地鐵道岔區段新型合成軌枕的力學特性研究

楊 洋，呂文昊，陸展銘

(1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.南寧軌道交通集團有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引言

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》(以下簡稱《規劃》)[1]中指出：“推進城市群都市圈交通一體化，加快城際鐵路、市域(郊)鐵路建設，構建高速公路環線系統，有序推進城市軌道交通發展。”為積極響應、切實推進《規劃》對基礎設施建設提出的新目標，城市軌道交通必須以提高人民生活水平、提升社會服務能力為宗旨，在保證現有裝備安全運行的基礎上，加大對新材料、新工藝、新方法的探索。軌枕作為地鐵線路的核心部件，主要承受由鋼軌傳遞的列車荷載，并起著向下部結構傳遞荷載的作用。隨著我國地鐵線路運營里程和客運量的逐年升高，傳統木枕和混凝土枕在線路運營過程中均出現不同程度的損傷，嚴重影響線路的平穩運行，為保證地鐵車輛運營的安全性和旅客的舒適性，我國在借鑒國外經驗的基礎上，開發出一種由長玻璃纖維和聚氨酯材料組成的新型合成軌枕[2]，該合成軌枕具備良好的工作性和優異的耐久性，在替代傳統軌枕時取得了良好的效果[3]。

道岔區間由于其結構功能和荷載組成的復雜性，與鋼軌接頭、曲線一起被列為地鐵線路的三大薄弱環節[4]。我國西南地區某城市軌道交通地鐵線路自運營以來在道岔區段處出現傳統木枕的傷損現象，在制約運維效率的同時也威脅到車輛的運行安全。運營方擬引進新型合成軌枕技術，試圖將新型合成軌枕敷設于道岔咽喉區段，但由于缺少該地區應用經驗，對道岔區合成軌枕鋪設后的受力特性尚不明確，亟須開展該方面的研究。在此背景下，課題組針對該地鐵線路道岔區段的實際運營情況，在前期軌道工程新材料、線路力學特性和安全性研究成果的基礎上[5-7]，通過有限元軟件建立仿真分析模型，利用合成軌枕性能指標和線路工況等參數，分析新型合成軌枕在地鐵道岔區段的受力分布情況，以力學特性分析結果為依據提出針對性抽換建議，為西南地區新型合成軌枕的應用提供理論指導和前期基礎。

1 地鐵道岔區段分析模型

我國地鐵線路軌道結構形式主要分為有砟軌道和無砟軌道，由于本線擬替換有砟軌道的傳統軌枕構件，故本文主要針對有砟軌道結構形式展開研究。地鐵線路有砟軌道結構主要由鋼軌、軌枕、扣件、道床和下部結構組成，如圖1所示。地鐵線路道岔按照“鋼軌類型+道岔號數”進行分類，本項目擬將兩組50 kg·m-1鋼軌7號菱形道岔的普通木枕改造為合成軌枕，菱形道岔結構如下頁圖2所示。

圖1 有砟軌道主要結構組成示意圖

圖2 菱形道岔示意圖

1.1 有限元模型

有限元分析是一種利用數學近似的方法模擬設計荷載條件，通過單元之間相互作用，簡化復雜的實際問題，求得問題的近似解[8]。本文主要采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，由于擬替換軌枕位于地面線路，所以建模時只考慮路基上軌道結構參數，應用實體單元solid建立基礎、道床和合成軌枕構件，采用梁單元beam建立7號菱形道岔(鋼軌)和扣件，墊板材料屬性為Q235-A，軌枕間距為550 mm，以一個完整50 kg·m-1鋼軌7號菱形道岔為研究對象。其中，軌道結構參數如表1所示，合成軌枕構件各項現場實測參數如表2所示。該測試結果符合《聚氨酯泡沫合成軌枕》(CJ/T399-2012)。有限元模型如圖3所示。

表1 有砟軌道結構各項參數表

表2 合成軌枕性能指標表

圖3 有限元分析模型圖

1.2 地鐵道岔區段軌枕工況

軌枕服役期間產生的病害主要受荷載、溫度、氣候和環境等因素影響，其中外部荷載是影響軌枕構件服役壽命的主要原因。當地鐵車輛運營時，道岔區段軌枕主要承受列車荷載、溫度荷載和軸向荷載等作用。由于新型合成軌枕在該地區鋪設尚無基礎數據，故本文只針對列車荷載作用和溫度荷載作用這兩種工況，開展道岔區段軌枕的力學特性研究。

