快線城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

劉大園 姚 力

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

按照車輛軸重及歷史的沿革，城市軌道交通可分為地鐵、輕軌、有軌電車等［1，2］，當(dāng)前我國(guó)正在進(jìn)行大規(guī)模的城市軌道交通建設(shè)，城市軌道交通模式和類型也得到了擴(kuò)展，軌道交通被用于解決城市交通擁堵問(wèn)題的同時(shí)，還被賦予了改善城市發(fā)展布局的重要作用，大城市中心與市郊的連接，大城市群之間的交通銜接等，覆蓋范圍的加大引起乘距增大，必然要求速度提高，于是出現(xiàn)了不同于以往的快速軌道交通類型，而且此類軌道交通發(fā)展前景廣闊。由于建設(shè)速度加快，出現(xiàn)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋不全，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)落后于建設(shè)的問(wèn)題，因此對(duì)于目前發(fā)展的需求，有必要研究快速城市軌道交通相關(guān)問(wèn)題。本文針對(duì)120 km/h城軌快線的特點(diǎn)，分析了采用彈性分開(kāi)式扣件作為鋼軌支撐的整體道床軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，供相似工程參考。

1 分析模型及參數(shù)

1.1 分析模型

隨著線路運(yùn)行速度的不同，軌道結(jié)構(gòu)的受力會(huì)有相應(yīng)的變化，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)行速度下的軌道結(jié)構(gòu)受力分析，可以為軌道結(jié)構(gòu)選型奠定理論基礎(chǔ)。目前列車荷載作用下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算常用的理論和方法有彈性地基上的疊合梁理論、彈性地基上的梁—板理論和彈性地基上的梁—體有限單元計(jì)算理論［3，4］?，F(xiàn)對(duì)城市軌道交通中常采用的軌枕埋入式整體道床結(jié)構(gòu)，采用疊合梁模型理論及有限元方法進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)分析。采用梁?jiǎn)卧M鋼軌，彈簧單元模擬扣件，彈性地基梁模擬整體道床結(jié)構(gòu)，分析軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)120 km/h速度城軌快線的特點(diǎn)，計(jì)算主要輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)分析參數(shù)表

2 分析結(jié)果及討論

2.1 不同扣件剛度情況下的軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況

保持軌枕間距為0.625 m，列車運(yùn)行速度為120 km/h，取扣件剛度為20 kN/mm，30 kN/mm，40 kN/mm，50 kN/mm，60 kN/mm，分別計(jì)算鋼軌的位移、加速度、道床應(yīng)力及加速度的響應(yīng)情況。

圖1給出了扣件剛度為30 kN/mm條件下鋼軌及道床各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。

圖1 扣件剛度為30 kN/mm時(shí)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線

根據(jù)仿真分析得到的計(jì)算結(jié)果，表2給出了不同扣件剛度情況下對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)列表。圖2給出了鋼軌位移、鋼軌加速度、道床應(yīng)力、道床加速度隨扣件剛度的變化規(guī)律曲線。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)隨扣件剛度變化規(guī)律

表2 不同扣件剛度對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)上述曲線圖及數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較，可見(jiàn)扣件的彈性對(duì)于減緩軌下的軌枕及道床基礎(chǔ)具有明顯的作用。

由上述圖表知，隨著扣件剛度的降低，鋼軌加速度及道床加速度均呈減小的趨勢(shì)，但是鋼軌的位移則隨著扣件剛度的減小而增大，可見(jiàn)降低扣件的剛度對(duì)減小軌下基礎(chǔ)的振動(dòng)及降低輪軌間的相互作用力等都是十分有利的;但是，扣件剛度的降低會(huì)促使鋼軌動(dòng)位移的增大，而鋼軌位移如果增大過(guò)多，會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，導(dǎo)致軌道部件壽命縮短，使鋼軌產(chǎn)生剝磨，影響行車安全?？梢?jiàn)，扣件剛度的降低對(duì)軌道結(jié)構(gòu)、軌下基礎(chǔ)及減振降噪有利，但扣件的剛度不能無(wú)限制的減小。根據(jù)上述的分析，可以確定扣件剛度的合理取值范圍為30 kN/mm～40 kN/mm。

