郭 凡，楊永清，劉國軍，楊光哲

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

跨座式單軌交通具有噪聲低、乘坐舒適、爬坡能力強(qiáng)、車輛可通過較小曲線半徑等特點(diǎn)，特別適用于地形復(fù)雜、地面起伏較大的山區(qū)城市［1］。與常規(guī)軌道交通系統(tǒng)相比，跨座式單軌交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及受力傳力方式有明顯的特點(diǎn)，主要反映在車輛轉(zhuǎn)向架、軌道梁和道岔等三方面，是該交通系統(tǒng)三大關(guān)鍵技術(shù)［2］。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，單軌道岔可分為關(guān)節(jié)型和關(guān)節(jié)可撓型兩種，其中關(guān)節(jié)可撓型道岔的導(dǎo)向面、穩(wěn)定面與箱梁之間為可動連接，道岔移動時(shí)，導(dǎo)向面及穩(wěn)定面彎曲成連續(xù)曲線線形，列車通過道岔時(shí)的平順性較好，限速高于關(guān)節(jié)型道岔，通常用于正線線路［3］。由于單軌道岔要承受扭曲、沖擊等車輛運(yùn)行荷載的反復(fù)作用，道岔體系必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度與穩(wěn)定性。為檢驗(yàn)在直線狀態(tài)及轉(zhuǎn)轍之后曲線狀態(tài)的道岔梁位移和應(yīng)力、導(dǎo)向面與穩(wěn)定面鋼板、T形軸等構(gòu)件的強(qiáng)度及可靠性和結(jié)構(gòu)整體抗傾覆性能，并為道岔系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與制造工藝的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對某道岔系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

某關(guān)節(jié)可撓型道岔工程樣機(jī)由4節(jié)鋼制梁連接，并由臺車及軌道、T形軸、傳動裝置等組成。道岔梁長度4×5.5 m，為全鋼結(jié)構(gòu)，截面高1 420 mm(支點(diǎn)處高1 426 mm)，寬 850 mm。

1.1 測試內(nèi)容

道岔試驗(yàn)梁分為1#～4#梁段。試驗(yàn)主要是對2#、3#梁段進(jìn)行橫向和豎向加載，測試試驗(yàn)荷載下加載梁段導(dǎo)向板和穩(wěn)定板的應(yīng)力，加載梁段主要截面的應(yīng)力及跨中撓度，道岔梁由直線狀態(tài)到曲線狀態(tài)可撓系統(tǒng)的應(yīng)力變化，2#梁段與3#梁段之間的相對位移。并觀察導(dǎo)向板、穩(wěn)定板、加載點(diǎn)梁體及可撓系統(tǒng)的變形、可撓系統(tǒng)(凸輪機(jī)構(gòu))的工作性能和臺車的穩(wěn)定性。

1.2 荷載工況及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)荷載采用4點(diǎn)加載模擬實(shí)際車輛軸位荷載，由最大設(shè)計(jì)彎矩并計(jì)入沖擊、橫向搖擺力作用等因素得到豎向和橫向試驗(yàn)荷載值。關(guān)節(jié)可撓型道岔梁在運(yùn)營中，列車橫向力直接作用于導(dǎo)向板、穩(wěn)定板，再通過凸輪機(jī)構(gòu)傳給梁體，所以試驗(yàn)時(shí)采用高100 mm、長150 mm的鋼板施加橫向荷載模擬輪壓力。根據(jù)GB50458—2008第8.2.9條［4］，列車橫向搖擺力應(yīng)按列車設(shè)計(jì)荷載單軸重的25%計(jì)算，一列車以一個(gè)水平集中力取最不利位置(2#、3#梁段跨中)垂直梁軸線方向，由曲線內(nèi)側(cè)向曲線外側(cè)加載，加載布置見圖1。

單開關(guān)節(jié)可撓型道岔梁凸輪機(jī)構(gòu)的作用，都反映在導(dǎo)向面板和穩(wěn)定面板上。道岔梁由直線狀態(tài)擺動到曲線狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)向面板和穩(wěn)定面板在凸輪機(jī)構(gòu)的作用下，產(chǎn)生彈性變形，從而使4組道岔梁形成平滑曲線。此時(shí)，梁端5#支點(diǎn)處橫向最大擺動距離為2.4 m，導(dǎo)向面板和穩(wěn)定面板將產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為測試該應(yīng)力，擺動道岔梁，使5#支點(diǎn)處產(chǎn)生最大的橫向位移2.4 m(見圖2)。

1.3 測點(diǎn)布置

在2#、3#梁共布置32個(gè)應(yīng)變花、8個(gè)應(yīng)變單片、8個(gè)位移測點(diǎn)，導(dǎo)向板、穩(wěn)定板上設(shè)144個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，以測試梁體受力及變形;在2#、3#、4#支點(diǎn)處布置6個(gè)位移測點(diǎn)，測試試驗(yàn)荷載下的支座下沉，在2#、3#梁體相接處布置4個(gè)橫向、豎向位移測點(diǎn)，測試2#、3#梁段間相對位移，測點(diǎn)如圖3所示。

圖1 加載布置(單位:mm)

圖2 道岔梁擺動變形圖(單位:mm)

