青岛～平度轨道交通工程扣件设计方案研究

王羽杰 谢 龙 董 波

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266000)

1 概述

随着我国城镇化进程的逐步加快，市域铁路和市域快速轨道交通工程日渐增多。北京、成都、青岛、温州等城市已开工建设数条之多，部分线路已载客运营。为满足市域铁路和市域快速轨道交通大运量、高速度的运行要求，需研究设计一种稳定性更好的扣件结构，以保证列车安全、快速、平稳运行。

市域铁路和市域快速轨道交通设计速度介于传统地铁和城际铁路(高速铁路)之间，地铁扣件对市域铁路和快轨交通没有适用性，城际和高速铁路扣件安全富余量又太大，容易造成浪费。北京新机场线快轨交通、温州S1线、成都地铁18号线等采用的扣件类型均不相同。

适用于市域铁路和快轨交通工程的扣件，应该是在城际铁路和高速铁路成熟扣件的先进技术基础之上，结合市域铁路和快轨交通工程的实际特点来开展设计，已达到结构安全、价格适中的使用效果。

2 工程概况

青岛～平度轨道交通工程呈南北走向，线路南起胶州市胶州北站，北至国铁平度北站，并预留向北延伸条件。线路全长58.55 km，其中地下段13.23 km，高架段44.52 km，过渡段0.8 km。全线共设置车站10座，其中4座地下站、6座高架站，设车辆段和停车场各1座。

主要技术标准：正线数目：双线;设计速度：高架160 km/h，地下120 km/h;车辆：B型(新型)，6辆编组;供电：DC1 500 V，高架接触网，地下接触轨;最小曲线半径：1 400 m(160 km/h)，800 m(120 km/h);最大纵坡：35‰。

本工程执行的主要规范有T/CRS C0101—2016市域铁路设计规范，T/CCES 2—2017市域快速轨道交通设计规范及TB 10623—2014城际铁路设计规范等。

3 比选方案介绍

北京新机场线轨道交通工程设计最高速度160 km/h，采用CRH6动车组车辆。轨道设计为双块式混凝土枕整体道床，配套采用WJ-8B型扣件。

WJ-8B型扣件为弹性不分开式、有挡肩扣件。由螺旋道钉、平垫圈、弹条、绝缘块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板、板下弹性垫板和预埋套管组成。该扣件轨枕设置挡肩，降低了横向荷载的作用位置，使扣件更加稳固。轨距挡板设置在铁垫板和挡肩之间，保持和调整轨距的同时起绝缘作用。该扣件最初在郑西高铁采用，后推广在京石、沪杭、大西等多条高铁和城际铁路上应用。

温州市域铁路S1线为东西走向的都市快线，已于2019年1月通车运营。采用城际CRH6动车组，设计最高速度140 km/h。轨道采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，跨区间无缝线路，扣件设计采用WJ-7B型扣件。

WJ-7B型扣件为弹性分开式、无挡肩扣件。由弹条、T型螺栓、螺母、平垫圈、轨距块、铁垫板、缓冲垫板、轨下垫板、锚固螺栓、重型弹簧垫圈、平垫块和预埋套管组成。铁垫板上设置1∶40轨底坡，可通过更换不同刚度的轨下垫板，来分别适应350 km/h高速铁路和250 km/h客运专线(兼顾货运)的运行需求。

成都地铁18号线为成都天府新机场的快速轨道交通线路，设计最高速度140 km/h。车辆采用A型车8辆编组，供电采用交流25 kV接触网。轨道设计为双块式混凝土枕整体道床，配套扣件为DZⅢ-3型扣件。

DZⅢ-3型扣件为弹性分开式、无螺栓扣件，是在成都地铁通用图DZⅢ扣件基础上优化设计而来。扣压件采用国铁C4弹条，直径较通用图DZⅢ扣件e型弹条增加了2 mm，单个弹条扣压力为11 kN。

上述3种扣件为国内市域铁路和快轨交通常用扣件。综上可见，市域铁路扣件结构型式复杂多样，没有形成统一标准化设计。其中WJ-7B和WJ-8B扣件为高铁成熟扣件，DZⅢ-3型扣件为设计单位自主研发新型扣件。