2.2 不同速度情況下軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況

根據(jù)前述分析，取扣件剛度為40 kN/mm、軌枕間距為0.625 m時(shí)，對(duì)不同運(yùn)行速度情況，分析了軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)情況。表3給出了對(duì)應(yīng)120 km/h，100 km/h，80 km/h運(yùn)行速度情況下的鋼軌及道床響應(yīng)情況，圖3給出了軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨速度的變化規(guī)律曲線。

表3 不同速度情況下軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)表

圖3 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)隨速度變化規(guī)律

其中，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力由計(jì)算截面的鋼軌彎矩經(jīng)下式求得［5］:

其中，σd1，σd2分別為軌底最外纖維拉應(yīng)力和軌頭最外纖維壓應(yīng)力，MPa;W1，W2分別為鋼軌底部和頭部的截面系數(shù)，因鋼軌類型及垂直磨耗而異，取鋼軌垂直磨耗為6 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的值，即W1=375 000mm3，W2=291 000mm3;f為橫向水平力系數(shù)，根據(jù)線路曲線半徑實(shí)際情況確定，取f=1.75。

由上述分析可知，其他參數(shù)保持不變，隨著列車運(yùn)行速度的提高，鋼軌的豎向位移、鋼軌的動(dòng)彎應(yīng)力及道床應(yīng)力皆增大。時(shí)速120 km/h時(shí)，鋼軌最大豎向位移1.21 mm，滿足軌道動(dòng)態(tài)平順度的要求;道床應(yīng)力較小，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力最大值為160 MPa。

2.3 不同扣件間距情況下的軌道結(jié)構(gòu)受力情況

保持扣件剛度為40 kN/mm，最高運(yùn)行速度為120 km/h，取軌枕間距為 0.695 m，0.65 m，0.625 m，0.595 m(分別對(duì)應(yīng)軌枕數(shù)為1 440對(duì)/km，1 540對(duì)/km，1 600對(duì)/km，1 680對(duì)/km)，分別計(jì)算受力斷面鋼軌的位移、鋼軌應(yīng)力及道床應(yīng)力的響應(yīng)情況，如表4所示，其變化規(guī)律如圖4所示。

表4 不同扣件間距對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)表

圖4 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)隨扣件變化規(guī)律

由上面的計(jì)算結(jié)果可知，隨著軌枕間距的增大，鋼軌最大豎向位移也增大，以間距0.595 m為基準(zhǔn)，當(dāng)枕間距增大到0.695 m時(shí)，鋼軌豎向位移增大了11%;鋼軌應(yīng)力亦隨著枕間距的增大而增大，但增加量有限;道床應(yīng)力隨著枕間距的變化較小。在不同的軌枕間距情況下，各項(xiàng)指標(biāo)均未超出規(guī)范規(guī)定要求，因此，扣件間距如何配置應(yīng)主要依據(jù)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)要求確定。

3 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于城軌快線軌枕埋入式整體道床軌道結(jié)構(gòu)，扣件為最主要的彈性提供者，隨著扣件剛度的增大，鋼軌最大動(dòng)力加速度、道床最大應(yīng)力、道床最大加速度隨之增大，鋼軌的最大動(dòng)位移隨之減小。

2)扣件剛度的減小對(duì)減緩軌道結(jié)構(gòu)各部件的振動(dòng)及降低輪軌間的相互作用力非常有利，但扣件剛度不能無(wú)限度減小，針對(duì)120 km/h城軌快線的特點(diǎn)，扣件剛度取30 kN/mm～40 kN/mm比較合適。

3)不同速度情況下，鋼軌位移、應(yīng)力及軌下基礎(chǔ)的應(yīng)力及位移均隨著速度的增大而增大。

4)鋼軌位移、應(yīng)力及軌下基礎(chǔ)的應(yīng)力及位移均隨著扣件間距的增大而增大，但增大的幅度較小。軌道結(jié)構(gòu)扣件間距如何配置應(yīng)主要依據(jù)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)要求確定。

［1］ 孫 章，何宗華，徐金祥.城市軌道交通概論［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

［2］ 沈景炎.城市軌道交通多種制式的特征與評(píng)價(jià)大綱(續(xù))［J］.城市軌道交通研究，2003(6):7.

［3］ 沈東升.無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論及方法綜述［J］.鐵道建筑，2008(2):16-17.

［4］ 趙坪銳，章元愛(ài)，劉學(xué)毅，等.無(wú)砟軌道彈性地基梁板模型［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2009(5):20-21.

［5］ 李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2005.