跨座式單軌交通關節可撓型道岔荷載試驗研究

郭 凡，楊永清，劉國軍，楊光哲

(西南交通大學，成都 610031)

跨座式單軌交通具有噪聲低、乘坐舒適、爬坡能力強、車輛可通過較小曲線半徑等特點，特別適用于地形復雜、地面起伏較大的山區城市［1］。與常規軌道交通系統相比，跨座式單軌交通系統的結構及受力傳力方式有明顯的特點，主要反映在車輛轉向架、軌道梁和道岔等三方面，是該交通系統三大關鍵技術［2］。根據結構形式不同，單軌道岔可分為關節型和關節可撓型兩種，其中關節可撓型道岔的導向面、穩定面與箱梁之間為可動連接，道岔移動時，導向面及穩定面彎曲成連續曲線線形，列車通過道岔時的平順性較好，限速高于關節型道岔，通常用于正線線路［3］。由于單軌道岔要承受扭曲、沖擊等車輛運行荷載的反復作用，道岔體系必須具有足夠的剛度、強度與穩定性。為檢驗在直線狀態及轉轍之后曲線狀態的道岔梁位移和應力、導向面與穩定面鋼板、T形軸等構件的強度及可靠性和結構整體抗傾覆性能，并為道岔系統設計理論與制造工藝的發展提供基礎數據，對某道岔系統進行了理論分析和試驗研究。

1 試驗概況

某關節可撓型道岔工程樣機由4節鋼制梁連接，并由臺車及軌道、T形軸、傳動裝置等組成。道岔梁長度4×5.5 m，為全鋼結構，截面高1 420 mm(支點處高1 426 mm)，寬 850 mm。

1.1 測試內容

道岔試驗梁分為1#～4#梁段。試驗主要是對2#、3#梁段進行橫向和豎向加載，測試試驗荷載下加載梁段導向板和穩定板的應力，加載梁段主要截面的應力及跨中撓度，道岔梁由直線狀態到曲線狀態可撓系統的應力變化，2#梁段與3#梁段之間的相對位移。并觀察導向板、穩定板、加載點梁體及可撓系統的變形、可撓系統(凸輪機構)的工作性能和臺車的穩定性。

1.2 荷載工況及試驗方法

試驗荷載采用4點加載模擬實際車輛軸位荷載，由最大設計彎矩并計入沖擊、橫向搖擺力作用等因素得到豎向和橫向試驗荷載值。關節可撓型道岔梁在運營中，列車橫向力直接作用于導向板、穩定板，再通過凸輪機構傳給梁體，所以試驗時采用高100 mm、長150 mm的鋼板施加橫向荷載模擬輪壓力。根據GB50458—2008第8.2.9條［4］，列車橫向搖擺力應按列車設計荷載單軸重的25%計算，一列車以一個水平集中力取最不利位置(2#、3#梁段跨中)垂直梁軸線方向，由曲線內側向曲線外側加載，加載布置見圖1。

單開關節可撓型道岔梁凸輪機構的作用，都反映在導向面板和穩定面板上。道岔梁由直線狀態擺動到曲線狀態時，導向面板和穩定面板在凸輪機構的作用下，產生彈性變形，從而使4組道岔梁形成平滑曲線。此時，梁端5#支點處橫向最大擺動距離為2.4 m，導向面板和穩定面板將產生較大的應力。為測試該應力，擺動道岔梁，使5#支點處產生最大的橫向位移2.4 m(見圖2)。

1.3 測點布置

在2#、3#梁共布置32個應變花、8個應變單片、8個位移測點，導向板、穩定板上設144個應變測點，以測試梁體受力及變形;在2#、3#、4#支點處布置6個位移測點，測試試驗荷載下的支座下沉，在2#、3#梁體相接處布置4個橫向、豎向位移測點，測試2#、3#梁段間相對位移，測點如圖3所示。

圖1 加載布置(單位:mm)

圖2 道岔梁擺動變形圖(單位:mm)

2 有限元模型分析

道岔系統各構件受力復雜，為模擬道岔實際的工作狀態和受力工況，建立ANSYS有限元模型做仿真分析，單元劃分兼顧計算精度和計算效率。道岔梁是系統的主體，也是分析重點，該道岔梁由Q235鋼板焊接而成，采用板梁式單元SHELL63進行模型網格劃分;T型軸是實體鑄造件，導向面板和穩定面板是由 Q345鋼制成，均采用SOLID45單元進行建模。有限元模型如圖4所示。

