城市轨道交通7号无砟道岔的无缝化设计研究

乔神路　刘婷林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



城市轨道交通7号无砟道岔的无缝化设计研究

乔神路刘婷林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要结合宁波地铁5号线前殷停车场的无缝线路设计方案，建立无砟轨道无缝道岔的空间耦合有限元仿真模型，对城市轨道交通7号无砟道岔无缝化后的钢轨强度、轨道稳定性、间隔铁受力及冻结接头受力等进行计算分析。研究结果表明：在温度荷载作用下，道岔基本轨承受一定的附加力作用，钢轨最大温度力出现在辙跟基本轨处；尖轨尖端纵向变形最大，基本轨纵向变形较小；冻结接头受力在岔头位置出现最大值； 7号无砟道岔采用冻结接头的无缝化设计可行。

关键词城市轨道交通；7号无砟道岔；无缝化；冻结接头

城市轨道交通车场线列车运行速度较低，轨道一般采用有缝线路，道岔以7号道岔为主[1-3]。宁波地铁5号线前殷停车场物业上盖综合开发[4-5]，除采用隔离式减振垫、阻尼钢轨等特殊减振措施外，为进一步提高线路平顺性，降低轮轨通过接头产生的冲击振动噪声，最大程度地实现减振降噪效果，车场线轨道拟采用无砟轨道跨区间无缝线路，7号道岔的无缝化设计是其是否可行的关键。

目前，城市轨道交通多采用有缝道岔，既有理论及应用研究多集中在道岔结构及养护维修方面，无缝道岔的相关研究较少[6-7]。基于有限元理论，建立无砟轨道7号单开道岔的空间耦合仿真模型，对其无缝化后的受力变形进行详细计算及检算，为前殷停车场铺设跨区间无缝线路提供依据。

1道岔结构特点

宁波地铁5号线采用的7号道岔全长23.627 m，前长11.194 m，后长12.433 m，导曲线半径150 m。道岔转辙器采用8.54 m 50AT弹性可弯曲线尖轨，尖轨跟端采用间隔铁结构，间隔铁螺栓为10.9级，直径27 mm；固定辙叉采用高锰钢整铸式；扣件采用弹条Ⅰ型分开式扣件；钢轨材质为U71Mn；道岔容许通过速度：直向为80 km/h，侧向为25 km/h。

为适应跨区间无缝线路的铺设使用要求，并方便道岔的养护维修，道岔岔内接头及道岔与区间的接头均采用冻结接头。

2空间模型的建立

无砟道岔主要由钢轨、弹性扣件、间隔铁等组成。现对各部件利用不同单元模型分别进行模拟，建立城市轨道交通无砟轨道7号道岔的空间仿真模型。

(1)采用空间梁单元模拟钢轨，考虑钢轨截面积、惯性矩及扭转弯矩等参数，如图1所示。钢轨截面面积77.45 cm2，弹性模量2.1×105MPa。钢轨根据扣件支承节点划分单元，可全面考虑纵、横、垂位移及转角。

(2)选用非弹簧单元模拟扣件，考虑扣件的纵向阻力及垂、横向刚度。单组扣件纵向阻力为10 kN，横向刚度为50 kN/mm，垂向刚度为35 kN/mm。

图1　间隔铁(空间梁单元模拟)

(3)采用非线性弹簧单元模拟辙跟间隔铁，如图2所示。间隔铁阻力由螺栓抗剪力和摩阻力组成，其中螺栓抗剪力只与螺栓数目有关，摩阻力与螺栓拉力以及间隔铁与钢轨间的摩擦系数有关。间隔铁阻力根据相关试验结果取值[8](如图3所示)。

图2　间隔铁(非线性弹簧单元模拟)

图3　间隔铁阻力-位移曲线

(4)采用非线性弹簧单元模拟冻结接头。冻结接头不允许螺栓受剪，其承载力即为接头螺栓的摩阻力。单组冻结接头承载力为1 100 kN[9]。

由于道岔采用无砟轨道，下部基础受力变形对道岔的影响可忽略，仿真模型可不考虑岔下基础。城市轨道交通7号道岔的有限元模型如图4所示。

图4　城市轨道交通7号道岔空间仿真模型

3无缝道岔受力变形及检算

宁波地区最高轨温61.2 ℃，最低轨温-9.6 ℃。根据宁波地铁地面线的工程实践，并考虑停车场上盖开发对轨温变化的影响，偏于安全，岔区无缝线路最大轨温变化幅度按45 ℃考虑。