2 有限元模型分析

道岔系統(tǒng)各構(gòu)件受力復(fù)雜，為模擬道岔實(shí)際的工作狀態(tài)和受力工況，建立ANSYS有限元模型做仿真分析，單元?jiǎng)澐旨骖櫽?jì)算精度和計(jì)算效率。道岔梁是系統(tǒng)的主體，也是分析重點(diǎn)，該道岔梁由Q235鋼板焊接而成，采用板梁式單元SHELL63進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分;T型軸是實(shí)體鑄造件，導(dǎo)向面板和穩(wěn)定面板是由 Q345鋼制成，均采用SOLID45單元進(jìn)行建模。有限元模型如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中加到最大荷載又卸載后道岔梁、導(dǎo)向板和穩(wěn)定板的應(yīng)變、位移回零，說明道岔梁沒有殘余變形，道岔梁處于彈性工作狀態(tài)中。根據(jù)道岔梁及導(dǎo)向板、穩(wěn)定板的實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)，上述工況下各測點(diǎn)應(yīng)力—荷載關(guān)系基本呈線性關(guān)系。橫向加載時(shí)，凸輪軸附近梁體曲線外側(cè)受力大于曲線內(nèi)側(cè)受力，最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，均出現(xiàn)在外側(cè)部位，而導(dǎo)向板和穩(wěn)定板的最大應(yīng)力，出現(xiàn)在跨中部位。道岔梁與導(dǎo)向板、穩(wěn)定板實(shí)測應(yīng)力最大值和跨中截面實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力比較，如表1、表2所列(本文中，壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正)。

圖3 應(yīng)變與位移測點(diǎn)布置

圖4 有限元模型

表1 道岔梁與導(dǎo)向板、穩(wěn)定板實(shí)測應(yīng)力最大值 MPa

表2 道岔梁跨中截面實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力均值比較 MPa

由表2可見，橫向加載時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.57～1.05，豎向加載時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.91～0.96;在空載時(shí)轉(zhuǎn)動道岔梁，其產(chǎn)生應(yīng)力的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.87～0.96，均在合理的范圍之內(nèi)，表明道岔梁體系滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮最不利情況，將以上三種工況對應(yīng)的最大應(yīng)力相加可得最不利組合下的道岔梁受力。實(shí)際上，梁體有自重作用，但以上每種工況下最大應(yīng)力的位置不一定相同，且梁體自身應(yīng)力水平較小，如此疊加還會增大對應(yīng)位置的應(yīng)力。此時(shí)導(dǎo)向板、穩(wěn)定板最大應(yīng)力為82.01 MPa，小于 Q345鋼材的允許應(yīng)力［σw］=194 MPa;凸輪軸附近梁體最大主拉應(yīng)力為53.77 MPa，最大主壓應(yīng)力48.46 MPa，小于 Q235鋼材的允許應(yīng)力［σ］=135 MPa，最大剪應(yīng)力 42.22 MPa，小于抗剪允許應(yīng)力［τ］=80 MPa。此種情況安全系數(shù)為 1.89(1.2P2+1.5N0，其中，P2、N0分別為計(jì)入沖擊系數(shù)的運(yùn)營期間單軸豎向荷載和橫向荷載)，所以實(shí)際情況的安全系數(shù)應(yīng)＞1.89，滿足抗彎承載力要求。

直線狀態(tài)時(shí)豎向加載，2#、3#梁跨中平均撓度為1.53 mm 和 2.03 mm;2#、3#、4#支點(diǎn)最大位移分別為向下 0.16 mm、向下 0.22 mm、向下 0.06 mm;2#、3#梁段之間的相對位移為:豎向3#梁端相對2#梁端上升0.01 mm，縱向2#、3#梁分離0.06 mm。梁體最大位移為2.03 mm＜5 500/900=6.11 mm，道岔梁具有足夠的剛度。

在前次對跨座式關(guān)節(jié)型道岔梁的試驗(yàn)中［5］，跨座式關(guān)節(jié)型道岔梁在豎向荷載作用下(單點(diǎn)豎向最大力184.48 kN，四點(diǎn)加載)，2#梁段跨中最大撓度為2.95 mm，3#梁段跨中最大撓度為2.23 mm。本次試驗(yàn)的跨座式關(guān)節(jié)可撓型道岔梁梁體在豎向加載(單點(diǎn)豎向最大力179.73 kN，四點(diǎn)加載)2#梁段跨中平均撓度為1.53 mm，3#梁段跨中平均撓度為2.03 mm。從整體來說，跨座式關(guān)節(jié)可撓型道岔梁的剛度要大于跨座式關(guān)節(jié)型道岔梁的剛度。

4 結(jié)論

通過以上分析可知，道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行為接近有限元仿真模擬，道岔梁體、導(dǎo)向面與穩(wěn)定面鋼板、T形軸等構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，道岔系統(tǒng)能夠承受實(shí)際運(yùn)行中扭曲、沖擊等車輛運(yùn)行荷載的反復(fù)作用，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果也表明，與跨座式關(guān)節(jié)型道岔梁相比，關(guān)節(jié)可撓型道岔梁的整體剛度更大，具有更好的行車平順性。由于跨坐式單軌交通在國內(nèi)剛剛起步，其相關(guān)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及試驗(yàn)評定尚缺乏非常成熟的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。因此，試驗(yàn)和理論分析結(jié)果也為道岔設(shè)計(jì)理論與制造工藝的發(fā)展提供了翔實(shí)參考數(shù)據(jù)。

［1］馬繼兵.跨座式單軌交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜動力行為研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［2］雷慧鋒，劉永鋒.跨座式軌道交通建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2001，21(1):1-4.

［3］王省茜.跨座式單軌鐵路的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景［J］.中國鐵道科學(xué)，2004，25(1):131-135.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50458—2008跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.跨座式單軌交通 PC軌道梁靜載及疲勞試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2008(5):3-6.