孫大新，曲 村，劉鐵旭

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100037)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市中以及城市間的客流交往愈加頻繁，居民對(duì)于通勤的要求越來(lái)越高。除了傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)，城際的市域快軌系統(tǒng)也在蓬勃發(fā)展[1-3]。

與傳統(tǒng)地鐵軌道方案相比，市域快軌系統(tǒng)軌道設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)是采用取消道岔內(nèi)鋼軌接頭的跨區(qū)間無(wú)縫線路技術(shù)。該技術(shù)具有行駛穩(wěn)定性好、旅客舒適度高、維修量減少、振動(dòng)與噪聲小、軌道結(jié)構(gòu)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在市域快軌系統(tǒng)中， 18號(hào)道岔是非常常用的一種道岔型式，在高速、重載鐵路上也有著廣泛的應(yīng)用[4-6]。在應(yīng)用時(shí)，如何選擇道岔基本軌的焊接接頭位置和道岔區(qū)部分的扣件阻力對(duì)于道岔的主要力學(xué)特性影響很大。以上參數(shù)的合理選擇，將直接影響到市域快軌無(wú)砟軌道18號(hào)無(wú)縫道岔的鋪設(shè)質(zhì)量，因此，有必要進(jìn)行針對(duì)性的研究。

本文在鐵路、客運(yùn)專線和城市軌道交通無(wú)縫道岔已有研究[7-14]的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，建立了市域快軌無(wú)砟軌道18號(hào)無(wú)縫道岔計(jì)算模型，對(duì)基本軌焊接接頭位置、不同扣件阻力參數(shù)條件下的主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算分析，為無(wú)砟軌道18號(hào)無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇提供參考意見(jiàn)。

1 模型建立

1.1 道岔結(jié)構(gòu)基本組成

道岔結(jié)構(gòu)基本組成如圖1所示。

1.2 道岔各部件有限元模型建立

(1) 道岔基本軌建立了等截面的梁?jiǎn)卧?，在尖軌和心軌處參照道岔詳圖建立了變截面的梁?jiǎn)卧Ｆ渲?，基本軌的梁?jiǎn)卧鐖D2所示。

(2) 道岔區(qū)鋼軌與扣件相連接，各項(xiàng)阻力與剛度值通過(guò)非線性彈簧單元進(jìn)行表達(dá)?？奂椈蓡卧鐖D3所示，扣件彈簧單元與鋼軌單元節(jié)點(diǎn)連接如圖4所示。

(3) 尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)主要包括限位器和間隔鐵兩種型式，尖軌跟端間隔鐵結(jié)構(gòu)布置如圖5所示，尖軌跟端限位器結(jié)構(gòu)布置如圖6所示。

通過(guò)間隔鐵或限位器結(jié)構(gòu)連接的基本軌和尖軌，其相對(duì)位移與縱向力之間的關(guān)系也可以通過(guò)非線性彈簧單元進(jìn)行表達(dá)。模型中，尖軌跟端間隔鐵或限位器彈簧單元如圖7所示。

(4) 翼軌末端傳力結(jié)構(gòu)主要是間隔鐵，其結(jié)構(gòu)布置如圖8所示。

通過(guò)間隔鐵結(jié)構(gòu)連接的心軌和翼軌，其相對(duì)位移與縱向力之間的關(guān)系也可以通過(guò)非線性彈簧單元進(jìn)行表達(dá)。模型中，翼軌末端間隔鐵彈簧單元如圖9所示。

1.3 整體計(jì)算模型建立

市域快軌無(wú)砟軌道18號(hào)無(wú)縫道岔的有限元整體模型如圖10所示。為消除模型邊界對(duì)于計(jì)算結(jié)果正確性的影響，模型建立時(shí)兩端再延長(zhǎng)約60 m(100個(gè)扣件間距)的軌道結(jié)構(gòu)。

2 基本軌焊接接頭位置研究

2.1 主要計(jì)算工況

鋼軌焊接接頭強(qiáng)度普遍低于鋼軌母材強(qiáng)度，因此焊接接頭成為無(wú)縫道岔中受力的薄弱環(huán)節(jié)。為避免焊接接頭承受較大的溫度力，本節(jié)以扣件縱向阻力10 kN/組、溫度變化幅度60 ℃為例進(jìn)行計(jì)算分析，主要研究不同的基本軌焊接位置對(duì)于焊縫處受力的影響。

2.2 主要計(jì)算結(jié)果

在各種基本軌焊接接頭位置條件下，尖軌跟端設(shè)置2組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表1所示；尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表2所示；尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為8.5 mm、5.0 mm)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表3所示。其中，表中0.00 m處，基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同，焊接位置前移為“+”，后移為“-”。 增幅百分比是指焊接接頭位置移動(dòng)后承受的溫度力與0.00 m位置承受的溫度力比較增加的幅度。

