快線城市軌道交通軌道結構參數影響分析

劉大園 姚 力

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

按照車輛軸重及歷史的沿革，城市軌道交通可分為地鐵、輕軌、有軌電車等［1，2］，當前我國正在進行大規模的城市軌道交通建設，城市軌道交通模式和類型也得到了擴展，軌道交通被用于解決城市交通擁堵問題的同時，還被賦予了改善城市發展布局的重要作用，大城市中心與市郊的連接，大城市群之間的交通銜接等，覆蓋范圍的加大引起乘距增大，必然要求速度提高，于是出現了不同于以往的快速軌道交通類型，而且此類軌道交通發展前景廣闊。由于建設速度加快，出現了技術標準覆蓋不全，規范和標準落后于建設的問題，因此對于目前發展的需求，有必要研究快速城市軌道交通相關問題。本文針對120 km/h城軌快線的特點，分析了采用彈性分開式扣件作為鋼軌支撐的整體道床軌道結構相關參數對軌道結構的影響，供相似工程參考。

1 分析模型及參數

1.1 分析模型

隨著線路運行速度的不同，軌道結構的受力會有相應的變化，通過對不同運行速度下的軌道結構受力分析，可以為軌道結構選型奠定理論基礎。目前列車荷載作用下無砟軌道結構受力計算常用的理論和方法有彈性地基上的疊合梁理論、彈性地基上的梁—板理論和彈性地基上的梁—體有限單元計算理論［3，4］。現對城市軌道交通中常采用的軌枕埋入式整體道床結構，采用疊合梁模型理論及有限元方法進行軌道結構分析。采用梁單元模擬鋼軌，彈簧單元模擬扣件，彈性地基梁模擬整體道床結構，分析軌道結構的動力學響應。

1.2 計算參數

根據120 km/h速度城軌快線的特點，計算主要輸入參數如表1所示。

表1 軌道結構分析參數表

2 分析結果及討論

2.1 不同扣件剛度情況下的軌道結構響應情況

保持軌枕間距為0.625 m，列車運行速度為120 km/h，取扣件剛度為20 kN/mm，30 kN/mm，40 kN/mm，50 kN/mm，60 kN/mm，分別計算鋼軌的位移、加速度、道床應力及加速度的響應情況。

圖1給出了扣件剛度為30 kN/mm條件下鋼軌及道床各項動力響應時程曲線。

圖1 扣件剛度為30 kN/mm時動力響應時程曲線

根據仿真分析得到的計算結果，表2給出了不同扣件剛度情況下對應的各項數據列表。圖2給出了鋼軌位移、鋼軌加速度、道床應力、道床加速度隨扣件剛度的變化規律曲線。

圖2 軌道結構動力響應隨扣件剛度變化規律

表2 不同扣件剛度對應的軌道結構數據表

通過對上述曲線圖及數據表進行比較，可見扣件的彈性對于減緩軌下的軌枕及道床基礎具有明顯的作用。

由上述圖表知，隨著扣件剛度的降低，鋼軌加速度及道床加速度均呈減小的趨勢，但是鋼軌的位移則隨著扣件剛度的減小而增大，可見降低扣件的剛度對減小軌下基礎的振動及降低輪軌間的相互作用力等都是十分有利的;但是，扣件剛度的降低會促使鋼軌動位移的增大，而鋼軌位移如果增大過多，會影響軌道結構的幾何尺寸，導致軌道部件壽命縮短，使鋼軌產生剝磨，影響行車安全。可見，扣件剛度的降低對軌道結構、軌下基礎及減振降噪有利，但扣件的剛度不能無限制的減小。根據上述的分析，可以確定扣件剛度的合理取值范圍為30 kN/mm～40 kN/mm。

2.2 不同速度情況下軌道結構響應情況

根據前述分析，取扣件剛度為40 kN/mm、軌枕間距為0.625 m時，對不同運行速度情況，分析了軌道結構的動力響應情況。表3給出了對應120 km/h，100 km/h，80 km/h運行速度情況下的鋼軌及道床響應情況，圖3給出了軌道結構響應隨速度的變化規律曲線。

表3 不同速度情況下軌道結構響應數據表

圖3 軌道結構動力響應隨速度變化規律

其中，鋼軌動彎應力由計算截面的鋼軌彎矩經下式求得［5］:

其中，σd1，σd2分別為軌底最外纖維拉應力和軌頭最外纖維壓應力，MPa;W1，W2分別為鋼軌底部和頭部的截面系數，因鋼軌類型及垂直磨耗而異，取鋼軌垂直磨耗為6 mm時對應的值，即W1=375 000mm3，W2=291 000mm3;f為橫向水平力系數，根據線路曲線半徑實際情況確定，取f=1.75。

由上述分析可知，其他參數保持不變，隨著列車運行速度的提高，鋼軌的豎向位移、鋼軌的動彎應力及道床應力皆增大。時速120 km/h時，鋼軌最大豎向位移1.21 mm，滿足軌道動態平順度的要求;道床應力較小，鋼軌動彎應力最大值為160 MPa。

2.3 不同扣件間距情況下的軌道結構受力情況

保持扣件剛度為40 kN/mm，最高運行速度為120 km/h，取軌枕間距為 0.695 m，0.65 m，0.625 m，0.595 m(分別對應軌枕數為1 440對/km，1 540對/km，1 600對/km，1 680對/km)，分別計算受力斷面鋼軌的位移、鋼軌應力及道床應力的響應情況，如表4所示，其變化規律如圖4所示。

表4 不同扣件間距對應的軌道結構分析數據表

圖4 軌道結構動力響應隨扣件變化規律

由上面的計算結果可知，隨著軌枕間距的增大，鋼軌最大豎向位移也增大，以間距0.595 m為基準，當枕間距增大到0.695 m時，鋼軌豎向位移增大了11%;鋼軌應力亦隨著枕間距的增大而增大，但增加量有限;道床應力隨著枕間距的變化較小。在不同的軌枕間距情況下，各項指標均未超出規范規定要求，因此，扣件間距如何配置應主要依據無縫線路設計要求確定。

3 結語

1)對于城軌快線軌枕埋入式整體道床軌道結構，扣件為最主要的彈性提供者，隨著扣件剛度的增大，鋼軌最大動力加速度、道床最大應力、道床最大加速度隨之增大，鋼軌的最大動位移隨之減小。

2)扣件剛度的減小對減緩軌道結構各部件的振動及降低輪軌間的相互作用力非常有利，但扣件剛度不能無限度減小，針對120 km/h城軌快線的特點，扣件剛度取30 kN/mm～40 kN/mm比較合適。

3)不同速度情況下，鋼軌位移、應力及軌下基礎的應力及位移均隨著速度的增大而增大。

4)鋼軌位移、應力及軌下基礎的應力及位移均隨著扣件間距的增大而增大，但增大的幅度較小。軌道結構扣件間距如何配置應主要依據無縫線路設計要求確定。

［1］ 孫 章，何宗華，徐金祥.城市軌道交通概論［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［2］ 沈景炎.城市軌道交通多種制式的特征與評價大綱(續)［J］.城市軌道交通研究，2003(6):7.

［3］ 沈東升.無砟軌道設計理論及方法綜述［J］.鐵道建筑，2008(2):16-17.

［4］ 趙坪銳，章元愛，劉學毅，等.無砟軌道彈性地基梁板模型［J］.中國鐵道科學，2009(5):20-21.

［5］ 李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學出版社，2005.