時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔無(wú)縫化研究

喬神路 張東風(fēng)

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院 北京 100055

正文：

北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線是國(guó)內(nèi)首條設(shè)計(jì)時(shí)速160公里城市軌道交通線路，列車(chē)運(yùn)行速度較高，正線采用雙塊式無(wú)砟軌道，鋪設(shè)12號(hào)道岔及配套交叉渡線。為提高線路的平順性，避免車(chē)輛通過(guò)接頭產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)噪聲，保證列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性及旅客乘坐的舒適性，北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線全線鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔無(wú)縫化是否可行是其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通既有12號(hào)道岔的容許通過(guò)速度較低，多用于設(shè)計(jì)時(shí)速120公里的線路正線或設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等方面，關(guān)于城市軌道交通道岔的無(wú)縫化研究較少[1]～[8]。本文基于有限元理論，建立了時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔的仿真模型，對(duì)無(wú)縫道岔的受力變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線跨區(qū)間無(wú)縫線路的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 道岔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔針對(duì)北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線工程需求設(shè)計(jì)，容許通過(guò)速度：直向?yàn)?60km/h，側(cè)向?yàn)?0km/h。道岔全長(zhǎng)37.8m，前長(zhǎng)16.592m，后長(zhǎng)21.208m，導(dǎo)曲線半徑350m。轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，間隙值為15mm；固定轍叉采用鑲嵌翼軌合金鋼組合式結(jié)構(gòu)，鋼軌件及間隔鐵通過(guò)M27螺栓聯(lián)結(jié)；扣件采用Ⅱ型彈條分開(kāi)式扣件；鋼軌材質(zhì)為U75V；道岔設(shè)1：40軌底坡或軌頂坡。

為適應(yīng)北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線跨區(qū)間無(wú)縫線路的鋪設(shè)使用及養(yǎng)護(hù)維修要求，道岔內(nèi)及道岔與岔外線路的接頭均采用凍結(jié)接頭。

2 仿真模型的建立

時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔由鋼軌件、扣件系統(tǒng)、限位器與間隔鐵等聯(lián)結(jié)部件、岔枕等構(gòu)成。在對(duì)不同部件利用合適單元進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，整合建立城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔的整體仿真模型。

1）鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，并根據(jù)扣件支承位置進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。鋼軌單元的模擬考慮了鋼軌慣性矩、橫斷面積等特性參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)相關(guān)，螺栓抗剪力與螺栓數(shù)目相關(guān)。限位器及間隔鐵阻力根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)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(jié)接頭采用非線性彈簧單元模擬。凍結(jié)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(shù)密切相關(guān)。考慮凍結(jié)接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單組凍結(jié)接頭承載力為1500kN[10]～[11]。

5）岔枕考慮慣性矩、橫斷面積等參數(shù)，采用梁?jiǎn)卧M，如圖6所示。岔枕橫斷面積358cm2，彈性模量3.45×104MPa。

圖6 岔枕

時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔的仿真模型如圖7所示。

圖7 城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔仿真模型

3 道岔無(wú)縫化受力變形及檢算

北京地區(qū)最高軌溫61.9℃，最低軌溫-27.4℃。根據(jù)北京地鐵工程實(shí)踐，偏于安全，無(wú)縫岔區(qū)最大軌溫變化幅度按57℃考慮。

3.1 岔區(qū)鋼軌強(qiáng)度

道岔軌溫變化57℃時(shí)，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(xiàn)在轍跟基本軌處；由于轍跟采用大間隙限位器結(jié)構(gòu)，尖軌自由伸縮較大，經(jīng)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(dǎo)軌受力

道岔鋼軌受力檢算結(jié)果見(jiàn)表1。由于車(chē)輛直向及側(cè)向過(guò)岔速度相差很大，且側(cè)股曲線半徑較小，道岔直、側(cè)向鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力不同[12]，但不同工況下的鋼軌總應(yīng)力均遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力，鋼軌強(qiáng)度滿足要求。

表1 鋼軌受力檢算 單位MPa

3.2 岔區(qū)鋼軌位移

道岔軌溫變化57℃時(shí)，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(jié)構(gòu)，尖軌伸縮對(duì)基本軌影響較小，轍跟基本軌基本沒(méi)有變形。

時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔采用分動(dòng)外鎖閉結(jié)構(gòu)，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(dǎo)軌位移

3.3 岔區(qū)軌道穩(wěn)定性

岔區(qū)無(wú)砟軌道無(wú)縫線路穩(wěn)定性較好，但應(yīng)控制鋼軌碎彎變形，保證城市軌道車(chē)輛高速行車(chē)的平穩(wěn)性和旅客乘車(chē)的舒適性，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量。根據(jù)壓彎變形理論[13]，考慮時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔用于正線，無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的允許壓彎變形量應(yīng)取為0.02cm，允許溫度壓力為1385.57kN。

依據(jù)溫度荷載作用下的鋼軌縱向力計(jì)算結(jié)果，道岔軌溫升高57℃時(shí)，鋼軌最大溫度壓力為1130.71kN，小于允許溫度壓力，軌道穩(wěn)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(shí)，限位器及間隔鐵受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。由于整個(gè)岔區(qū)均采用無(wú)縫化設(shè)計(jì)，道岔直側(cè)股相應(yīng)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(jù)規(guī)范進(jìn)行檢算[12]，限位器螺栓最大剪應(yīng)力為67.12MPa，間隔鐵螺栓最大剪應(yīng)力為158.75MPa，均小于螺栓剪應(yīng)力限值415MPa，限位器及間隔鐵受力滿足要求。

3.5 凍結(jié)接頭受力

道岔軌溫變化57℃時(shí)，前后端部?jī)鼋Y(jié)接頭受力最大，基本在1100kN左右。凍結(jié)接頭受力小于限值，滿足使用要求。詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 凍結(jié)接頭受力 單位kN

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)構(gòu)建空間耦合仿真模型，對(duì)時(shí)速160公里城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟無(wú)縫道岔的鋼軌強(qiáng)度、鋼軌位移、軌道穩(wěn)定性、限位器及間隔鐵受力等進(jìn)行了較全面地分析，主要結(jié)論與建議如下：

1）北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線城市軌道交通12號(hào)無(wú)砟道岔無(wú)縫化設(shè)計(jì)滿足要求，用于跨區(qū)間無(wú)縫線路可行。

2）無(wú)縫道岔與正線無(wú)縫線路鎖定時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照鎖定軌溫進(jìn)行施工。限位器結(jié)構(gòu)應(yīng)保證子母塊居中，嚴(yán)格控制安裝誤差。

3）凍結(jié)接頭螺栓扭力矩應(yīng)保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，安裝后及線路運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)定期進(jìn)行螺栓復(fù)擰，保證凍結(jié)接頭承載力。