喬神路 劉婷林
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)
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城市軌道交通7號無砟道岔的無縫化設(shè)計研究
喬神路劉婷林
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京100055)
摘要結(jié)合寧波地鐵5號線前殷停車場的無縫線路設(shè)計方案,建立無砟軌道無縫道岔的空間耦合有限元仿真模型,對城市軌道交通7號無砟道岔無縫化后的鋼軌強度、軌道穩(wěn)定性、間隔鐵受力及凍結(jié)接頭受力等進行計算分析。研究結(jié)果表明:在溫度荷載作用下,道岔基本軌承受一定的附加力作用,鋼軌最大溫度力出現(xiàn)在轍跟基本軌處;尖軌尖端縱向變形最大,基本軌縱向變形較?。粌鼋Y(jié)接頭受力在岔頭位置出現(xiàn)最大值; 7號無砟道岔采用凍結(jié)接頭的無縫化設(shè)計可行。
關(guān)鍵詞城市軌道交通;7號無砟道岔;無縫化;凍結(jié)接頭
城市軌道交通車場線列車運行速度較低,軌道一般采用有縫線路,道岔以7號道岔為主[1-3]。寧波地鐵5號線前殷停車場物業(yè)上蓋綜合開發(fā)[4-5],除采用隔離式減振墊、阻尼鋼軌等特殊減振措施外,為進一步提高線路平順性,降低輪軌通過接頭產(chǎn)生的沖擊振動噪聲,最大程度地實現(xiàn)減振降噪效果,車場線軌道擬采用無砟軌道跨區(qū)間無縫線路,7號道岔的無縫化設(shè)計是其是否可行的關(guān)鍵。
目前,城市軌道交通多采用有縫道岔,既有理論及應(yīng)用研究多集中在道岔結(jié)構(gòu)及養(yǎng)護維修方面,無縫道岔的相關(guān)研究較少[6-7]?;谟邢拊碚?,建立無砟軌道7號單開道岔的空間耦合仿真模型,對其無縫化后的受力變形進行詳細計算及檢算,為前殷停車場鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路提供依據(jù)。
1道岔結(jié)構(gòu)特點
寧波地鐵5號線采用的7號道岔全長23.627 m,前長11.194 m,后長12.433 m,導(dǎo)曲線半徑150 m。道岔轉(zhuǎn)轍器采用8.54 m 50AT彈性可彎曲線尖軌,尖軌跟端采用間隔鐵結(jié)構(gòu),間隔鐵螺栓為10.9級,直徑27 mm;固定轍叉采用高錳鋼整鑄式;扣件采用彈條Ⅰ型分開式扣件;鋼軌材質(zhì)為U71Mn;道岔容許通過速度:直向為80 km/h,側(cè)向為25 km/h。
為適應(yīng)跨區(qū)間無縫線路的鋪設(shè)使用要求,并方便道岔的養(yǎng)護維修,道岔岔內(nèi)接頭及道岔與區(qū)間的接頭均采用凍結(jié)接頭。
2空間模型的建立
無砟道岔主要由鋼軌、彈性扣件、間隔鐵等組成。現(xiàn)對各部件利用不同單元模型分別進行模擬,建立城市軌道交通無砟軌道7號道岔的空間仿真模型。
(1)采用空間梁單元模擬鋼軌,考慮鋼軌截面積、慣性矩及扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù),如圖1所示。鋼軌截面面積77.45 cm2,彈性模量2.1×105MPa。鋼軌根據(jù)扣件支承節(jié)點劃分單元,可全面考慮縱、橫、垂位移及轉(zhuǎn)角。
(2)選用非彈簧單元模擬扣件,考慮扣件的縱向阻力及垂、橫向剛度。單組扣件縱向阻力為10 kN,橫向剛度為50 kN/mm,垂向剛度為35 kN/mm。
圖1 間隔鐵(空間梁單元模擬)
(3)采用非線性彈簧單元模擬轍跟間隔鐵,如圖2所示。間隔鐵阻力由螺栓抗剪力和摩阻力組成,其中螺栓抗剪力只與螺栓數(shù)目有關(guān),摩阻力與螺栓拉力以及間隔鐵與鋼軌間的摩擦系數(shù)有關(guān)。間隔鐵阻力根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果取值[8](如圖3所示)。
圖2 間隔鐵(非線性彈簧單元模擬)
圖3 間隔鐵阻力-位移曲線
(4)采用非線性彈簧單元模擬凍結(jié)接頭。凍結(jié)接頭不允許螺栓受剪,其承載力即為接頭螺栓的摩阻力。單組凍結(jié)接頭承載力為1 100 kN[9]。
由于道岔采用無砟軌道,下部基礎(chǔ)受力變形對道岔的影響可忽略,仿真模型可不考慮岔下基礎(chǔ)。城市軌道交通7號道岔的有限元模型如圖4所示。
圖4 城市軌道交通7號道岔空間仿真模型
3無縫道岔受力變形及檢算
寧波地區(qū)最高軌溫61.2 ℃,最低軌溫-9.6 ℃。根據(jù)寧波地鐵地面線的工程實踐,并考慮停車場上蓋開發(fā)對軌溫變化的影響,偏于安全,岔區(qū)無縫線路最大軌溫變化幅度按45 ℃考慮。
3.1鋼軌強度
道岔軌溫變化45 ℃時,鋼軌溫度力的主要分布如圖5、圖6所示,最大值為858.50 kN,出現(xiàn)在轍跟基本軌處,溫度力增幅為17%。
圖5 基本軌受力
圖6 尖軌及導(dǎo)軌受力
