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      有軌電車(chē)異形橋梁上軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

      2020-06-20 11:23:46劉士煜
      關(guān)鍵詞:撓曲檢算無(wú)縫

      劉士煜

      (1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海200125;2.上海有軌電車(chē)工程技術(shù)研究中心,上海200125)

      1 引言

      現(xiàn)代有軌電車(chē)其軌道部件及軌道下部結(jié)構(gòu)同軌道交通都有較大差別,因此,現(xiàn)代有軌電車(chē)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)下部基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加力同軌道交通也不盡相同。橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔,綜合了橋上無(wú)縫線路、無(wú)縫道岔的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn),是無(wú)縫線路發(fā)展中遇到的難度較大的課題。雖然國(guó)內(nèi)一些學(xué)者提出有關(guān)橋上無(wú)縫道岔的計(jì)算模型和方法【1~3】,對(duì)于有軌電車(chē),尤其是異形橋梁缺乏研究。本文結(jié)合工程實(shí)際對(duì)異形橋上軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,完成有軌電車(chē)異形橋梁無(wú)縫道岔鎖定軌溫計(jì)算,以及溫度力、附加力、制動(dòng)力和斷軌力計(jì)算,對(duì)橋上無(wú)縫線路道岔軌道部件強(qiáng)度進(jìn)行檢算。

      2 工程背景

      本線路為現(xiàn)代鋼輪鋼軌有軌電車(chē)系統(tǒng),依據(jù)線路走向,本線跨三環(huán)橋?yàn)橐蛔L(zhǎng)異形橋,大小三通兩座橋梁東西向連接,線路呈兩處三角環(huán)形,中間通過(guò)橋梁段連接,該橋由多跨跨徑不同的連續(xù)梁組合而成,為方便同其他線路的連通,橋上設(shè)置道岔群,并且跨三環(huán)橋設(shè)置于小曲線半徑地段,曲線半徑最小為70m。計(jì)算段梁跨布置關(guān)三大道(大三通)為:T1 線2×30m+30m+3×30m+30m+39m+(36.8m+56m+27.2m+24m)共11跨12 墩;Z1 線28.777m+(30m+32m)+40m+53m+27.7m+40m+30m 共7 跨8 墩;Z2 線38.736m+2×33m+3×30m 共5 跨6 墩。三環(huán)線為: 2×30m+2×30m+(31m+31.736m+31m)+31m+31m+2×28.5m+(27m+2×40m+27m)+3×28m+3×30m+3×30m+3×30m+(23m+22.368m+23m)+(38m+44m+37m)+3×25m+3×25m+3×28m+2×28m,全橋共44 跨44 墩1 臺(tái)。光谷一路(小三通)為:T1 線2×27m+2×22m+(28m+24m)共5 跨6 墩;Z3 線2×31m 共2 跨3 墩;Z4 線2×32.5m 共2 跨3 墩。

      為便于后文敘述方便,現(xiàn)將線路中的鋼軌及道岔進(jìn)行人為編號(hào),如圖1 中整體線路圖所示,根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別將最不利的4 根鋼軌進(jìn)行編號(hào)為1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4號(hào)軌。

      圖1 線路、橋跨及道岔編號(hào)布置

      3 有軌電車(chē)橋上無(wú)縫線路及無(wú)縫道岔群設(shè)計(jì)檢算

      3.1 計(jì)算工況

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象資料,工程所在地最高軌溫為59.6℃,最低軌溫為-18.1℃,設(shè)計(jì)鎖定軌溫為25℃±5℃。故而鋼軌最大升溫幅度:59.6-(25-5)=39.6℃;鋼軌最大降溫幅度:(25+5)-(-18.1)=48.1°C。

      線路軌道結(jié)構(gòu)采用無(wú)砟軌道,橋上為承軌臺(tái)式整體道床,路基地段采用無(wú)枕式整體道床。

      3.2 計(jì)算方法及參數(shù)

      道岔和橋梁作為一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)。根據(jù)道岔-橋梁相互作用原理,并借助有限元軟件建立“岔梁墩一體化”有限元模型。

      3.2.1 道岔及鋼軌參數(shù)

      本線路采用6 號(hào)道岔,轉(zhuǎn)轍器部分跟端基本軌與導(dǎo)軌前端整塊鑄造,無(wú)傳力部件,尖軌嵌入槽中。鋼軌采用60R2 槽型軌,U75V 材質(zhì),鋼軌底部斷面系數(shù)353.3cm3,鋼軌頭部斷面系數(shù)380.6cm3,鋼軌對(duì)水平軸慣性矩3 298.1cm4,鋼軌對(duì)豎直軸慣性矩920.1cme,鋼軌斷面面積76.11cm2。