1.2.1 列車輪群荷載作用下的軌枕工況

基于被普遍認同的軌道力學分析理論[9]，采用準靜態計算方法開展列車動荷載數值的計算。列車動荷載即為軌道結構中鋼軌承受的豎向荷載，利用式(1)計算。式(1)按照不同速度給出計算方法，其中Pd為動荷載，P0為靜荷載，速度系數α表征由于行車速度所致的動荷載和靜荷載的比值，偏載系數β表征通過曲線時由于超高產生偏載時引起的動荷載與靜荷載的比值。由于7號道岔直向允許速度為60 km/h，側向允許速度為25 km/h，故采用速度V≤120 km/h時的分段函數。

(1)

根據車型參數，轉向架固定軸距為2 300 mm，轉向架中心距為1 260 mm，單根鋼軌輪重與軸距如圖4所示。在輪群荷載下進行枕上壓力計算時，轉向架間距>5 m，則對軌道結構的影響可忽略，所以只計算第一轉向架的兩個車輪即可。軌枕靜壓力計算公式如式(2)所示。其中，R0為枕上靜壓力，y0為鋼軌靜位移，按照式(2)計算出靜壓力，代入式(1)中，速度系數a取0.45 kN/100=0.27，計算得到Ⅰ輪位疊加靜荷載約為67.31 kN，Ⅱ輪位疊加靜荷載約為67.32 kN，取第Ⅱ輪位荷載為最不利靜荷載，計算枕上靜壓力為28.1 kN，枕上動壓力為35.69 kN。

(2)

R0=aμy0

圖4 單根鋼軌輪重與軸距示意圖

1.2.2 溫度梯度荷載作用下的軌枕工況

由于本道岔區段位于地面線路處，在運營過程中長期受到日照、氣溫等溫度荷載作用，加之我國西南地區比其他地區溫度普遍偏高，合成軌枕長期裸露于地面線處，更易受到白天溫度升高、夜晚溫度降低的環境溫度影響，所以研究溫度荷載下軌枕工況尤為重要。通過查閱資料[10]，溫度荷載是沿著軌枕的高度方向逐漸變化的，本工況取極端條件下的溫度開展軌枕的力學特性研究，其中夏天白天日照充足時溫度梯度為60 ℃/m，冬季夜晚溫度降低時溫度梯度為-60 ℃/m。

2 計算結果與分析

為探究列車荷載、溫度梯度荷載下新型合成軌枕的力學性能，將兩種工況施加于有限元模型中，計算時為減少邊角應力集中的影響，取模型中心相距550 mm軌枕間距的連續3塊新型軌枕中的中間1根為研究對象，在有限元結果中顯示材料拉應力、壓應力和位移等指標，試圖找出應力狀態的分布規律，并對照線路設計中容許應力標準值、拉應力容許值得到新型合成軌枕在各工況下的力學分布，并指導新舊軌枕抽換施工。

2.1 列車輪群荷載作用下的應力分布

在列車輪群荷載作用下的軌道結構，其荷載由鋼軌經過扣件傳遞至新型軌枕，以枕上動壓力35.69 kN通過面荷載的形式作用于新型軌枕，軌枕受力分布情況如圖5所示。由于疊加荷載作用，以中間位置的軌枕力學情況開展研究。由圖5可知，新型軌枕在列車荷載下的應力及位移呈軸對稱分布；拉應力極值出現在軌枕下表面與鋼軌接觸位置對側，最大拉應力為0.92 MPa，壓應力極值出現在軌枕上表面墊板接觸位置，最大壓應力為1.1 MPa；新型軌枕在軌道垂向的最大偏移量為14.4 mm。各節點應力分布情況均低于新型軌枕材料容許應力，在列車輪群動荷載作用下的新型軌枕力學特性滿足運營線路要求。

