现代有轨电车轨道结构关键参数研究

胥燕军，林红松，王 健，王 平

(1．西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031;2．中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

当前，现代有轨电车已经发展成为一种新型公共交通方式，国内又兴起一波建设现代有轨电车的高潮。现代有轨电车的轨道结构类型主要有两种，一种是单层板结构，即道床板直接铺设于下部基础之上;另一种是双层板结构，即在道床板下设有底座或者支承层［1］。本文主要分析了现代有轨电车双层板结构在列车荷载作用下轨道结构各参数的影响。

1 双层板式现代有轨电车轨道结构

双层板式现代有轨电车轨道结构类似于高速铁路双块式无砟轨道，主要由槽形钢轨、轨底底垫、填充材料、道床板、支承层等部件组成。与双块式无砟轨道最大的区别是在两根钢轨之间的区域浇筑了混凝土并且将整个轨道结构埋入道路的铺面之下，轨顶与路面平齐，可以满足路面交通共享路权的需求。由于这种轨道结构对于道路形态和城市景观的破坏程度最低，在半封闭路权上尽管无其他车辆行驶，许多城市还是将这种埋入式轨道作为现代有轨电车线路在市区内的主要轨道形式。

双层板式现代有轨电车轨道如图1所示。

图1 双层板式现代有轨电车轨道

2 计算模型和参数

2.1 计算模型

由于双层板式现代有轨电车轨道结构各承载层在厚度方向的尺寸远小于在长度和宽度上的尺寸，且在荷载作用下的挠度远小于其厚度，符合弹性薄板的结构特点，适合于采用板壳理论模型，因此本文采用弹性地基梁—板理论对双层板式现代有轨电车轨道结构在列车荷载作用下的受力进行计算分析。采用Ansys有限元软件建立的梁板有限元分析模型如图2所示。

图2 有限元分析模型

在该模型中，为消除边界效应，模型选取三块单元道床板或相当的长度进行计算，以中间单元板作为研究对象，钢轨、扣件、道床板、支承层、路基，分别采用以下单元形式模拟:①钢轨采用弹性点支承梁单元，模型中采用Beam188单元模拟;②扣件考虑为线性弹簧，模型中采用Combin14弹簧单元模拟;③道床板和支承层考虑为板单元，模型中采用Shell 63单元模拟;④路基采用线性弹簧单元，模型中采用Combin14弹簧单元模拟。

参照我国的高速铁路设计相关规范以及美国的轻轨设计规范［2-3］，转向架固定轴距 1 850 mm，轴重125 kN，动力系数2.5，集中力作用点对称布置于中间单元板中部扣件处。

2.2 计算参数

参照双块式无砟轨道，各参数具体取值如下:

1)钢轨采用59R2槽形轨，质量取58.14 kg/m，弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3，沿截面横轴惯性矩3 210.6×10－8m4，截面积 74.07 × 10－4m2，截面高0.18 m，密度7 850 kg/m3。

2)扣件间距0.65 m，垂向刚度500 kN/mm。

3)道床板与底座板之间的弹性层厚度0.02 m，弹性模量300 MPa。

4)道床板厚度 0.3 m，宽度2.8 m，弹性模量34 GPa，泊松比 0.2。

5)基础支承面刚度75 MPa/m。

3 轨道结构参数影响规律

3.1 道床板长度

保持模型的其他参数不变，道床板长度分别取5.20，5.85，6.50，7.15，7.80，8.45，9.10，9.75，10.40，13.00，15.20，18.60，20.80 m，分析道床板长度对整个轨道结构受力的影响。主要计算结果如图3所示。

通过对不同道床板长度时的道床板、支承层纵横向弯矩以及钢轨位移和弯矩进行比较分析，可以看出:

1)道床板长度的变化对钢轨位移影响很小，几乎可以忽略。

2)当道床板长度＜10 m时，随着道床板长度的增加，道床板和支承层的纵向弯矩均有小幅增大，而钢轨、道床板和支承层的横向弯矩几乎没有变化，可以认为道床板长度的变化对于钢轨位移以及钢轨、道床板、支承层的弯矩而言并不是敏感参数。

3)采用单元式道床板时，考虑到由于在同等条件下，单元道床板越长，板中裂缝宽度越大，满足裂缝宽度的配筋率越大，轨道工程的建设成本越高［4-6］。从限制裂缝宽度、降低工程建设成本的角度来看，建议单元道床板的长度＜8 m。

图3 不同道床板长度时的计算结果

3.2 道床板厚度

其他参数保持不变，道床板厚度分别取0.2，0.3，0.4 m，分析列车竖向荷载作用下轨道结构各部件位移、弯矩的变化。主要计算结果如图4所示。

图4 不同道床板厚度时计算结果

通过对不同道床板厚度时道床板、支承层纵横向弯矩以及钢轨的位移和弯矩分别进行分析比较，可以看出:

1)随着道床板厚度的增大，钢轨位移不断减小，但总体变化幅度不大，且在荷载作用下钢轨位移始终＜2.0 mm。

2)随着道床板厚度的增大，道床板纵横向弯矩均不断增大，且增长幅度较大，基本呈1.5～2.0倍增长，当道床板厚度约为0.23 m时道床板纵横向弯矩值相等;而支承层纵横向弯矩均不断减小，减小幅度随着道床板厚度的增大而减小，因此对于道床板和支承层纵横向弯矩而言，道床板厚度的变化是一个敏感参数。

3)从结构受力与变形以及配筋等考虑，道床板厚度不宜超过0.3 m。

3.3 扣件刚度

保持模型的其他参数不变，改变扣件刚度，计算在列车竖向荷载作用下轨道结构各部分的位移、弯矩等，分析道床板长度对整个轨道结构受力的影响，主要计算结果如图5所示。

图5 不同扣件刚度时计算结果

通过对不同扣件刚度时道床板、支承层纵横向弯矩、钢轨的位移和弯矩分别进行分析比较，可以看出:

1)随着扣件刚度的增大，钢轨位移不断减小，且变化幅度不断减小，当扣件刚度＜50 kN/mm时，扣件刚度变化对钢轨位移影响比较大，当扣件刚度为20 kN/mm时钢轨位移接近3.5 mm，而当扣件刚度为50 kN/mm时，钢轨位移已经＜2 mm，因此，扣件刚度变化对于钢轨位移而言比较敏感。

2)随着扣件刚度的增大，钢轨弯矩不断减小，而道床板和支承层的纵横向弯矩均不断增大，道床板纵横向弯矩的增长幅度较支承层大，支承层纵横向弯矩总体变化幅度较小。

3)为保证钢轨不出现较大的竖向位移，扣件刚度不宜太小;为控制道床板的弯矩，扣件刚度不宜太大，因此综合考虑扣件刚度宜取50～100 kN/mm。

3.4 基础面刚度

改变基础面刚度，分别取 50，60，76，100，130，150 MPa/m，计算在列车竖向荷载作用下轨道结构各部分的位移、弯矩等，分析道床板长度对整个轨道结构的影响，主要计算结果如图6所示。

图6 不同基础面刚度时计算结果

通过对不同基础面刚度时道床板、支承层纵横向弯矩以及钢轨的位移和弯矩分别进行分析比较，可以看出:

1)随着基础面刚度的增大，钢轨位移不断减小，且变化幅度逐渐减小，当基础面刚度＞50 MPa/m时，钢轨位移已经＜2.0 mm。

2)随着基础面刚度的不断增大，道床板、支承层纵向弯矩均不断减小，其减小幅度逐渐减小，而钢轨、道床板和支承层横向弯矩基本不受基础面刚度变化的影响，当基础面刚度为110 MPa/m时，道床板纵横向弯矩值相等。

3)为保证钢轨不出现较大的竖向位移，基础面刚度不宜太小;而基础面刚度越大，对基础的要求越高，基础处理成本越高。因此综合考虑基础面刚度值宜取60～130 MPa/m。

4 结论

1)道床板长度的变化对钢轨位移、弯矩以及道床板、支承层纵横向弯矩几乎没有影响。从限制裂缝宽度、降低工程建设成本的角度来看，建议单元道床板的长度＜8 m。

2)随着道床板厚度的增大，道床板纵横向弯矩均不断增大，而支承层纵横向弯矩均不断减小，但对道床板纵横向弯矩的影响更加显著，当道床厚度≤0.3 m时道床板、支承层纵横向弯矩差值较小，从结构受力与变形以及配筋等考虑，道床板厚度宜≤0.3 m。

3)随着扣件刚度增加，道床板、支承层纵、横向弯矩均随之增大。为控制道床板的弯矩，并兼顾钢轨的竖向位移，扣件刚度宜取50～100 kN/mm。

4)随着基础面刚度的增大，道床板、支承层纵横向弯矩均不断减小，而纵向弯矩的变化幅度较横向大。综合考虑道床板弯矩与建设成本因素，基础面刚度值宜取60～130 MPa/m。

［1］刘学毅，赵坪锐，杨荣山，等．客运专线无砟轨道设计理论与方法［M］．成都:西南交通大学出版社，2010．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［3］DOUGLAS B Q．Track Design Handbook for Light Rail Transit［S］．Washington，D．C:National Academy Press，2000．

［4］栾永平．现浇双块式无砟轨道板裂缝控制机理和预防措施［J］．铁道建筑，2010(1):21-22．

［5］韦有信，秦超红，李成辉，等．单元双块式无砟轨道道床板长度的确定［J］．西南交通大学学报，2013(2):297-302．

［6］赵国堂．高速铁路无砟轨道技术［M］．北京:中国铁道出版社，2005．