      3.2.2 列車(chē)荷載

      依據(jù)車(chē)輛軸重及車(chē)輛編組等信息確定有軌電車(chē)列車(chē)荷載

      圖示(見(jiàn)圖2)。

      圖2 有軌電車(chē)活載圖示

      3.2.3 線路阻力

      橋上區(qū)間扣件參數(shù):橋上單組扣件防爬阻力取5kN,單個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度30~40kN/mm。

      路基扣件參數(shù):路基上線路縱向阻力為23.04kN/(m·軌),彈條扣壓力不小于9kN。

      岔區(qū)扣件參數(shù):?jiǎn)谓M扣件防爬阻力取9kN。

      4 計(jì)算結(jié)果

      4.1 伸縮工況

      對(duì)伸縮力進(jìn)行計(jì)算時(shí),考慮梁年溫差,混凝土無(wú)砟梁取30℃的溫差變化,橋上無(wú)縫線路因軌條兩端固定,限制了其伸縮,必然會(huì)形成梁軌相互作用,對(duì)鋼軌形成伸縮附加力,對(duì)于橋梁,則在固定支座所在墩臺(tái)帶來(lái)附加縱向力。

      4.1.1 升溫工況

      升溫工況下,1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌最大伸縮力見(jiàn)圖3。

      圖3 1~4 號(hào)鋼軌伸縮力

      由圖3 計(jì)算結(jié)果可得:

      1 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮壓力出現(xiàn)在道岔直基本軌尖軌根端與基本軌連接處,為1 073kN。

      2 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮壓力出現(xiàn)在大三通6#道岔直基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 191kN。

      3 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮壓力出現(xiàn)大三通5#道岔曲基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 177kN。這與2 號(hào)軌的計(jì)算結(jié)果正好相互印證,最大值均出現(xiàn)在2 號(hào)軌與3 號(hào)軌共享區(qū)間段,即DZ1線上。

      4 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮壓力出現(xiàn)在小三通道岔曲基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 044kN。

      升溫工況下,尖軌與基本軌最大相對(duì)位移不超過(guò)3mm;尖軌與橋梁最大相對(duì)位移為5.72mm;道岔轉(zhuǎn)轍器處基本軌與橋梁相對(duì)位移最大為3.42mm。

      4.1.2 降溫工況

      降溫工況下,1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌最大伸縮力見(jiàn)圖4。

      由圖4 計(jì)算結(jié)果可得:

      1 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮拉力出現(xiàn)在小三通道岔直基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 277kN。

      2 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮拉力出現(xiàn)在大三通道岔直基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 426kN。

      圖4 1~4 號(hào)鋼軌伸縮力

      3 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮拉力出現(xiàn)在大三通道岔曲基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 415kN。這與2 號(hào)軌的計(jì)算結(jié)果正好相互印證,最大值均出現(xiàn)在2 號(hào)軌與3 號(hào)軌共享區(qū)間段,即DZ1 線上。

      4 號(hào)軌(基本軌)最大伸縮拉力出現(xiàn)在小三通道岔曲基本軌上尖軌與基本軌連接位置處,為1 212kN。

      降溫工況下,尖軌與基本軌最大相對(duì)位移不超過(guò)3mm;尖軌與橋梁最大相對(duì)位移為5.34mm;道岔轉(zhuǎn)轍器處基本軌與橋梁相對(duì)位移最大為2.54mm。

      4.2 斷軌工況

      若橋上無(wú)縫線路上鋼軌應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí),鋼軌有可能折斷。在折斷處軌縫有可能很大,若軌縫太大就會(huì)影響行車(chē)安全,因此必須進(jìn)行斷縫檢算。

      計(jì)算斷軌力時(shí)考慮以下工況:分別在1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌鋼軌拉應(yīng)力最大位置及梁縫處斷開(kāi),經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)最不利斷縫位置出現(xiàn)在1 號(hào)軌與3 號(hào)軌的共享區(qū)間段三環(huán)線區(qū)間。

      因線路橋跨采用小阻力扣件,根據(jù)TB 10015—2012(J1 586—2013)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中鋼軌斷縫值計(jì)算公式,在伸縮附加力較大的連續(xù)梁左端處易發(fā)生斷軌,其斷縫最為不利。斷縫檢算值見(jiàn)表1。

      表1 斷縫檢算

      4.3 制動(dòng)工況

      列車(chē)在橋上制動(dòng)時(shí),墩臺(tái)將會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)力,所以要對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行檢算。

      制動(dòng)力工況下,1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌最大制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

      圖5 制動(dòng)工況下1~4 號(hào)鋼軌制動(dòng)力

      由圖5 可得:

      1 號(hào)軌(基本軌)最大制動(dòng)拉力為65kN,最大制動(dòng)壓力為28kN。

      2 號(hào)軌(基本軌)最大制動(dòng)拉力為65kN,最大制動(dòng)壓力為28kN。

      3 號(hào)軌(基本軌)最大制動(dòng)拉力為57kN,最大制動(dòng)壓力為47kN。

      4 號(hào)軌(基本軌)最大制動(dòng)拉力為22kN,最大制動(dòng)壓力為48kN。

      4.4 撓曲工況

      在列車(chē)荷載作用下,梁跨和鋼軌都會(huì)發(fā)生撓曲變形,由于梁軌間發(fā)生相對(duì)位移,通過(guò)線路阻力給鋼軌施加縱向水平力,與此同時(shí),這個(gè)力以大小相等、方向相反的方式反作用于橋梁傳至墩臺(tái)。

      在撓曲工況下,1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌對(duì)應(yīng)的最大撓曲力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

      圖6 撓曲工況下1~4 號(hào)鋼軌撓曲力

      由圖6 可知:

      1 號(hào)軌最大撓曲附加拉力為25kN;鋼軌最大撓曲附加壓力為7.33kN。

      2 號(hào)軌最大撓曲附加拉力為11kN;鋼軌最大撓曲附加壓力為3kN。

      3 號(hào)軌最大撓曲附加拉力為25kN;鋼軌最大撓曲附加壓力為7.33kN。

      4 號(hào)軌最大撓曲附加拉力為3.3kN;鋼軌最大撓曲附加壓力為1.4kN。

      5 異形橋上道岔檢算

      5.1 強(qiáng)度檢算

      軌道強(qiáng)度應(yīng)滿足:

      式中,σd為鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力;σt為鋼軌溫度應(yīng)力;σz為鋼軌制動(dòng)(牽引)應(yīng)力;σf為鋼軌附加應(yīng)力;[σ]為鋼軌容許應(yīng)力。

      鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力計(jì)算,根據(jù)線路條件和運(yùn)營(yíng)條件計(jì)算得出上述1 號(hào)軌、2 號(hào)軌、3 號(hào)軌、4 號(hào)軌軌頭最大壓應(yīng)力和軌底最大拉應(yīng)力(見(jiàn)表2)。

      表2 鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力

      本線采用U75V 鋼軌,取472MPa,考慮1.3 的安全系數(shù),其值為363MPa。

      從鋼軌伸縮力和撓曲力計(jì)算結(jié)果可看出,伸縮附加力起控制作用。

      1~4 號(hào)軌強(qiáng)度檢算見(jiàn)表3~表6。由表3 可見(jiàn),1 號(hào)鋼軌強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求。

      表3 1 號(hào)軌強(qiáng)度檢算MPa

      表4 2 號(hào)軌強(qiáng)度檢算MPa

      由表4 可見(jiàn),2 號(hào)鋼軌強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求。

      表5 3 號(hào)軌強(qiáng)度檢算MPa

      由表5 可見(jiàn),3 號(hào)鋼軌強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求。

      表6 4 號(hào)軌強(qiáng)度檢算MPa

      由表6 可見(jiàn),4 號(hào)鋼軌強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求。

      5.2 穩(wěn)定性檢算

      本線路為無(wú)砟軌道,所以軌道穩(wěn)定性不檢算。

      5.3 斷縫檢算

      鋼軌折斷允許斷縫值,無(wú)砟軌道取90mm,由表1 可知鋼軌斷縫值滿足要求。

      6 結(jié)論

      通過(guò)本工程對(duì)有軌電車(chē)異形橋梁無(wú)縫道岔分析和研究,可得出以下結(jié)論:

      1)升溫工況下,尖軌與基本軌最大相對(duì)位移不超過(guò)3mm;尖軌與橋梁最大相對(duì)位移為5.72mm;道岔轉(zhuǎn)轍器處基本軌與橋梁相對(duì)位移最大為3.42mm。降溫工況下,尖軌與基本軌最大相對(duì)位移不超過(guò)3mm;尖軌與橋梁最大相對(duì)位移為5.34mm;道岔轉(zhuǎn)轍器處基本軌與橋梁相對(duì)位移最大為2.54mm。

      2)經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)最不利斷縫位置出現(xiàn)在1 號(hào)軌與3 號(hào)軌的共享區(qū)間段三環(huán)線區(qū)間。

      3)因線路橋跨采用小阻力扣件,根據(jù)TB 10015—2012(J 1586—2013)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中鋼軌斷縫值計(jì)算公式,在伸縮附加力較大的(38m+44m+37m)連續(xù)梁左端處(距離DT1 線0 號(hào)橋墩1 104.2m)發(fā)生斷軌,其斷縫最為不利。最大斷縫值為69mm。

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