現代有軌電車軌道結構關鍵參數研究

胥燕軍，林紅松，王 健，王 平

(1．西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;2．中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

當前，現代有軌電車已經發展成為一種新型公共交通方式，國內又興起一波建設現代有軌電車的高潮。現代有軌電車的軌道結構類型主要有兩種，一種是單層板結構，即道床板直接鋪設于下部基礎之上;另一種是雙層板結構，即在道床板下設有底座或者支承層［1］。本文主要分析了現代有軌電車雙層板結構在列車荷載作用下軌道結構各參數的影響。

1 雙層板式現代有軌電車軌道結構

雙層板式現代有軌電車軌道結構類似于高速鐵路雙塊式無砟軌道，主要由槽形鋼軌、軌底底墊、填充材料、道床板、支承層等部件組成。與雙塊式無砟軌道最大的區別是在兩根鋼軌之間的區域澆筑了混凝土并且將整個軌道結構埋入道路的鋪面之下，軌頂與路面平齊，可以滿足路面交通共享路權的需求。由于這種軌道結構對于道路形態和城市景觀的破壞程度最低，在半封閉路權上盡管無其他車輛行駛，許多城市還是將這種埋入式軌道作為現代有軌電車線路在市區內的主要軌道形式。

雙層板式現代有軌電車軌道如圖1所示。

圖1 雙層板式現代有軌電車軌道

2 計算模型和參數

2.1 計算模型

由于雙層板式現代有軌電車軌道結構各承載層在厚度方向的尺寸遠小于在長度和寬度上的尺寸，且在荷載作用下的撓度遠小于其厚度，符合彈性薄板的結構特點，適合于采用板殼理論模型，因此本文采用彈性地基梁—板理論對雙層板式現代有軌電車軌道結構在列車荷載作用下的受力進行計算分析。采用Ansys有限元軟件建立的梁板有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

在該模型中，為消除邊界效應，模型選取三塊單元道床板或相當的長度進行計算，以中間單元板作為研究對象，鋼軌、扣件、道床板、支承層、路基，分別采用以下單元形式模擬:①鋼軌采用彈性點支承梁單元，模型中采用Beam188單元模擬;②扣件考慮為線性彈簧，模型中采用Combin14彈簧單元模擬;③道床板和支承層考慮為板單元，模型中采用Shell 63單元模擬;④路基采用線性彈簧單元，模型中采用Combin14彈簧單元模擬。

參照我國的高速鐵路設計相關規范以及美國的輕軌設計規范［2-3］，轉向架固定軸距 1 850 mm，軸重125 kN，動力系數2.5，集中力作用點對稱布置于中間單元板中部扣件處。

2.2 計算參數

參照雙塊式無砟軌道，各參數具體取值如下:

1)鋼軌采用59R2槽形軌，質量取58.14 kg/m，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3，沿截面橫軸慣性矩3 210.6×10－8m4，截面積 74.07 × 10－4m2，截面高0.18 m，密度7 850 kg/m3。

2)扣件間距0.65 m，垂向剛度500 kN/mm。

3)道床板與底座板之間的彈性層厚度0.02 m，彈性模量300 MPa。

4)道床板厚度 0.3 m，寬度2.8 m，彈性模量34 GPa，泊松比 0.2。

5)基礎支承面剛度75 MPa/m。

3 軌道結構參數影響規律

3.1 道床板長度

保持模型的其他參數不變，道床板長度分別取5.20，5.85，6.50，7.15，7.80，8.45，9.10，9.75，10.40，13.00，15.20，18.60，20.80 m，分析道床板長度對整個軌道結構受力的影響。主要計算結果如圖3所示。

通過對不同道床板長度時的道床板、支承層縱橫向彎矩以及鋼軌位移和彎矩進行比較分析，可以看出:

1)道床板長度的變化對鋼軌位移影響很小，幾乎可以忽略。

2)當道床板長度＜10 m時，隨著道床板長度的增加，道床板和支承層的縱向彎矩均有小幅增大，而鋼軌、道床板和支承層的橫向彎矩幾乎沒有變化，可以認為道床板長度的變化對于鋼軌位移以及鋼軌、道床板、支承層的彎矩而言并不是敏感參數。

3)采用單元式道床板時，考慮到由于在同等條件下，單元道床板越長，板中裂縫寬度越大，滿足裂縫寬度的配筋率越大，軌道工程的建設成本越高［4-6］。從限制裂縫寬度、降低工程建設成本的角度來看，建議單元道床板的長度＜8 m。

圖3 不同道床板長度時的計算結果

3.2 道床板厚度

其他參數保持不變，道床板厚度分別取0.2，0.3，0.4 m，分析列車豎向荷載作用下軌道結構各部件位移、彎矩的變化。主要計算結果如圖4所示。

圖4 不同道床板厚度時計算結果

通過對不同道床板厚度時道床板、支承層縱橫向彎矩以及鋼軌的位移和彎矩分別進行分析比較，可以看出:

