城市軌道交通道岔軌道橫向剛度分布規律研究

翟 淼， 劉 偉

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建一院， 四川成都 610031)

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城市軌道交通道岔軌道橫向剛度分布規律研究

翟 淼， 劉 偉

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建一院， 四川成都 610031)

通過建立城市軌道交通12號固定轍叉道岔軌道橫向剛度有限元計算模型，計算得出了沿線路方向岔區的橫向剛度值。計算結果表明：道岔橫向剛度沿線路方向存在不均勻分布，其中轍叉部分最大，轉轍器部分次之，連接部分最小。

城市； 軌道交通； 道岔； 橫向剛度； 分布規律； 有限元法

軌道結構剛度是影響輪軌系統匹配及動力特性的重要參數。對軌道剛度進行研究，目的是在確保行車安全的前提下，優化軌道結構剛度，減緩輪軌間相互作用，提高列車運行舒適性，并減少工務養護維修工作量。目前，國內外對軌道剛度合理取值及各部件間剛度的合理匹配問題十分重視并做了大量的研究工作[1-2]。理論和試驗研究表明：軌道剛度過大，輪軌相互作用加劇，列車運行平穩性降低，軌道結構振動加劇，影響行車舒適性并使部件使用壽命降低；剛度過小，軌道結構薄弱，列車作用下軌道變形過大，幾何形態難以保證，養護維修工作量大大增加；若軌道結構在單個鋼軌節點剛度設置合理，但沿線路縱向分布不均，形成軌道動態不平順，也將影響行車舒適性，加劇軌道結構振動，減小部件使用壽命。

列車運行過程中，車輪與鋼軌之間既有豎向作用也有橫向相互作用，因此軌道剛度可分為沿線路方向在豎向的剛度和沿線路方向在橫向的剛度。在過去的研究過程中，科研人員更多的是將注意力放在軌道結構沿線路方向在豎向的剛度分布規律和其相應的均勻化對策這一層面上，且已經取得了豐碩的成果；但是對于軌道結構特別是道岔區的軌道結構橫向整體剛度的研究還處于起步階段。根據相關研究，對曲線地段軌道結構橫向剛度進行合理取值，可有效降低輪軌相互作用及延緩鋼軌磨損[3]。軌道結構橫向剛度若在線路方向上出現不平順，將加劇輪軌間的作用力，嚴重者破壞軌道零部件，減少軌道壽命。城市軌道交通道岔區較多，道岔號碼數較小，并且每日開行車對數量較大，往返頻率高，因此，有必要對城市軌道交通岔區鋼軌橫向整體剛度分布規律進行研究，為進行進一步的橫向剛度均勻化做理論儲備。

本文通過有限元方法，建立城市軌道交通整體道床上12號固定轍叉道岔橫向剛度計算模型，計算各鋼軌沿線路橫向剛度，研究岔區橫向剛度的分布規律。

1 岔區扣件系統剛度及其影響因素

岔區扣件系統多采用雙層彈性分開式結構，主要由鐵墊板、鋼軌下彈性墊層、鐵墊板下彈性墊層、扣壓件、錨固螺栓等零部件結構組成?？奂到y豎向剛度計算模型如圖1所示。軌下彈性墊層剛度為K1，板下墊層提供主要彈性，剛度為K2，并與扣壓件剛度Kc、錨固螺栓合成剛度Kb串聯，組合成為扣件系統的豎向剛度。

岔區扣件系統的橫向剛度主要由鋼軌等效抗橫傾剛度及墊板橫向剛度組成。墊板橫向剛度包括軌下墊層的橫向抗剪剛度、板下墊層的橫向抗剪剛度、鐵墊板螺栓的橫向抗推剛度及尼龍軌距塊和擋座的橫向剛度，扣件系統橫向剛度模型如圖2所示。

圖1 扣件系統豎向剛度

圖2 扣件系統橫向剛度

其中，鋼軌等效抗橫傾剛度與水平力及豎向力的比值和他們的作用位置、鋼軌連續扭轉支承彈性系數、軌枕間距、鋼軌的抗扭剛度有關；螺栓的橫向抗推剛度與其作用點位置有關，作用點越靠上，橫向抗推剛度越小。