2.3 主要計(jì)算結(jié)論

由表1～表3中的計(jì)算結(jié)果分析可知：無(wú)論尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)采用間隔鐵還是限位器，采用限位器時(shí)是否考慮安裝誤差，目前的設(shè)計(jì)方案，即基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同時(shí)焊接接頭所受到的溫度力最小，安全性最有保證。

3 扣件阻力參數(shù)研究

3.1 主要計(jì)算工況

本節(jié)主要研究如何通過(guò)改變基本軌和里軌(包括尖軌和心軌，下同)扣件縱向阻力實(shí)現(xiàn)減小基本軌附加溫度力、尖軌尖端位移和尖軌跟端及翼軌末端單個(gè)傳力部件所受最大力。本部分主要以下述幾種扣件阻力為條件進(jìn)行計(jì)算和分析：基本軌和里軌扣件阻力均取1倍設(shè)計(jì)阻力值(A)；基本軌扣件阻力取1.2倍設(shè)計(jì)阻力值、里軌扣件阻力仍取1倍設(shè)計(jì)阻力值(B)；基本軌扣件阻力取1倍設(shè)計(jì)阻力值、里軌扣件阻力取1.2倍設(shè)計(jì)阻力值(C)；基本軌和里軌扣件阻力均取1.2倍設(shè)計(jì)阻力值(D)。

表1 尖軌跟端設(shè)置2組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

表2 尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

表3 尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為8.5 mm、5.0 mm)時(shí)不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

在各種扣件阻力型式條件下，尖軌跟端不設(shè)傳力結(jié)構(gòu)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果如表4所示；尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果如表5所示；尖軌跟端設(shè)置2組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表4 尖軌跟端不設(shè)傳力結(jié)構(gòu)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果

表5 尖軌跟端設(shè)置2組限位器結(jié)構(gòu)(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果

表6 尖軌跟端設(shè)置2組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)不同扣件阻力型式主要計(jì)算結(jié)果

3.3 主要計(jì)算結(jié)論

由表4～表6中計(jì)算結(jié)果分析可知：當(dāng)基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時(shí)，整個(gè)道岔結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固：尖軌跟端傳力部件位置處與基本軌之間的相對(duì)位移減小，尖軌傳遞給基本軌的附加力有所減小，造成基本軌承受的附加溫度力相應(yīng)減小，尖軌跟端單個(gè)傳力部件所受到的最大力也相應(yīng)減?。恍能壟c翼軌之間的相對(duì)位移也有所減小，造成翼軌末端單個(gè)傳力部件受力均有所降低。因此，扣件阻力型式C較優(yōu)，其尖軌尖端相對(duì)位移減小，有利于控制尖軌尖端的卡阻現(xiàn)象；傳力部件受力最大值減小，有利于避免螺栓斷裂。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)建立市域快軌無(wú)砟軌道18號(hào)無(wú)縫道岔有限元仿真模型，對(duì)選取不同的道岔基本軌焊接接頭位置及扣件阻力參數(shù)條件下的主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算和分析。

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1) 無(wú)論尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)采用間隔鐵還是限位器，采用限位器時(shí)是否考慮安裝誤差，目前設(shè)計(jì)方案中采用的基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同即為最佳位置，焊接接頭處于該位置時(shí)所受到的溫度力最小，安全性最有保證。

建議無(wú)縫道岔基本軌焊縫設(shè)置在尖軌跟端位置處，以保證無(wú)縫道岔焊縫的安全性。

(2) 當(dāng)基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時(shí)，整個(gè)道岔結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固：尖軌跟端傳力部件位置處與基本軌之間的相對(duì)位移減小，尖軌傳遞給基本軌的附加力有所減小，造成基本軌承受的附加溫度力相應(yīng)減小，尖軌跟端單個(gè)傳力部件所受到的最大力也相應(yīng)減小；心軌與翼軌之間的相對(duì)位移也有所減小，導(dǎo)致翼軌末端單個(gè)傳力部件受力均有所降低。尖軌尖端相對(duì)位移減小，有利于避免尖軌尖端的卡阻現(xiàn)象；傳力部件受力最大值減小，有利于避免螺栓斷裂。

建議在設(shè)計(jì)時(shí)不要盲目減小道岔扣件阻力：在條件允許時(shí)，盡量增大尖軌和心軌的扣件縱向阻力，以利于整個(gè)道岔結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)固，更好地控制無(wú)縫道岔的受力與變形。