西安地铁机场线渭河特大桥大梁缝处抬枕装置研究

2018-07-24宫寅

城市轨道交通研究 2018年7期

宫寅

(中铁上海设计院集团有限公司, 200070, 上海//工程师)

1 工程概况

西安地铁机场线(以下简称机场线)是西安城市轨道交通近期规划中的重要交通线路，全长27.33 km。其中，渭河特大桥(以下简称特大桥)属于机场线的重点控制性工程，全长4 252 m。跨越渭河主河槽的特大桥采用50 m+8×100 m+50 m连续梁，两岸相邻桥梁采用60 m+111 m+94 m+100 m+60 m连续梁。特大桥位于抗震设防烈度8度区，由于抗震设防烈度高，导致两联连续梁间梁缝的设计值较大(此处梁缝采用600 mm±230 mm)，由此带来的轨枕间距超限存在一定的安全隐患，因此轨道拟采用抬枕装置进行处理[1-2]。进口抬枕装置采购价格及养护维修费用偏高；国产抬枕装置价格偏低，但结构复杂、施工精度难以保证[3-4]。目前，重庆轨道交通6号线两江大桥采用了国产抬枕装置(见图1)。因此，本文以特大桥为工程背景，结合机场线的特点对国产抬枕装置进行优化设计，以满足其功能性及经济性要求。

图1 国产抬枕装置

2 抬枕装置设计原则及设计方案

结合现场调研，确定了抬枕装置的设计原则：①抬枕装置应安全、可靠，满足行车平顺性要求；②抬枕装置应有足够的横向、竖向刚度；③抬枕装置范围内扣件应采用调节器基本轨专用扣件；④抬枕装置的剪刀叉不应碰到道床和梁；⑤应考虑抬枕装置的造价以及养护维修的便捷性和经济性；⑥应适用于梁缝600 mm±230 mm的工况[5]。

根据设计原则，将国产抬枕装置进行如下优化设计：

(1) 将“7根钢枕结构”优化为“1根钢枕、6根混凝土枕结构，仅梁缝处1根钢枕外露，其余浇注在道床混凝土中”，钢枕采用T形梁。

(2) 为保持剪刀装置的稳定性，采用双剪刀装置；为保证双剪刀装置不侵入桥梁结构面，剪刀装置采用横向放置。

(3) 为保证调节器的平顺性及基本轨的伸缩性，将原国产抬枕装置扣件更换为国产调节器基本轨超小阻力扣件[6]。

对此，本文提出以下两种方案，分别为2根钢纵梁抬枕装置和3根钢纵梁抬枕装置(见图2)。

a) 2根钢纵梁抬枕装置

b) 3根钢纵梁抬枕装置

3 仿真计算

3.1 参数选择及约束施加

利用有限元软件对两种抬枕装置进行了模态分析和准确静力计算。计算中，钢轨采用BEAM4单元模拟，扣件采用COMBIN14单元模拟，道床采用SOLID45单元模拟。对道床底部及钢轨两侧施加全约束。钢轨、扣件、道床、钢枕及钢纵梁的参数详述如下：

(1) 钢轨。采用U75V、60 kg/m钢轨，截面面积为77.45×10-4m2,截面惯性矩Iz=3.217×10-5m4、Iy=5.24×10-6m4，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

(2) 扣件。本线设计扣件间距为595 mm，采用DTⅦ2扣件，每组扣件节点静刚度为25 kN/mm，动静比按1.4、动刚度按35 kN/mm考虑,扣件抗横向力为40 kN/组。

(3) 道床。采用C40混凝土，弹性模量为32.5 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3。

(4)钢枕及钢纵梁。钢枕及钢纵梁采用Q345q钢。钢枕上翼缘宽260 mm，高180 mm，上翼缘厚30 mm，腹板厚30 mm；钢纵梁上翼缘及下翼缘宽200 mm，高200 mm，上翼缘厚80 mm，下翼缘厚40 mm，腹板厚30 mm。