1)隨著道床板厚度的增大，鋼軌位移不斷減小，但總體變化幅度不大，且在荷載作用下鋼軌位移始終＜2.0 mm。

2)隨著道床板厚度的增大，道床板縱橫向彎矩均不斷增大，且增長幅度較大，基本呈1.5～2.0倍增長，當道床板厚度約為0.23 m時道床板縱橫向彎矩值相等;而支承層縱橫向彎矩均不斷減小，減小幅度隨著道床板厚度的增大而減小，因此對于道床板和支承層縱橫向彎矩而言，道床板厚度的變化是一個敏感參數。

3)從結構受力與變形以及配筋等考慮，道床板厚度不宜超過0.3 m。

3.3 扣件剛度

保持模型的其他參數不變，改變扣件剛度，計算在列車豎向荷載作用下軌道結構各部分的位移、彎矩等，分析道床板長度對整個軌道結構受力的影響，主要計算結果如圖5所示。

圖5 不同扣件剛度時計算結果

通過對不同扣件剛度時道床板、支承層縱橫向彎矩、鋼軌的位移和彎矩分別進行分析比較，可以看出:

1)隨著扣件剛度的增大，鋼軌位移不斷減小，且變化幅度不斷減小，當扣件剛度＜50 kN/mm時，扣件剛度變化對鋼軌位移影響比較大，當扣件剛度為20 kN/mm時鋼軌位移接近3.5 mm，而當扣件剛度為50 kN/mm時，鋼軌位移已經＜2 mm，因此，扣件剛度變化對于鋼軌位移而言比較敏感。

2)隨著扣件剛度的增大，鋼軌彎矩不斷減小，而道床板和支承層的縱橫向彎矩均不斷增大，道床板縱橫向彎矩的增長幅度較支承層大，支承層縱橫向彎矩總體變化幅度較小。

3)為保證鋼軌不出現較大的豎向位移，扣件剛度不宜太小;為控制道床板的彎矩，扣件剛度不宜太大，因此綜合考慮扣件剛度宜取50～100 kN/mm。

3.4 基礎面剛度

改變基礎面剛度，分別取 50，60，76，100，130，150 MPa/m，計算在列車豎向荷載作用下軌道結構各部分的位移、彎矩等，分析道床板長度對整個軌道結構的影響，主要計算結果如圖6所示。

圖6 不同基礎面剛度時計算結果

通過對不同基礎面剛度時道床板、支承層縱橫向彎矩以及鋼軌的位移和彎矩分別進行分析比較，可以看出:

1)隨著基礎面剛度的增大，鋼軌位移不斷減小，且變化幅度逐漸減小，當基礎面剛度＞50 MPa/m時，鋼軌位移已經＜2.0 mm。

2)隨著基礎面剛度的不斷增大，道床板、支承層縱向彎矩均不斷減小，其減小幅度逐漸減小，而鋼軌、道床板和支承層橫向彎矩基本不受基礎面剛度變化的影響，當基礎面剛度為110 MPa/m時，道床板縱橫向彎矩值相等。

3)為保證鋼軌不出現較大的豎向位移，基礎面剛度不宜太小;而基礎面剛度越大，對基礎的要求越高，基礎處理成本越高。因此綜合考慮基礎面剛度值宜取60～130 MPa/m。

4 結論

1)道床板長度的變化對鋼軌位移、彎矩以及道床板、支承層縱橫向彎矩幾乎沒有影響。從限制裂縫寬度、降低工程建設成本的角度來看，建議單元道床板的長度＜8 m。

2)隨著道床板厚度的增大，道床板縱橫向彎矩均不斷增大，而支承層縱橫向彎矩均不斷減小，但對道床板縱橫向彎矩的影響更加顯著，當道床厚度≤0.3 m時道床板、支承層縱橫向彎矩差值較小，從結構受力與變形以及配筋等考慮，道床板厚度宜≤0.3 m。

3)隨著扣件剛度增加，道床板、支承層縱、橫向彎矩均隨之增大。為控制道床板的彎矩，并兼顧鋼軌的豎向位移，扣件剛度宜取50～100 kN/mm。

4)隨著基礎面剛度的增大，道床板、支承層縱橫向彎矩均不斷減小，而縱向彎矩的變化幅度較橫向大。綜合考慮道床板彎矩與建設成本因素，基礎面剛度值宜取60～130 MPa/m。

［1］劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等．客運專線無砟軌道設計理論與方法［M］．成都:西南交通大學出版社，2010．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［3］DOUGLAS B Q．Track Design Handbook for Light Rail Transit［S］．Washington，D．C:National Academy Press，2000．

［4］欒永平．現澆雙塊式無砟軌道板裂縫控制機理和預防措施［J］．鐵道建筑，2010(1):21-22．

［5］韋有信，秦超紅，李成輝，等．單元雙塊式無砟軌道道床板長度的確定［J］．西南交通大學學報，2013(2):297-302．

［6］趙國堂．高速鐵路無砟軌道技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．