道岔鋼軌受力檢算結(jié)果見表1。由于道岔側(cè)股曲線半徑的影響,直向及側(cè)向過岔允許速度不同,鋼軌動彎應(yīng)力有所差異[10],但總應(yīng)力均小于容許應(yīng)力,且有較大余量,鋼軌強度滿足設(shè)計要求。
表1 鋼軌受力檢算 MPa
3.2鋼軌位移
道岔軌溫變化45 ℃時,鋼軌位移的主要分布如圖7、圖8所示,最大位移為10.28 mm,出現(xiàn)于尖軌尖端。受間隔鐵傳遞溫度力的影響,轍跟基本軌處也出現(xiàn)一定的縱向變形,但量值較小,僅為0.58 mm。
城市軌道交通7號道岔采用聯(lián)動內(nèi)鎖閉結(jié)構(gòu),尖軌容許伸縮位移為15 mm[11],道岔位移滿足使用要求。
圖7 基本軌位移
圖8 尖軌及導(dǎo)軌位移
3.3軌道穩(wěn)定性
岔區(qū)無砟軌道無縫線路穩(wěn)定性需根據(jù)乘車舒適性、軌道養(yǎng)護維修和行車安全的要求進行計算。根據(jù)壓彎變形理論[12],無砟軌道無縫線路的允許壓彎變形量為:既有線0.02~0.05 cm,客運專線0.01~0.02 cm。
考慮城市軌道交通車場線列車空載運行且行車速度較低,岔區(qū)無縫線路養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)不高,與客運專線相比,城市軌道交通車場線岔區(qū)無縫線路的允許壓彎變形量可適當(dāng)放寬取0.03 cm,允許溫度壓力為908.6 kN。根據(jù)溫度力計算結(jié)果,道岔軌溫升高45 ℃時,鋼軌最大溫度壓力為858.50 kN,小于允許溫度壓力,軌道穩(wěn)定性滿足檢算條件。
3.4轍跟間隔鐵受力
道岔軌溫變化45 ℃時,間隔鐵受力計算結(jié)果見表2。由于道岔直、側(cè)股均按無縫化設(shè)計,轍跟兩個間隔鐵的受力基本相同,最大值為262.31 kN。
表2 間隔鐵受力 kN
根據(jù)計算[10],在不考慮間隔鐵摩阻力的條件下,間隔鐵螺栓最大剪應(yīng)力為229.19 MPa,小于剪應(yīng)力限值415 MPa,間隔鐵受力滿足設(shè)計檢算要求。
3.5凍結(jié)接頭受力
道岔軌溫變化45 ℃時,凍結(jié)接頭受力最大值為762.03 kN,小于限值1100 kN,滿足使用要求,計算結(jié)果見表3。
3.6鋼軌斷縫值
道岔降溫45 ℃時,鋼軌斷縫值為23.4 mm,小于限值100 mm,檢算滿足控制條件[10]。
表3 凍結(jié)接頭受力 kN
4結(jié)論與建議
建立空間有限元仿真模型,對城市軌道交通7號無砟道岔無縫化后的鋼軌受力、位移、間隔鐵及凍結(jié)接頭受力、鋼軌斷縫值等進行系統(tǒng)計算及檢算,主要結(jié)論與建議如下:
(1)前殷停車場7號無砟道岔各項受力變形指標(biāo)滿足檢算要求,無縫化設(shè)計可行。
(2)凍結(jié)接頭承載力與螺栓扭矩密切相關(guān),直接影響無縫道岔的正常安全使用,應(yīng)加強螺栓復(fù)擰,嚴(yán)格保持扭矩在要求范圍內(nèi)。
(3)目前物業(yè)上蓋綜合開發(fā)具體方案尚未確定,建議施工圖階段結(jié)合實際情況進一步確定設(shè)計,鎖定軌溫范圍。
參考文獻
[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013
[2]于春華.城市軌道交通道岔設(shè)計、施工及維修[M].北京:中國鐵道出版社,2012
[3]程保青.城軌交通車場線軌道結(jié)構(gòu)的探討[J].鐵道工程學(xué)報,2003,123(12):87-90
[4]繆東.對城市地鐵車輛段物業(yè)開發(fā)的思考[J].鐵道勘察,2010(4):114-117
[5]鄢巨平.新建城市軌道交通線路物業(yè)開發(fā)探討[J].鐵道勘察,2009(2):67-71
[6]中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司.地鐵用60 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板及螺栓施工及組裝技術(shù)條件(暫行)[R].北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,2012
[7]中華人民共和國鐵道部.TB10015—2012鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2013
收稿日期:2016-03-02
第一作者簡介:喬神路(1985—),男,2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專業(yè),工學(xué)博士,工程師。
文章編號:1672-7479(2016)03-0119-03
中圖分類號:U213+.1; U213.6
文獻標(biāo)識碼:A
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