時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔無縫化研究

喬神路 張東風

中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院 北京 100055

正文：

北京地鐵新機場線是國內首條設計時速160公里城市軌道交通線路，列車運行速度較高，正線采用雙塊式無砟軌道，鋪設12號道岔及配套交叉渡線。為提高線路的平順性，避免車輛通過接頭產生的沖擊振動噪聲，保證列車運行的平穩性及旅客乘坐的舒適性，北京地鐵新機場線全線鋪設跨區間無縫線路，時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔無縫化是否可行是其實現的關鍵。

目前，國內城市軌道交通既有12號道岔的容許通過速度較低，多用于設計時速120公里的線路正線或設計時速80～100公里線路的盡頭折返地段，既有研究較多集中于道岔結構設計或運營養護等方面，關于城市軌道交通道岔的無縫化研究較少[1]～[8]。本文基于有限元理論，建立了時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔的仿真模型，對無縫道岔的受力變形特性進行了系統分析，為北京地鐵新機場線跨區間無縫線路的應用提供依據。

1 道岔結構的特點

時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔針對北京地鐵新機場線工程需求設計，容許通過速度：直向為160km/h，側向為50km/h。道岔全長37.8m，前長16.592m，后長21.208m，導曲線半徑350m。轉轍器采用13.64m 60AT2彈性可彎曲線尖軌，尖軌跟端采用單組大間隙限位器結構，間隙值為15mm；固定轍叉采用鑲嵌翼軌合金鋼組合式結構，鋼軌件及間隔鐵通過M27螺栓聯結；扣件采用Ⅱ型彈條分開式扣件；鋼軌材質為U75V；道岔設1：40軌底坡或軌頂坡。

為適應北京地鐵新機場線跨區間無縫線路的鋪設使用及養護維修要求，道岔內及道岔與岔外線路的接頭均采用凍結接頭。

2 仿真模型的建立

時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔由鋼軌件、扣件系統、限位器與間隔鐵等聯結部件、岔枕等構成。在對不同部件利用合適單元進行模擬的基礎上，整合建立城市軌道交通12號無砟道岔的整體仿真模型。

1）鋼軌采用梁單元模擬，并根據扣件支承位置進行單元劃分。鋼軌單元的模擬考慮了鋼軌慣性矩、橫斷面積等特性參數，可實現鋼軌在不同方向和角度的變形，如圖1所示。60kg/m鋼軌橫斷面積77.45cm2，彈性模量2.1×105MPa。

2）扣件系統考慮縱向阻力、垂向剛度及橫向剛度，采用非線性彈簧單元模擬，如圖2所示。單組扣件縱向阻力為10kN，垂向剛度為35kN/mm，橫向剛度為50kN/mm。

圖1 鋼軌

圖2 扣件

3）轍跟限位器及轍叉間隔鐵采用非線性彈簧單元模擬，如圖3所示。限位器及間隔鐵阻力由摩擦阻力和螺栓抗剪力組成，其中摩擦阻力與螺栓拉力以及摩擦系數相關，螺栓抗剪力與螺栓數目相關。限位器及間隔鐵阻力根據室內試驗結果取值[7]，如圖4、圖5所示。

圖3 限位器或間隔鐵

圖4 限位器阻力

圖5 間隔鐵阻力

4）凍結接頭采用非線性彈簧單元模擬。凍結接頭承載力為接頭夾板與鋼軌間的摩阻力，與螺栓扭矩及摩擦系數密切相關。考慮凍結接頭的結構特點，單組凍結接頭承載力為1500kN[10]～[11]。

5）岔枕考慮慣性矩、橫斷面積等參數，采用梁單元模擬，如圖6所示。岔枕橫斷面積358cm2，彈性模量3.45×104MPa。

圖6 岔枕

時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔的仿真模型如圖7所示。

圖7 城市軌道交通12號無砟道岔仿真模型

3 道岔無縫化受力變形及檢算

北京地區最高軌溫61.9℃，最低軌溫-27.4℃。根據北京地鐵工程實踐，偏于安全，無縫岔區最大軌溫變化幅度按57℃考慮。

3.1 岔區鋼軌強度

道岔軌溫變化57℃時，鋼軌縱向力的主要分布如圖6、圖7所示。鋼軌縱向最大值為1130.71kN，出現在轍跟基本軌處；由于轍跟采用大間隙限位器結構，尖軌自由伸縮較大，經限位器傳遞至基本軌的縱向力較小，基本軌縱向力增幅僅為3.36%。

圖8 基本軌受力

圖9 尖軌及導軌受力

道岔鋼軌受力檢算結果見表1。由于車輛直向及側向過岔速度相差很大，且側股曲線半徑較小，道岔直、側向鋼軌動彎應力不同[12]，但不同工況下的鋼軌總應力均遠小于容許應力，鋼軌強度滿足要求。

表1 鋼軌受力檢算 單位MPa

3.2 岔區鋼軌位移

道岔軌溫變化57℃時，鋼軌位移的主要分布如圖10、圖11所示，尖軌最大位移為23.47mm。由于轍跟采用大間隙限位器結構，尖軌伸縮對基本軌影響較小，轍跟基本軌基本沒有變形。

時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔采用分動外鎖閉結構，尖軌容許伸縮位移為40mm[12]，道岔位移滿足使用要求。

圖10 基本軌位移

圖11 尖軌及導軌位移

3.3 岔區軌道穩定性

岔區無砟軌道無縫線路穩定性較好，但應控制鋼軌碎彎變形，保證城市軌道車輛高速行車的平穩性和旅客乘車的舒適性，減小養護維修工作量。根據壓彎變形理論[13]，考慮時速160公里城市軌道交通12號無砟道岔用于正線，無砟軌道無縫線路的允許壓彎變形量應取為0.02cm，允許溫度壓力為1385.57kN。

依據溫度荷載作用下的鋼軌縱向力計算結果，道岔軌溫升高57℃時，鋼軌最大溫度壓力為1130.71kN，小于允許溫度壓力，軌道穩定性滿足要求。

3.4 限位器及間隔鐵受力

道岔軌溫變化57℃時，限位器及間隔鐵受力計算結果見表2、表3。由于整個岔區均采用無縫化設計，道岔直側股相應位置的限位器及間隔鐵受力基本相同，其中限位器受力最大值為76.82kN，間隔鐵受力最大值為181.69kN。

表2 限位器受力 單位kN

表3 間隔鐵受力 單位kN

依據規范進行檢算[12]，限位器螺栓最大剪應力為67.12MPa，間隔鐵螺栓最大剪應力為158.75MPa，均小于螺栓剪應力限值415MPa，限位器及間隔鐵受力滿足要求。

3.5 凍結接頭受力

道岔軌溫變化57℃時，前后端部凍結接頭受力最大，基本在1100kN左右。凍結接頭受力小于限值，滿足使用要求。詳細計算結果見表4。

表4 凍結接頭受力 單位kN

4 結論與建議

本文通過構建空間耦合仿真模型，對時速160公里城市軌道交通12號無砟無縫道岔的鋼軌強度、鋼軌位移、軌道穩定性、限位器及間隔鐵受力等進行了較全面地分析，主要結論與建議如下：

1）北京地鐵新機場線城市軌道交通12號無砟道岔無縫化設計滿足要求，用于跨區間無縫線路可行。

2）無縫道岔與正線無縫線路鎖定時，應嚴格按照鎖定軌溫進行施工。限位器結構應保證子母塊居中，嚴格控制安裝誤差。

3）凍結接頭螺栓扭力矩應保持在設計要求范圍內，安裝后及線路運營期間應定期進行螺栓復擰，保證凍結接頭承載力。