地鐵曲線段扣件螺旋道釘斷裂原因及減緩措施

焦 坤

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

1 螺旋道釘破壞情況現場調研

帶螺旋道釘型扣件在我國地鐵線路上應用廣泛,運營實際情況表明,扣件錨固螺栓折斷的問題較為突出。對于小半徑曲線地段,螺旋道釘螺帽與鐵墊板之間由于振動而產生的橫向剪切沖擊力過大,若超出了螺旋道釘極限承載能力,易發生折斷病害。結合實際調研統計可知,截止2021年10月份,北京地鐵14號線東段共出現1 600余根扣件螺旋道釘斷裂病害,對軌道交通的行車安全造成了一定隱患,增加了軌道維護的工作量,為現場扣件螺旋道釘斷裂的情況。

實際調研可知,不論是普通道床還是浮置板減振道床,也不論是直線線路或者曲線線路,均存在螺旋道釘折斷的現象發生。對比不同類型道床扣件螺旋道釘斷裂出現的頻數可知,浮置板道床結構處出現的次數最多,占斷裂總數的69%,如圖1所示。對比線路類型可知,曲線地段扣件螺旋道釘折斷數量明顯多于直線地段,占斷裂總數的75%,如圖2所示。可以看出,曲線地段與浮置板道床結構的位置,需要在運營階段重點關注并做好日常檢查。

圖1 不同道床形式螺旋道釘折斷數量

圖2 曲線和直線地段螺旋道釘折斷數量對比

2 曲線軌道受力特性分析

為分析曲線地段扣件螺旋道釘的破壞特征,需要對曲線位置軌道的受力特性進行分析。實際運營經驗表明,曲線半徑越小,線路的維修工作量與扣件螺旋道釘斷裂的概率越高。根據《地鐵設計規范》的要求[8],地鐵線路曲線半徑應該根據地鐵列車型號、環境地勢和線路性質等綜合考慮后確定,最小曲線半徑按表1規定。

表1 圓曲線最小曲線半徑 單位:m

列車經過曲線地段時,為了平衡慣性離心力,需要抬高外軌的方式設置曲線超高,通過車體自身重力的水平分量來平衡這個離心力,使兩側鋼軌受力均勻,提高旅客乘坐舒適度,保證線路橫向穩定性,曲線超高設置的示意如圖3所示。

圖3 曲線超高設置示意圖

車輛在曲線軌道上運行時,慣性離心力J可按如公式(1)計算

(1)

式中:m為車輛質量,kg;v為列車速度,m/s;R為曲線半徑,m。

對慣性離心力和重力在水平、豎直向進行分解后,為了讓內外兩軌受力均勻,進一步分析化簡后可以得到超高h按如公式(2)計算。

(2)

式中:s1為兩軌頭中心線距離,一般取1 500 mm;v為列車速度,km/h,帶入后得到超高按如公式(3)計算。

(3)

由公式(3)可知,在保證安全條件下,曲線超高的大小隨著運行速度增大而變大,隨曲線半徑增大而變小。若是存在未被平衡的超高,橫向未被平衡離心力Y按如公式(4)計算。

(4)

基于實際曲線設計參數、列車通過速度與軸重,即可獲得列車通過曲線時,作用在鋼軌上未被平衡的橫向離心力大小,可作為進行分析計算與仿真的輸入力。

3 扣件螺旋道釘受力仿真模型

3.1 受力仿真模型建立

鋼彈簧浮置板軌道截面形式如圖4所示,浮置板布置在基底混凝土上,截面板厚300 mm。鋼彈簧排列在管狀套筒內,鋼套筒預埋在道床內。按照浮置道床的幾何結構實際尺寸建立有限元模型,根據軌道結構各部分的特點,選取不同的單元對結構進行離散,各要素離散化的有限元模型為鋼軌為Timoshenko梁單元,導入60 kg/m的鋼軌截面;扣件與浮置板為實體單元,隔振器為彈簧單元;剪力鉸應用節點耦合進行簡化,有限元模型如圖5所示。各結構部分的參數選取如表2所示[9-10]。

表2 各部分材料參數

圖4 鋼彈簧浮置板軌道典型截面

圖5 浮置道床有限元模型

3.2 扣件螺旋道釘破壞成因

列車通過曲線地段時,扣件螺旋道釘除了受到豎向荷載的作用外,因為存在著與通過速度不匹配的為未被平衡的曲線超高,受到較大的橫向水平力作用,使扣件螺旋道釘出現較大的剪切應力,在不利工況下容易出現破壞。

由分析可知,在橫向水平力荷載作用下,螺旋道釘與墊板接觸等位置易出現應力集中的區域,最大值達到了5.81 MPa。在應力集中位置最先出現變形或者初始裂縫,在周期性列車荷載作用下,裂紋逐漸擴展,進而發展為整個螺旋道釘的剪切破壞。所出現的剪切應力集中的位置,也與實際調研中所發現的扣件螺旋道釘出現“切帽”的位置相符,也驗證了曲線地段較大的橫向水平力作用加劇了扣件螺旋道釘的破壞。

3.3 減緩措施探討

面對扣件螺旋道釘出現斷裂的問題,地鐵軌道部門目前普遍采用安裝彈簧墊圈的方式,用于減緩扣件螺旋道釘發生剪切破壞的速率,實際運營結果表明,墊圈的安裝使運營線路上螺栓道釘的“切帽現象”有所緩解。

為探究加裝彈簧墊圈后扣件的受力情況變化,基于所建立的有限元模型,分別計算螺旋道釘加裝一組與兩組彈簧墊圈后不同工況下的受力狀態。工況1:加上一組彈簧墊圈后,螺栓的應力分布發生了一定的改變,最大應力值下降為4.784 MPa左右,最大剪切應力出現至螺栓與鐵墊板接觸平面位置處,螺帽位置處的應力值出現一定程度下降。工況2:加上兩組彈簧墊圈后,螺栓的應力分布發進一步重新分布,最大剪切應力出現仍在螺栓與混凝土枕接觸平面位置處,最大應力值下降為3.862 MPa左右,螺帽位置處的應力值進一步下降。

螺栓上加不同數量的彈簧墊圈后,改變了螺栓的自由度與支撐條件,螺帽與鐵墊板之間的剪切力有所下降,在一定程度上降低了螺旋道釘切帽的風險。但并未改變輪軌力通過扣件系統的傳遞特性,僅在局部位置改變了應力的分布,并有可能在其他位置產生新的應力集中點,例如:螺栓與道床混凝土直接接觸的界面,過大的應力可能產生混凝土的裂縫,降低結構的耐久性。

4 結論與建議

(1)螺旋道釘上加不同數量的彈簧墊圈后,改變了其支撐條件,在一定程度上降低了螺栓切帽的風險,但并未改變輪軌力傳遞特性,并可能產生新的應力集中位置。

(2)扣件螺旋道釘在曲線地段折斷數量所占比例較大,因鋼軌波磨導致軌道振動加劇等問題是主要原因,應建立合理鋼軌打磨機制,改善輪軌相互作用狀態。

(3)對于“切帽”問題的解決,加上彈簧墊圈僅可作為臨時方案,如線路大規模出現相關病害,需考慮輪軌接觸關系、鋼軌-扣件-道床板振動特性等方面,因地制宜,尋求最佳解決措施。