曲 村,高 亮,陶 凱,喬神路

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044；2.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所,北京 100081)

1 研究背景

跨區(qū)間無縫線路是與高速重載鐵路相適應的軌道結構,是客運專線必須采用的關鍵技術。為滿足客運專線建設的需要,我國研究開發(fā)了時速350 km客運專線42號無砟軌道無縫道岔[1]。由于客運專線42號無砟軌道無縫道岔的鋪設在我國尚屬首次,因此對它的各項設計參數(shù)需要進行深入的研究和分析。

當時速350 km客運專線42號無砟軌道無縫道岔的基本軌和里軌采用不同的扣件阻力,或者翼軌末端間隔鐵數(shù)量發(fā)生改變時,道岔的尖軌尖端位移、心軌尖端位移、基本軌附加溫度力、尖軌跟端和翼軌末端傳力部件的受力等都會有所變化。如何正確合理地選擇上述道岔的設計參數(shù),將直接影響到道岔的鋪設質(zhì)量。

本文在已有的研究[2～10]基礎上進行進一步研究,采用商業(yè)有限元軟件建立了客運專線42號無砟軌道可動心軌無縫道岔有限元計算模型。該模型的主要特點是：道岔結構詳盡,考慮了限位器、間隔鐵等部件的實際傳力作用；各種阻力均可為非線性阻力,取值可與實測值一致；可按實際情況考慮基本軌與導軌間的相互作用關系；并可詳細得出每一組限位器、間隔鐵的受力。

采用上述客運專線42號無砟軌道無縫道岔有限元計算模型,對不同扣件阻力和翼軌末端間隔鐵數(shù)量條件下道岔的力學特性的主要計算結果等進行了計算分析與比較,對客運專線42號無砟軌道無縫道岔的設計參數(shù)的選擇提出建議。

2 模型建立

2.1 模型主要部件組成

在客運專線42號無砟軌道無縫道岔的溫度力傳遞過程中,參與傳力作用的主要有鋼軌、扣件、限位器、間隔鐵、螺栓等部件。對各部件利用有限元單元模型分別進行模擬。本文采用的參數(shù)根據(jù)文獻[1]選取。

2.2 單元模擬

(1)鋼軌選用梁單元進行模擬,按實際截面屬性進行建模,考慮鋼軌的截面積、慣性矩及扭轉彎矩等參數(shù)。鋼軌按照支承節(jié)點劃分單元,可全面考慮縱、橫、垂向線位移及轉角。在尖軌和心軌處建立變截面的單元以考慮實際截面對結果的影響。

(2)道岔區(qū)的扣件采用非線性彈簧單元進行模擬。可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度。此外,還考慮了道岔基本軌前側和翼軌前側扣件布置的實際情況。

(3)限位器結構采用非線性彈簧單元模擬,限位器的縱向阻力參數(shù)依照室內(nèi)試驗確定。模型中尖軌跟端設置3組限位器時如圖1所示,圖中僅顯示與限位器相連接的鋼軌單元。

圖1 尖軌跟端限位器圖示

(4)翼軌末端以及轍岔跟端通過間隔鐵結構固定,間隔鐵采用非線性彈簧單元模擬。模型中翼軌末端每側設置4組間隔鐵時如圖2所示,圖中僅顯示與間隔鐵相連接的鋼軌單元。

圖2 翼軌末端間隔鐵圖示

2.3 計算模型建立

通過對各個部件的模擬和組合,建立整組無縫道岔的模型。客運專線42號無砟軌道無縫道岔的有限元計算模型如圖3所示。

圖3 客運專線42號無砟軌道無縫道岔有限元計算模型

3 扣件阻力影響分析

3.1 主要計算工況

本文研究在客運專線42號無砟軌道無縫道岔基本結構不變的情況下,通過改變基本軌或里軌扣件縱向阻力實現(xiàn)減小鋼軌附加溫度力、尖軌尖端位移等主要計算結果和增大允許可鋪設軌溫范圍的可行性。

考慮以下4種扣件阻力變化型式：(1)基本軌和里軌扣件阻力均采用標準阻力；(2)基本軌扣件阻力相對標準阻力增大20%,里軌扣件阻力采用標準阻力；(3)基本軌扣件阻力采用標準阻力,里軌扣件阻力相對標準阻力增大20%；(4)基本軌扣件阻力相對標準阻力增大20%,同時里軌扣件阻力相對標準阻力也增大20%。