4.1 推荐方案

扣件结构应力求简单，并应具有足够的强度和扣压力、适量的弹性和调整量，并应满足绝缘和防锈防腐要求[1]。市域铁路和快轨交通线路运行速度较高，维修天窗时间较短。结合青岛～平度轨道交通工程实际情况，本工程扣件设计应充分考虑到行车安全平稳、运营期少维修等特点，设计方案应遵循以下主要设计原则：

1)适当的扣压力和纵向阻力，足够的抗横向力。

2)一定量弹性，合理的动静刚度。

3)足够的调整能力。

4)良好的绝缘性能。

5)较少的养护维修工作量。

有挡肩扣件直接将横向力传递至挡肩上，锚固螺栓不再承受横向力，可提高扣件寿命，对小半径曲线和高速行车适应性较好。有螺栓扣件可以较好地达到设计扣压力值。高铁扣件大多也都采用有挡肩、有螺栓扣件。本工程设计最高速度160 km/h，小半径曲线较多，推荐采用有挡肩、有螺栓型式扣件，采用ZX-2Y型扣件(见图1)。

4.2 扣件理论计算

理论计算主要包括ZX-2Y型扣件的组装静刚度及各部件的受力状态分析。

4.2.1 组装静刚度

无砟轨道扣件弹性垫层静刚度宜为20 kN/mm～30 kN/mm[2]。对钢轨分别施加5 kN和55 kN的垂向作用力，计算出两种荷载作用下的钢轨位移分别为1.721 mm和0.157 mm。通过计算得扣件组装静刚度为：

4.2.2 各部件受力分析

轴重荷载按14.5 t计，根据《城际铁路设计规范》设计速度不大于160 km/h时动载系数取2.0。对ZX-2Y型扣件螺栓的预紧方式进行简化处理，建立有限元模型，对钢轨和轨距挡板进行约束，在螺栓上施加预紧力，通过调整预紧力大小来计算弹条扣压力，通过计算得出当预紧力为12.5 kN时弹条的扣压力为6 kN。

在分析过程中，为钢轨施加垂向85 kN，横向51 kN的静荷载，并对两螺栓分别施加12.5 kN的预紧力，计算扣件各部件的受力情况，分析各部件的受力状态。

1)轨下垫板。轨下垫板垂向应力云图如图2所示，最大压应力出现在钢轨外侧对应的轨下垫板的位置，最大压应力为89.1 MPa，轨下垫板受力满足要求。

2)铁垫板。铁垫板整体呈向上弯曲的趋势(见图3)，受力状态为上表面受压下表面受拉，最大垂向压应力为116 MPa，最大垂向拉应力为138 MPa，QT450-10抗拉强度为450 MPa，受力情况满足要求。

3)板下弹性垫板。铁垫板下弹性垫板整体呈受压状态(见图4)，钢轨正下方受压力最大，压应力由中间向两侧递减，最大压应力为97.5 MPa,板下弹性垫板受力满足要求。

4)螺栓。螺栓应力云图如图5所示，螺栓的最大压应力和最大拉应力出现在螺栓杆受下部结构剪切的位置，最大压应力为10.7 MPa，最大拉应力为12.5 MPa。螺栓的受力满足要求。

通过以上计算，ZX-2Y扣件的组装静刚度为31.96 kN/mm，在列车静载作用下，各部件的受力特性满足要求。

4.3 扣件经济性分析

对ZX-2Y型扣件(按常阻力计)、WJ-2A型扣件及WJ-8型扣件进行了价格比较和分析，详见表1。

从表1可知，ZX-2Y型扣件每套价格比城轨用WJ-2A型扣件及高铁用WJ-8型扣件均有所降低，降低比例约为12%，可见其经济性较好。

综上所述，ZX-2Y型扣件扣压力、刚度、调整量等技术指标及各部件受力状态均可以满足本工程时速160 km的运行需求，且地下线与高架线扣件各部件可通用，经济性也较好，是性价比较优的一种扣件结构。

5 结语

国内市域铁路和市域快轨交通线路采用的扣件基本上分为两种类型，一种是直接采用高铁或城际铁路成熟扣件，例如北京新机场线和温州S1线；另一种是在国铁扣件基础上进行优化设计，例如成都地铁18号线和青～平轨道交通工程。直接采用高铁成熟扣件，安全可靠，但扣件结构尺寸较大、安全余量大，性价比不高。通过优化扣件局部尺寸设计，保证扣件结构安全稳定的同时，降低了生产制造成本，是较好的设计方案。