2 岔區軌道橫向剛度計算模型及參數選擇

2.1 道岔鋼軌計算模型及參數

城市軌道交通12號固定轍叉道岔基本軌采用60 kg/m鋼軌、尖軌采用60AT鋼軌、心軌采用高錳鋼鑄造岔心、護軌采用UIC33槽型鋼；鋼軌彈性模量為206 GPa，泊松比0.3。在建立有限元模型時采用實體模型，該模型能夠較好的反映出截面變化對橫向整體剛度帶來的影響；同時可以更加真實的模擬輪軌接觸位置和作用力方向。從而更加精確的計算橫向剛度。鋼軌模型如圖3所示。

圖3 鋼軌實體模型

2.2 計算模型及參數確定

采用等界面梁模擬鐵墊板，同時采用多組線性彈簧模擬軌下膠墊和板下膠墊的作用。軌下設置10 mm橡膠墊，剛度為60 kN/mm，板下設置12 mm橡膠墊，剛度設為50 kN/mm，模型如圖4所示。岔枕為彈性合成枕，支承剛度為400 kN/mm，設軌枕混凝土強度等級 C60，彈性模量E=36 GPa，泊松比為0.2，采用變截面梁模擬。

圖4 扣件系統模型

3 岔區橫向剛度分布計算結果

通過對有限元模型進行計算，將所得結果繪制成圖5，并將最大最小值填入表1。通過圖表可以看出，軌道橫向整體剛度沿線路方向存在較為明顯的不均勻分布。

其中基本軌在轉轍器部分的橫向剛度值為32 kN/mm左右，在24號軌枕處剛度值突然增大，變為43 kN/mm左右。這是因為在該處設有間隔鐵，間隔鐵將基本軌和曲導軌聯系為一個整體，抗扭轉慣性矩變大，使得抗扭轉剛度變大，從而增大了橫向剛度。

里軌在轉轍器的24號軌枕處也有峰值43 kN/mm，原因與之前相同是間隔鐵產生的幫軌作用。同時，轉轍器部分的橫向剛度是漸漸增大的，這是因為在尖軌尖端，尖軌藏于基本軌軌面以下，因此橫向剛度與基本軌相同。隨著尖軌頂寬的增加，輪緣作用力漸漸作用在尖軌上，此時因尖軌和基本軌仍然有密貼段，兩者成為一個整體，加大了抗扭剛度，隨著尖軌斷面的不斷變化增大，橫向剛度也漸漸增大。此外，在里軌的轍叉部分存在第二個峰值，大約在46 kN/mm左右。該峰值產生的原因是高錳鋼鑄造岔心的抗扭剛度較標準鋼軌來說要大很多，岔心激增的抗扭剛度帶來了橫向剛度的變大。

圖5 12號固定轍叉道岔直向過岔軌道整體橫向剛度

軌型最大剛度/(kN·mm-1)最小剛度/(kN·mm-1)縱向變化率/%里基剛度比直向基本軌43.8030.59143.2里軌46.6430.59152.51.06

4 結論

本文通過建立城市軌道交通12號固定轍叉道岔軌道橫向剛度有限元計算模型，計算沿線路方向岔區的橫向剛度分布規律，得到以下兩點結論。

(1)岔區扣件系統的橫向剛度主要由鋼軌等效抗橫傾剛度及墊板橫向剛度合成，在鋪設條件相同的情況下，等效抗橫傾剛度往往起主導作用。而引起變化的主要因素是鋼軌截面的變化，截面抗扭慣性矩越大，抗扭剛度越大，其橫向整體剛度越大。

(2)12號固定轍叉道岔橫向剛度沿線路方向存在不均勻分布，其中轍叉部分最大，轉轍器部分次之，連接部分最小。

[1] 練松良. 軌道動力學[M]. 上海：同濟大學出版社, 2003.

[2] [日]佐藤吉彥. 新軌道力學[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2001.

[3] 趙國堂. 鐵路軌道剛度的確定方法[J]. 中國鐵道科學,2005,26(1):1-6.

[4] 劉學毅. 軌道剛度影響分析及動力學優化[J]. 西南交通大學學報,2004,39(1):1-5.

[5] 陳小平,王平. 時速350 km客運專線無砟道岔的合理軌道剛度研究[J]. 鐵道標準設計,2011(2).

[6] 朱劍月,謝國維,羅雁云,等. 軌道結構橫向剛度改變對輪軌動力性能影響[J]. 城市軌道交通研究,2002(3).

翟淼(1985～)，女，碩士研究生，工程師，從事鐵路軌道設計工作。

U213.6

A

[定稿日期]2016-12-27