以尖軌跟端隔枕跨設置3組不等間隙限位器結構(限位值依次為7.0、6.5、6.0 mm)和尖軌跟端隔枕跨設置3組間隔鐵結構為例進行計算比較。軌溫變化幅度取60 ℃。

3.2 主要計算結果比較

各種扣件阻力型式下,采用上述2種尖軌跟端結構型式的道岔的主要計算結果見表1。

由表1可知,尖軌跟端隔枕跨設置3組不等間隙限位器結構(限位值依次為7.0、6.5、6.0 mm)時,相對扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,基本軌最大附加溫度力增大0.51%,尖軌尖端位移減小0.29%；扣件阻力型式(3)條件下,基本軌最大附加溫度力減小9.39%,尖軌尖端位移減小1.75%；扣件阻力型式(4)條件下,基本軌最大附加溫度力減小9.03%,尖軌尖端位移減小1.98%。

表1 各扣件阻力型式條件下道岔主要計算結果

由表1還可知,尖軌跟端隔枕跨設置3組間隔鐵結構時,相對扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,基本軌最大附加溫度力增大2.41%,尖軌尖端位移減小0.96%；扣件阻力型式(3)條件下,基本軌最大附加溫度力減小4.38%,尖軌尖端位移減小0.95%；扣件阻力型式(4)條件下,基本軌最大附加溫度力減小1.69%,尖軌尖端位移減小1.71%。

綜上所述,扣件阻力型式(3)較優(yōu),其尖軌和心軌尖端位移較小,基本軌最大附加溫度力、尖軌跟端和翼軌末端單個傳力部件受力的最大值最小。

3.3 可鋪設軌溫范圍比較

以ZK標準活載(運行速度按350 km/h考慮)作為檢算條件確定可鋪設軌溫范圍,荷載圖示依據(jù)客運專線相關規(guī)定選取[11]。各扣件阻力型式下,采用上述2種尖軌跟端結構型式的道岔的可鋪設軌溫范圍見表2。

表2 各扣件阻力型式條件下道岔可鋪設軌溫范圍

由表2可知,尖軌跟端隔枕跨設置3組不等間隙限位器結構(限位值為7.0、6.5和6.0 mm)時,相對扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,最大軌溫變化幅度不變或減小1 ℃；扣件阻力型式(3)條件下,最大軌溫變化幅度不變或增大1 ℃；扣件阻力型式(4)條件下,最大軌溫變化幅度不變或增大1 ℃。

由表2還可知,尖軌跟端隔枕跨設置3組間隔鐵結構時,相對扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,最大軌溫變化幅度不變；扣件阻力型式(3)條件下,最大軌溫變化幅度增大1 ℃；扣件阻力型式(4)條件下,最大軌溫變化幅度不變。

綜上所述,扣件阻力型式(3)最優(yōu),其最大升溫幅度和降溫幅度均最大。

3.4 小結

經(jīng)過比較分析可知,在本文所述參數(shù)條件下,在條件允許時,可適當增大里軌扣件阻力,以利于控制無縫道岔的受力與變形。

4 翼軌末端間隔鐵數(shù)量影響分析

4.1 主要計算工況

以鋼軌升溫60 ℃時為例,計算尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結構(限位值依次為7.0和6.5 mm)和尖軌跟端采用隔枕跨2組長大間隔鐵結構時的主要計算結果,翼軌末端分別按每側設置3組、4組和5組間隔鐵考慮。

4.2 主要計算結果比較

上述計算條件下,翼軌末端設置不同數(shù)量間隔鐵時的道岔的主要計算結果見表3。

表3 不同翼軌末端間隔鐵數(shù)量條件下道岔主要計算結果

由表3可知,采用不同數(shù)量的翼軌末端間隔鐵,對于道岔的尖軌尖端位移、基本軌附加溫度力以及尖軌跟端單個傳力部件所受力的影響很小,可以不予考慮。這是由于客運專線42號無砟軌道無縫道岔長度較長,翼軌末端間隔鐵位置距離尖軌尖端和跟端較遠,而道岔的基本軌附加溫度力主要是由尖軌跟端傳力結構傳遞給基本軌的,因此翼軌末端間隔鐵的數(shù)量對于上述結果影響不大。同樣可知,不同的尖軌跟端結構型式對翼軌末端間隔鐵的受力和螺栓相對錯動量基本上也沒有影響。

當翼軌末端間隔鐵的數(shù)量增加時,翼軌末端單組間隔鐵所受最大力有所降低。當每側間隔鐵分別由3組增加至4組和由4組增加至5組時,翼軌末端單組間隔鐵所受最大力分別降低19.5%和14.6%。

