城市軌道交通7號無砟道岔的無縫化設計研究

喬神路　劉婷林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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城市軌道交通7號無砟道岔的無縫化設計研究

喬神路劉婷林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要結合寧波地鐵5號線前殷停車場的無縫線路設計方案，建立無砟軌道無縫道岔的空間耦合有限元仿真模型，對城市軌道交通7號無砟道岔無縫化后的鋼軌強度、軌道穩定性、間隔鐵受力及凍結接頭受力等進行計算分析。研究結果表明：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??；凍結接頭受力在岔頭位置出現最大值； 7號無砟道岔采用凍結接頭的無縫化設計可行。

關鍵詞城市軌道交通；7號無砟道岔；無縫化；凍結接頭

城市軌道交通車場線列車運行速度較低，軌道一般采用有縫線路，道岔以7號道岔為主[1-3]。寧波地鐵5號線前殷停車場物業上蓋綜合開發[4-5]，除采用隔離式減振墊、阻尼鋼軌等特殊減振措施外，為進一步提高線路平順性，降低輪軌通過接頭產生的沖擊振動噪聲，最大程度地實現減振降噪效果，車場線軌道擬采用無砟軌道跨區間無縫線路，7號道岔的無縫化設計是其是否可行的關鍵。

目前，城市軌道交通多采用有縫道岔，既有理論及應用研究多集中在道岔結構及養護維修方面，無縫道岔的相關研究較少[6-7]?；谟邢拊碚?，建立無砟軌道7號單開道岔的空間耦合仿真模型，對其無縫化后的受力變形進行詳細計算及檢算，為前殷停車場鋪設跨區間無縫線路提供依據。

1道岔結構特點

寧波地鐵5號線采用的7號道岔全長23.627 m，前長11.194 m，后長12.433 m，導曲線半徑150 m。道岔轉轍器采用8.54 m 50AT彈性可彎曲線尖軌，尖軌跟端采用間隔鐵結構，間隔鐵螺栓為10.9級，直徑27 mm；固定轍叉采用高錳鋼整鑄式；扣件采用彈條Ⅰ型分開式扣件；鋼軌材質為U71Mn；道岔容許通過速度：直向為80 km/h，側向為25 km/h。

為適應跨區間無縫線路的鋪設使用要求，并方便道岔的養護維修，道岔岔內接頭及道岔與區間的接頭均采用凍結接頭。

2空間模型的建立

無砟道岔主要由鋼軌、彈性扣件、間隔鐵等組成。現對各部件利用不同單元模型分別進行模擬，建立城市軌道交通無砟軌道7號道岔的空間仿真模型。

(1)采用空間梁單元模擬鋼軌，考慮鋼軌截面積、慣性矩及扭轉彎矩等參數，如圖1所示。鋼軌截面面積77.45 cm2，彈性模量2.1×105MPa。鋼軌根據扣件支承節點劃分單元，可全面考慮縱、橫、垂位移及轉角。

(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(空間梁單元模擬)

(3)采用非線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目有關，摩阻力與螺栓拉力以及間隔鐵與鋼軌間的摩擦系數有關。間隔鐵阻力根據相關試驗結果取值[8](如圖3所示)。

圖2　間隔鐵(非線性彈簧單元模擬)

圖3　間隔鐵阻力-位移曲線

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

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

圖4　城市軌道交通7號道岔空間仿真模型

3無縫道岔受力變形及檢算

寧波地區最高軌溫61.2 ℃，最低軌溫-9.6 ℃。根據寧波地鐵地面線的工程實踐，并考慮停車場上蓋開發對軌溫變化的影響，偏于安全，岔區無縫線路最大軌溫變化幅度按45 ℃考慮。

3.1鋼軌強度

道岔軌溫變化45 ℃時，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　尖軌及導軌受力

道岔鋼軌受力檢算結果見表1。由于道岔側股曲線半徑的影響，直向及側向過岔允許速度不同，鋼軌動彎應力有所差異[10]，但總應力均小于容許應力，且有較大余量，鋼軌強度滿足設計要求。

表1　鋼軌受力檢算　MPa

3.2鋼軌位移

道岔軌溫變化45 ℃時，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號道岔采用聯動內鎖閉結構，尖軌容許伸縮位移為15 mm[11]，道岔位移滿足使用要求。

圖7　基本軌位移

圖8　尖軌及導軌位移

3.3軌道穩定性

岔區無砟軌道無縫線路穩定性需根據乘車舒適性、軌道養護維修和行車安全的要求進行計算。根據壓彎變形理論[12]，無砟軌道無縫線路的允許壓彎變形量為：既有線0.02～0.05 cm，客運專線0.01～0.02 cm。

考慮城市軌道交通車場線列車空載運行且行車速度較低，岔區無縫線路養護標準不高，與客運專線相比，城市軌道交通車場線岔區無縫線路的允許壓彎變形量可適當放寬取0.03 cm，允許溫度壓力為908.6 kN。根據溫度力計算結果，道岔軌溫升高45 ℃時，鋼軌最大溫度壓力為858.50 kN，小于允許溫度壓力，軌道穩定性滿足檢算條件。

3.4轍跟間隔鐵受力

道岔軌溫變化45 ℃時，間隔鐵受力計算結果見表2。由于道岔直、側股均按無縫化設計，轍跟兩個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

根據計算[10]，在不考慮間隔鐵摩阻力的條件下，間隔鐵螺栓最大剪應力為229.19 MPa，小于剪應力限值415 MPa，間隔鐵受力滿足設計檢算要求。

3.5凍結接頭受力

道岔軌溫變化45 ℃時，凍結接頭受力最大值為762.03 kN，小于限值1100 kN，滿足使用要求，計算結果見表3。

3.6鋼軌斷縫值

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

表3　凍結接頭受力　kN

4結論與建議

建立空間有限元仿真模型，對城市軌道交通7號無砟道岔無縫化后的鋼軌受力、位移、間隔鐵及凍結接頭受力、鋼軌斷縫值等進行系統計算及檢算，主要結論與建議如下：

(1)前殷停車場7號無砟道岔各項受力變形指標滿足檢算要求，無縫化設計可行。

(2)凍結接頭承載力與螺栓扭矩密切相關，直接影響無縫道岔的正常安全使用，應加強螺栓復擰，嚴格保持扭矩在要求范圍內。

(3)目前物業上蓋綜合開發具體方案尚未確定，建議施工圖階段結合實際情況進一步確定設計，鎖定軌溫范圍。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50157—2013地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013

[2]于春華.城市軌道交通道岔設計、施工及維修[M].北京：中國鐵道出版社，2012

[3]程保青.城軌交通車場線軌道結構的探討[J].鐵道工程學報，2003，123(12):87-90

[4]繆東.對城市地鐵車輛段物業開發的思考[J].鐵道勘察，2010(4):114-117

[5]鄢巨平.新建城市軌道交通線路物業開發探討[J].鐵道勘察，2009(2):67-71

[6]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.地鐵用60 kg/m鋼軌凍結接頭夾板及螺栓施工及組裝技術條件(暫行)[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2012

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10015—2012鐵路無縫線路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2013

收稿日期：2016-03-02

第一作者簡介：喬神路(1985—)，男，2014年畢業于北京交通大學道路與鐵道工程專業，工學博士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0119-03

中圖分類號：U213+.1； U213.6

文獻標識碼：A

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