3.1钢轨强度

道岔轨温变化45 ℃时，钢轨温度力的主要分布如图5、图6所示，最大值为858.50 kN，出现在辙跟基本轨处，温度力增幅为17%。

图5　基本轨受力

图6　尖轨及导轨受力

道岔钢轨受力检算结果见表1。由于道岔侧股曲线半径的影响，直向及侧向过岔允许速度不同，钢轨动弯应力有所差异[10]，但总应力均小于容许应力，且有较大余量，钢轨强度满足设计要求。

表1　钢轨受力检算　MPa

3.2钢轨位移

道岔轨温变化45 ℃时，钢轨位移的主要分布如图7、图8所示，最大位移为10.28 mm，出现于尖轨尖端。受间隔铁传递温度力的影响，辙跟基本轨处也出现一定的纵向变形，但量值较小，仅为0.58 mm。

城市轨道交通7号道岔采用联动内锁闭结构，尖轨容许伸缩位移为15 mm[11]，道岔位移满足使用要求。

图7　基本轨位移

图8　尖轨及导轨位移

3.3轨道稳定性

岔区无砟轨道无缝线路稳定性需根据乘车舒适性、轨道养护维修和行车安全的要求进行计算。根据压弯变形理论[12]，无砟轨道无缝线路的允许压弯变形量为：既有线0.02～0.05 cm，客运专线0.01～0.02 cm。

考虑城市轨道交通车场线列车空载运行且行车速度较低，岔区无缝线路养护标准不高，与客运专线相比，城市轨道交通车场线岔区无缝线路的允许压弯变形量可适当放宽取0.03 cm，允许温度压力为908.6 kN。根据温度力计算结果，道岔轨温升高45 ℃时，钢轨最大温度压力为858.50 kN，小于允许温度压力，轨道稳定性满足检算条件。

3.4辙跟间隔铁受力

道岔轨温变化45 ℃时，间隔铁受力计算结果见表2。由于道岔直、侧股均按无缝化设计，辙跟两个间隔铁的受力基本相同，最大值为262.31 kN。

表2　间隔铁受力　kN

根据计算[10]，在不考虑间隔铁摩阻力的条件下，间隔铁螺栓最大剪应力为229.19 MPa，小于剪应力限值415 MPa，间隔铁受力满足设计检算要求。

3.5冻结接头受力

道岔轨温变化45 ℃时，冻结接头受力最大值为762.03 kN，小于限值1100 kN，满足使用要求，计算结果见表3。

3.6钢轨断缝值

道岔降温45 ℃时，钢轨断缝值为23.4 mm，小于限值100 mm，检算满足控制条件[10]。

表3　冻结接头受力　kN

4结论与建议

建立空间有限元仿真模型，对城市轨道交通7号无砟道岔无缝化后的钢轨受力、位移、间隔铁及冻结接头受力、钢轨断缝值等进行系统计算及检算，主要结论与建议如下：

(1)前殷停车场7号无砟道岔各项受力变形指标满足检算要求，无缝化设计可行。

(2)冻结接头承载力与螺栓扭矩密切相关，直接影响无缝道岔的正常安全使用，应加强螺栓复拧，严格保持扭矩在要求范围内。

(3)目前物业上盖综合开发具体方案尚未确定，建议施工图阶段结合实际情况进一步确定设计，锁定轨温范围。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[2]于春华.城市轨道交通道岔设计、施工及维修[M].北京：中国铁道出版社，2012

[3]程保青.城轨交通车场线轨道结构的探讨[J].铁道工程学报，2003，123(12):87-90

[4]缪东.对城市地铁车辆段物业开发的思考[J].铁道勘察，2010(4):114-117

[5]鄢巨平.新建城市轨道交通线路物业开发探讨[J].铁道勘察，2009(2):67-71

[6]中铁工程设计咨询集团有限公司.地铁用60 kg/m钢轨冻结接头夹板及螺栓施工及组装技术条件(暂行)[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2012

[7]中华人民共和国铁道部.TB10015—2012铁路无缝线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2013

收稿日期：2016-03-02

第一作者简介：乔神路(1985—)，男，2014年毕业于北京交通大学道路与铁道工程专业，工学博士，工程师。

文章编号：1672-7479(2016)03-0119-03

中图分类号：U213+.1； U213.6

文献标识码：A

Jointless Design & Research on No.7 Ballastless Turnout in Urban Rail Transit

QIAO ShenluLIU Tinglin