3.2 模态分析及共振分析

按照抬枕装置和梁端道床板的实际尺寸，建立了两种抬枕装置有限元分析模型[7]，如图3所示。其中，每块道床板沿线路方向长6 m，该道床板与相邻道床板断开，因为道床与桥梁固结且本文主要分析抬枕装置，同时考虑模型运算能力限制，因此未考虑相邻道床。

a) 2根钢纵梁抬枕装置

b) 3根钢纵梁抬枕装置

3.2.1 模态分析计算结果

模态分析仅考虑轨道结构自重，采用block lanczos法进行计算。其中，第1阶振型表现为钢枕变形较大，第6阶振型表现为钢纵梁变形较大，第7阶振型表现为钢枕及钢纵梁变形均较大，前10阶其他振型表现为钢轨变形。模态分析结果如表1所示。

3.2.2 抬枕装置共振分析

(1) 列车过跨频率对抬枕装置共振的影响。为分析抬枕装置的共振情况，表2列出了列车运行速度速度为40～100 km/h时，列车通过不同轨枕间距的过跨频率。根据行车数据，本线列车通过抬枕装置速度约95 km/h。由上述模态分析结果可知，2根钢纵梁抬枕装置1阶固有频率为81.91 Hz，3根钢纵梁抬枕装置1阶固有频率为107.35 Hz。表2为不同列车速度通过不同轨枕间距的过跨频率。由表2可知，各速度下过跨频率均小于抬枕装置的固有频率，过跨频率激不起抬枕装置共振。

表1 两种抬枕装置模态分析结果表

(2) 列车全长、定距与轴距对抬枕装置共振的影响。为分析车辆结构参数与车速耦合频率对抬枕装置共振的影响，表3列出了机场线B型车固定轴距、车辆定距和车辆长度等参数的车辆结构共振频率。由表3可知，车辆结构参数与车速的耦合频率均小于抬枕装置第1阶固有频率，因此车辆结构参数与车速耦合频率不会激起抬枕装置的共振。

表2 不同列车速度通过不同轨枕间距时的过跨频率

表3 机场线B型车车辆结构的共振频率

3.3 准静力分析

机场线采用B型车,轴重为14 t，列车最高运行速度为100 km/h。对轨道结构施加自重以及当列车速度为100 km/h时1个转向架的准静力荷载。按照文献[8]，动力系数采用1.6，即单个动轮载按112 kN考虑。

3.3.1 抬枕装置位移

钢纵梁扣件刚度分别为35 kN/mm、200 kN/mm、400 kN/mm、600 kN/mm、800 kN/mm、1 000 kN/mm等6种工况下抬枕装置处的钢轨位移、钢枕位移及钢纵梁位移如表4所示。由表4可知：

表4 不同抬枕装置位移结果

(1) 钢纵梁扣件刚度采用35 kN/mm时，抬枕装置处钢轨位移、钢枕位移较其他工况大；钢纵梁扣件刚度采用200 kN/mm时，抬枕装置处钢轨位移、钢枕位移与钢纵梁扣件刚度采用400 kN/mm、600 kN/mm、800 kN/mm、1 000 kN/mm时的数据相近。

(2) 采用3根钢纵梁比采用2根钢纵梁时抬枕装置处钢轨位移可减小约0.4 mm，钢枕位移可减小约0.1 mm，钢纵梁位移可减小约0.06 mm。

(3) 抬枕装置采用2根钢纵梁、钢纵梁扣件刚度采用200 kN/mm时，抬枕装置处钢轨位移为2.464 mm，该值小于3 mm，满足安全性要求。

钢纵梁扣件刚度为200 kN/mm时，抬枕装置变形图如图4所示。

a) 2根钢纵梁抬枕装置

b) 3根钢纵梁抬枕装置

3.3.2 抬枕装置应力计算结果

抬枕装置采用2根钢纵梁、钢纵梁扣件刚度采用200 kN/mm时，梁端第1组扣件处道床的最大等效应力为4.54 MPa，该值远小于C40混凝土抗压强度，钢枕及钢纵梁受力均小于1 MPa;抬枕装置采用3根钢纵梁、钢纵梁扣件刚度采用200 kN/mm时，上述最大等效应力没有出现在抬枕处，而出现在轨道板范围内。转向架动轮载作用点扣件处道床的最大等效应力为3.14 MPa，远小于C40混凝土抗压强度，钢枕及钢纵梁受力均小于1 MPa。