城市軌道交通高架橋防脫護軌設計研究

冉 蕾，馮 健，李俊璽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京 100055)

軌道交通脫軌情況有很多種原因：有軌道交通系統設備內在的原因,如線路、軌道、車輛、橋梁等專業的設計參數合理匹配問題；有風、地震等天災原因,也有無法測定的因素。針對城市軌道交通,應有一個安全合理的防范措施,設置防脫護軌是有效的防范措施之一。

1 國內概況

我國國家鐵路設置護輪軌的位置一般是在有砟橋面和明橋面,結構形式如圖1所示。其作用為當列車在橋頭、橋上有護軌地段脫線時,可將列車限制于護軌與基本軌之間,以防列車翻落橋下。護軌采用普通鋼軌制作,為方便軌道養護維修,利于機械作業,有砟橋面基本軌與護軌凈距采用500 mm。

圖1 國鐵有砟橋上護軌

在國鐵碎石道床線路,道砟穩固性能較差,小半徑曲線的緩和曲線,容易減載發生脫軌事故,在曲線內股設置防脫護軌。護軌的作用主要防止列車車輪因懸浮(或減載)發生的脫軌事故,輪緣槽寬度也為60～85 mm。

我國城市軌道交通線路防脫護軌首先在上海明珠線高架橋設置,將國鐵碎石道床線路護軌結構移植到軌道交通整體道床上,城市軌道用的防脫護軌輪緣槽一般為60～85 mm,當一側車輪輪緣將要爬上軌頂面時,同一輪對的另一側車輪的輪背與護軌接觸,促使要爬軌的車輪恢復到正常位置,防止列車脫軌。

近年來各地地鐵都對護軌的設置進行了研究,目前城市軌道的防脫護軌主要采用2種不同的結構形式。

北京地鐵和上海地鐵采用DPⅡ-60型防脫護軌,護軌采用15 kg/m輕軌,在2個扣件節點之間,用專用的支架將護軌固定到鋼軌上。見圖2。

圖2 上海地鐵DPⅡ-60型防脫護軌

這種護軌優點是支架與軌枕不發生緊固關系,可適用于任何軌枕,支架拆裝方便,但由于護軌支架下部高度較高,不適用于梯形軌枕等鋼軌與道床之間空間小的地方,同時由于護軌型號較多,不利于施工和養護維修。

廣州地鐵是在鋪設防脫護軌地段采用特殊的扣件系統,在扣件鐵墊板上增加護軌支架,將護軌固定在支架上,護軌采用UIC33槽型護軌,見圖3。

圖3 廣州地鐵用防脫護軌

這種形式的護軌優點是施工方便,支架直接安裝在軌枕上,整體強度較大,護軌抗橫向力大,缺點是此處扣件與別處不同,運營后如要增設護軌,則需拆裝鋼軌扣件,工作量較大。

地鐵新線建設規模的空前加大,高架線路的比例也不斷增加,因此需要設計一種安全可靠、結構簡單、通用性好的防脫護軌裝置。

2 防脫護軌結構設計

2.1 主要設計特點

無砟軌道的軌下空間較小,新型護軌的支架底部到鋼軌軌底的高度為30mm,安裝距離可以滿足所有軌道結構通用的要求。

護軌采用UIC33槽型鋼軌加工制造,強度大,安全系數高,耐磨損,使用壽命長。

扣板與支架采用斜面壓緊的方式,使扣板與鋼軌密貼,消除了鋼軌及各零部件制造公差而產生的縫隙。

在發生脫軌危險時,輪背與護軌會發生激烈的碰撞,此時產生很大的橫向力,超出護軌支架能承受的最大值,護軌自身的抗橫向力已不能滿足要求。為此,在支架底部粘貼一塊橡膠墊層,支架產生過大的變形時,墊層與道床接觸,可共同抵抗橫向荷載。

主要結構見圖4。

圖4 新型護軌組裝

2.2 橫向荷載計算

扣板與鐵墊板作為一體計算,P為脫軌時撞擊護軌的橫向力,N1為扣板扣壓鋼軌處反力。支架受力圖示見圖5,有限元分析圖示見圖6。計算結果見表1。

圖5 墊板及扣板受力圖示

圖6 橫向力為62 kN時應力分布

表1 不同橫向力下的支架應力和扣板反力

3 護軌試制試驗

在廠內進行橫向力頂推試驗,用截面積為40 mm×30 mm的頂桿作用于支架上。在各種荷載作用下,測量支架的變形和損壞情況。橫向力頂推試驗設備如圖7所示。

圖7 橫向力頂推試驗設備

試驗分為3組,試驗結果見表2。

表2 橫向力頂推試驗結果

試驗中支架采用QT450-10,根據試驗結果,對支架進行優化設計,如增加圓弧型肋,并將其材質改為ZG55,修改后的支架經橫推試驗,位移減小約2 mm,抗橫向力能力大大增強。

4 現場使用情況

本防脫護軌在房山線高架橋上進行了鋪設使用,長度9.208 km,本線2010年9月開始試運行,到目前使用狀況良好。

5 結語

新型防脫護軌結構可靠,通用性好,零部件少,養護維修工作量少,運營成本低。采用UIC33槽型鋼軌方案雖建設費用稍高,但其強度大,材質較硬,不易磨損,使用壽命長,綜合造價合理,適用于城市軌道交通高架橋上使用。

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