由此可見,增加翼軌末端每側間隔鐵的數(shù)量對其受力與變形都是有利的?？紤]到翼軌末端間隔鐵的布置空間有限,建議仍采用當前方案,即翼軌末端每側布置4組間隔鐵。

4.3 翼軌末端單組間隔鐵受力比較

由上文中分析可知,尖軌跟端結構型式對翼軌末端間隔鐵的受力基本上沒有影響。因此,軌溫變化幅度為升溫60 ℃時,尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結構(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長大間隔鐵結構時不同間隔鐵數(shù)量的道岔的翼軌末端各組間隔鐵受力見表4。

表4 翼軌末端各組間隔鐵受力 kN

翼軌末端分別按每側設置3組、4組和5組間隔鐵考慮,相應的間隔鐵編號見圖4所示。

圖4 翼軌末端間隔鐵號碼圖示

由表4可知,隨著翼軌末端每側設置的間隔鐵數(shù)量的增加,翼軌末端單組間隔鐵受到的溫度力最大值變小。

4.4 翼軌末端間隔鐵設置分析

在道岔翼軌末端設置不同數(shù)量的間隔鐵的條件下,比較單側間隔鐵受力之和?？紤]到理論計算與實際受力的差異,計算結果乘以1.2的安全系數(shù)。

由上文中分析可知,尖軌跟端結構型式對翼軌末端間隔鐵的受力基本上沒有影響,因此尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結構(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長大間隔鐵結構時的單側翼軌末端間隔鐵受力之和相同,計算結果見表5。

表5 單側翼軌末端間隔鐵受力之和比較 kN

由表5計算結果可知：當尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結構(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長大間隔鐵結構時,翼軌末端傳力部件受力總和均可按不大于1 150 kN設計。

對于目前已采用的方案,即翼軌末端采用每側4組間隔鐵的情況?？紤]到同側不同間隔鐵之間螺栓扭矩不同等因素(假定有一個間隔鐵未傳遞溫度力時,間隔鐵受力增大33%),同側單個間隔鐵受力最大值還應乘以1.33的不均勻系數(shù)。則兩側單組間隔鐵受力最大值分別為：直側391.4 kN、曲側391.2 kN。

由間隔鐵單根螺栓剪力的檢算條件

(1)

式中，T為間隔鐵螺栓承受剪力；T′為間隔鐵摩阻力；n為間隔鐵螺栓根數(shù)；d為間隔鐵螺栓直徑,取d=27mm。

得到3根M27高強螺栓的間隔鐵的最大受力限值為(3根螺栓、螺栓扭矩為1 100N·m的單個間隔鐵的摩阻力為108kN)

3×10-3+108=561.5kN

(2)

因此,翼軌末端間隔鐵受力滿足檢算要求,安全富余量約為30.3%。

5 結論和建議

通過對采用不同扣件阻力和道岔翼軌末端間隔鐵數(shù)量的時速350km客運專線42號無砟軌道無縫道岔的研究分析,在本文所述的參數(shù)條件下得出以下結論和建議。

(1)當基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時,尖軌尖端相對位移減小,有利于控制尖軌尖端的卡阻現(xiàn)象。同時,里軌通過尖軌跟端傳力部件傳遞到基本軌上的附加力減小,相應的基本軌最大溫度力降低；并且尖軌跟端和翼軌末端單個傳力部件的受力也減小。

(2)道岔扣件阻力應滿足道岔設計的要求；建議在條件允許時,增大里軌扣件阻力,以利于控制無縫道岔的受力與變形。

(3)采用不同數(shù)量的翼軌末端間隔鐵,對于道岔的尖軌尖端位移、基本軌附加溫度力以及尖軌跟端單個傳力部件所受的力的影響很小。同時,在相同的翼軌末端間隔鐵的設置數(shù)量條件下,不同的尖軌跟端結構型式的客運專線42號無砟軌道無縫道岔的翼軌末端間隔鐵受力基本相同。

(4)增加翼軌末端單側間隔鐵的數(shù)目對其受力與變形都是有利的?？紤]到翼軌末端間隔鐵的布置空間有限,客運專線42號無砟軌道無縫道岔翼軌末端傳力部件建議采用當前方案,即翼軌末端每側布置4組間隔鐵,受力總和可按不大于1150kN設計。當前采用的翼軌末端傳力部件方案滿足檢算要求,在本文所述的參數(shù)條件下得出安全富余量約為30.3%。

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