件間距的增大,鋼軌的垂向動位移有所增大,而扣件間距的變化對鋼軌動彎矩、道床的縱、橫向應力的影響變化規律不明顯。

[1]史小龍.城市軌道交通高架整體道床鋼軌支承間距的研究[D].北京:北京交通大學土木工程學院,2007.

[2]高江寧.整體道床計算方法與設計參數研究[D].成都:西南交通大學土木工程學院,2004.

[3]周安荔.城市軌道交通軌道結構類型選擇的研究[J].鐵道工程學報,2002,73(1):12-16.

[4]田李軍.關于城市軌道交通高架橋上幾種軌道結構的分析與選擇[J].地鐵與輕軌,2001,23(3):15-16.

[5]田海波.盾構隧道無軌枕整體道床計算方法及其結構形式研究[D].上海:同濟大學交通運輸工程學院,2007.