2.2 溫度梯度荷載作用下的應力分布

由于自然環境溫度變化，軌枕表面溫度和內部溫度在軌枕高度方向呈現逐漸降低或升高的特點。新型軌枕在施加溫度梯度60 ℃/m和-60 ℃/m后，軌枕正負溫度梯度分布如圖6所示。由圖6可以看出，兩種溫度梯度荷載由于導熱系數恒定，都以均勻分布的形式呈現；正溫度梯度中，上表面相對下表面高出9.6 ℃，負溫度梯度中，上表面相對下表面高出-9.6 ℃。

通過面荷載的形式將熱力分布情況導入結構計算模型中，軌枕受力分布情況如下頁圖7、圖8所示。由圖7可知：新型軌枕在60 ℃/m溫度梯度荷載下的應力云圖以軌道中心線呈對稱分布；沿軌道橫向的最大拉應力為0.62 MPa、最大壓應力為0.68 MPa；新型軌枕受正溫度梯度力時垂向最大偏移量為0.04 mm。由圖8可知：新型軌枕在-60 ℃/m溫度梯度荷載下的應力云圖以軌道

中心線呈對稱分布；沿軌道橫向的最大拉應力為0.62 MPa、最大壓應力為0.70 MPa；新型軌枕受正溫度梯度力時垂向最大偏移量為0.04 mm。將兩種溫度梯度下的力學特性進行對比發現，正負溫度梯度荷載下應力極值數值相近、位置對稱，位移數值相近、方向相反，說明模型計算互相驗證正確，且數值均在規范要求范圍內，在正負溫度梯度荷載作用下軌枕的受力情況均滿足運營線路要求。

2.3 新舊軌枕抽換方案分析

根據軌枕力學狀態分析結果可知，當新型合成軌枕應用于道岔區段時，在力學分布、應力極值和位移等指標上表現極佳，完全能夠滿足該地段列車運行頻次和主要工況。雖然計算結果可為新型軌枕的抽換施工提供理論支撐，但由于現場施工過程存在諸多不確定因素，新型軌枕應用于道岔區段時的受力特性也會被施工規范、施工方案和線路恢復等的質量所影響，故為更好實施運營線路新舊軌枕抽換施工，現針對抽換施工方案提出如下建議：(1)應將主要工作聚焦于木枕拆除與搬運、埋線處理、新型軌枕安裝和線路恢復等工序，建議在確立線路作業部門為核心實施部門的同時，調集通信信號、線路車輛、運營調度等部門配合；(2)在抽換施工期間，對新舊枕拆除、安裝等與涉及影響外專業設備時的工序進行旁站監督；(3)在抽換前應提前做好計劃，尤其是接頭位置左右兩根軌枕需當日更換完畢，安裝后地腳螺栓應當與接頭螺栓適應，安裝過程中軌枕安裝位置、孔距和鉆孔工藝等應與設計文件和規范要求相一致；(4)換枕設備恢復時，道岔區段設備各項技術參數應滿足相關要求，更換后應及時進行≥3 d的保養，保養后應滿足作業驗收標準；(5)抽換完畢恢復線路后，應對該地段整體結構振動特性、線路通過能力、新型軌枕位移做長期監測，以便及時調整線路參數，為其他線路的推廣應用提供經驗。

3 結語

針對道岔區段實際運營情況，通過有限元軟件建立仿真分析模型，分別施加列車輪群荷載和溫度梯度荷載，分析新型合成軌枕在地鐵道岔區段的受力分布，得到如下結論：

(1)新型軌枕在列車荷載下的應力及位移呈軸對稱分布，最大拉應力為0.92 MPa、最大壓應力為1.1 MPa、最大偏移量為14.4 mm，滿足運營線路要求。

(2)新型軌枕在正負溫度梯度荷載下的應力均以軌道中心線呈對稱分布；正應力下最大拉應力為0.62 MPa、最大壓應力為0.68 MP、最大偏移量為0.04 mm；負應力下最大拉應力為0.62 MPa、最大壓應力為0.70 MPa、最大偏移量為0.04 mm；兩種溫度梯度荷載下力學數值相近、方向相反，均滿足運營線路要求。

(3)新型軌枕在力學分布、應力極值和位移等指標上表現極佳，完全能夠滿足該地段列車運行頻次和主要工況，抽換施工時應將主要工作聚焦于木枕拆除與搬運、埋線處理、新型軌枕安裝和線路恢復等工序。