3 試驗結果與分析

試驗過程中加到最大荷載又卸載后道岔梁、導向板和穩定板的應變、位移回零，說明道岔梁沒有殘余變形，道岔梁處于彈性工作狀態中。根據道岔梁及導向板、穩定板的實測應力數據，上述工況下各測點應力—荷載關系基本呈線性關系。橫向加載時，凸輪軸附近梁體曲線外側受力大于曲線內側受力，最大主拉應力、最大主壓應力和最大剪應力，均出現在外側部位，而導向板和穩定板的最大應力，出現在跨中部位。道岔梁與導向板、穩定板實測應力最大值和跨中截面實測應力與計算應力比較，如表1、表2所列(本文中，壓應力為負，拉應力為正)。

圖3 應變與位移測點布置

圖4 有限元模型

表1 道岔梁與導向板、穩定板實測應力最大值 MPa

表2 道岔梁跨中截面實測應力與計算應力均值比較 MPa

由表2可見，橫向加載時結構的應力校驗系數為0.57～1.05，豎向加載時結構的應力校驗系數為0.91～0.96;在空載時轉動道岔梁，其產生應力的應力校驗系數為0.87～0.96，均在合理的范圍之內，表明道岔梁體系滿足設計要求。

考慮最不利情況，將以上三種工況對應的最大應力相加可得最不利組合下的道岔梁受力。實際上，梁體有自重作用，但以上每種工況下最大應力的位置不一定相同，且梁體自身應力水平較小，如此疊加還會增大對應位置的應力。此時導向板、穩定板最大應力為82.01 MPa，小于 Q345鋼材的允許應力［σw］=194 MPa;凸輪軸附近梁體最大主拉應力為53.77 MPa，最大主壓應力48.46 MPa，小于 Q235鋼材的允許應力［σ］=135 MPa，最大剪應力 42.22 MPa，小于抗剪允許應力［τ］=80 MPa。此種情況安全系數為 1.89(1.2P2+1.5N0，其中，P2、N0分別為計入沖擊系數的運營期間單軸豎向荷載和橫向荷載)，所以實際情況的安全系數應＞1.89，滿足抗彎承載力要求。

直線狀態時豎向加載，2#、3#梁跨中平均撓度為1.53 mm 和 2.03 mm;2#、3#、4#支點最大位移分別為向下 0.16 mm、向下 0.22 mm、向下 0.06 mm;2#、3#梁段之間的相對位移為:豎向3#梁端相對2#梁端上升0.01 mm，縱向2#、3#梁分離0.06 mm。梁體最大位移為2.03 mm＜5 500/900=6.11 mm，道岔梁具有足夠的剛度。

在前次對跨座式關節型道岔梁的試驗中［5］，跨座式關節型道岔梁在豎向荷載作用下(單點豎向最大力184.48 kN，四點加載)，2#梁段跨中最大撓度為2.95 mm，3#梁段跨中最大撓度為2.23 mm。本次試驗的跨座式關節可撓型道岔梁梁體在豎向加載(單點豎向最大力179.73 kN，四點加載)2#梁段跨中平均撓度為1.53 mm，3#梁段跨中平均撓度為2.03 mm。從整體來說，跨座式關節可撓型道岔梁的剛度要大于跨座式關節型道岔梁的剛度。

4 結論

通過以上分析可知，道岔系統結構行為接近有限元仿真模擬，道岔梁體、導向面與穩定面鋼板、T形軸等構件具有足夠的強度、剛度和穩定性，道岔系統能夠承受實際運行中扭曲、沖擊等車輛運行荷載的反復作用，滿足設計要求。試驗結果也表明，與跨座式關節型道岔梁相比，關節可撓型道岔梁的整體剛度更大，具有更好的行車平順性。由于跨坐式單軌交通在國內剛剛起步，其相關設計、制造技術及試驗評定尚缺乏非常成熟的規范、標準。因此，試驗和理論分析結果也為道岔設計理論與制造工藝的發展提供了翔實參考數據。

［1］馬繼兵.跨座式單軌交通系統結構靜動力行為研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［2］雷慧鋒，劉永鋒.跨座式軌道交通建設中的關鍵技術［J］.鐵道標準設計，2001，21(1):1-4.

［3］王省茜.跨座式單軌鐵路的特點及其應用前景［J］.中國鐵道科學，2004，25(1):131-135.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50458—2008跨座式單軌交通設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.跨座式單軌交通 PC軌道梁靜載及疲勞試驗研究［J］.鐵道建筑，2008(5):3-6.