地鐵用嵌入式軌道調(diào)軌組件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王 強(qiáng),肖杰靈,劉占峰,楊 剛,王 平

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司,成都 611400)

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵作為核心的公共交通設(shè)施正在我國(guó)諸多城市快速興建。地鐵列車(chē)運(yùn)量大、軸重大、作用頻次較多、起(制)動(dòng)頻繁，對(duì)線路的平順性、穩(wěn)定性和可靠性有較高的要求。而傳統(tǒng)的扣件離散點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)存在周期性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易引起諸如Pin-pin峰等共振行為，對(duì)減振降噪和控制鋼軌波形磨耗十分不利。作為新型軌道結(jié)構(gòu)形式，嵌入式軌道能提供連續(xù)的鋼軌支承和約束，結(jié)構(gòu)不再具有明顯的周期性約束，改善了鋼軌的受力行為，有良好的抑振降噪和控制波磨生成及發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于有軌電車(chē)軌道系統(tǒng)中[1-9]。

結(jié)合地鐵列車(chē)的運(yùn)營(yíng)環(huán)境開(kāi)發(fā)地鐵用嵌入式軌道系統(tǒng)，能將地鐵對(duì)環(huán)境、維護(hù)的客觀需求與該型軌道結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高平順性、高穩(wěn)定性和環(huán)境友好型的一類(lèi)新型地鐵用軌道形式。該系統(tǒng)主要由普通鋼軌、調(diào)軌組件、降噪塊、高分子填筑料、單元軌道板、BZM砂漿、土工布和底座板等組成，如圖1、圖2所示。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)取消了扣件系統(tǒng)，鋼軌的支承和約束由承軌槽內(nèi)部的調(diào)軌組件、降噪塊、高分子填充材料、軌下墊板等部件提供，其中調(diào)軌組件起支撐骨架作用。槽內(nèi)結(jié)構(gòu)的細(xì)部詳圖及橫截面如圖3、圖4所示。承軌槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)從上往下依次是60 kg/m軌、高分子填充物、降噪塊、調(diào)軌組件、彈性墊板、調(diào)高墊板。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 軌道結(jié)構(gòu)部件組成

圖3 槽內(nèi)結(jié)構(gòu)三維圖

圖4 槽內(nèi)結(jié)構(gòu)橫截面

由于取消了扣件系統(tǒng)，在施工過(guò)程中鋼軌的落槽固定、軌距的精調(diào)及工后軌距的保持必須有一個(gè)支撐體系，嵌入式軌道依靠槽內(nèi)調(diào)軌組件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能；同時(shí)，調(diào)軌組件能有效控制鋼軌在列車(chē)橫向荷載下的傾覆程度[10]。針對(duì)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究已有較多成果[11-13]，如牛月明在對(duì)現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，論述了嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，提出了合理的下部基礎(chǔ)形式；莫宏愿根據(jù)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限中可能存在的層間關(guān)系和承受的荷載，研究嵌入式軌道板及自密實(shí)混凝土厚度參數(shù)對(duì)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)各部件受力的影響，為嵌入式軌道板及自密實(shí)混凝土厚度的合理取值范圍提供理論依據(jù)；羅炯基于鋼軌穩(wěn)定性理論，建立三維有限元模型，分析列車(chē)垂向偏心荷載和橫向荷載共同作用下鋼軌的抗傾覆性能。但對(duì)于施工、維護(hù)過(guò)程中起調(diào)整和支撐作用的調(diào)軌組件及其優(yōu)化涉及較少。

本文針對(duì)地鐵用嵌入式軌道中調(diào)軌組件這一關(guān)鍵部件的多項(xiàng)參數(shù)特性，建立承軌槽內(nèi)三維實(shí)體有限元模型，分別分析了槽內(nèi)調(diào)軌組件的彈性模量、寬度和布置間距的最優(yōu)設(shè)計(jì)值，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型及工況

1.1 計(jì)算參數(shù)

考慮到地鐵軌道多應(yīng)用于隧道內(nèi)，列車(chē)荷載是其主要的外荷載，取常用地鐵輪載作為計(jì)算荷載。

(1)列車(chē)豎向設(shè)計(jì)荷載

直線軌道上的垂直荷載采用準(zhǔn)靜態(tài)當(dāng)量靜荷載，其計(jì)算公式如下[14]

Pd=(1+α)·Pj

式中Pd——作用于鋼軌上的車(chē)輪豎向動(dòng)荷載；

Pj——靜輪載；

α——速度系數(shù)，當(dāng)運(yùn)行速度為120 km/h時(shí)，為0.72。

該軌道采用A型地鐵車(chē)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，故列車(chē)豎向設(shè)計(jì)荷載為

Pd=(1+0.72)×80=137.6 kN

(2)列車(chē)橫向設(shè)計(jì)荷載

考慮到我國(guó)軌道建設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修的具體情況，建議橫向設(shè)計(jì)荷載取設(shè)計(jì)靜輪載的0.8倍[14，15]，故取橫向荷載64 kN。

(3)設(shè)計(jì)荷載作用位置

根據(jù)列車(chē)運(yùn)行軌跡和養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，輪軌接觸點(diǎn)一般距軌頭中心線最大橫向距離為10 mm[16]。

對(duì)于嵌入式軌道結(jié)構(gòu)承軌槽系統(tǒng)橫向加載情況，考慮最不利條件，即鋼軌承受最大橫向彎矩，故設(shè)橫向列車(chē)設(shè)計(jì)荷載施加于鋼軌軌頭頂部，列車(chē)豎向設(shè)計(jì)荷載施加于軌頭外側(cè)距中心線最大距離處(10 mm)。

(4)材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)

地鐵用嵌入式軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件參數(shù)見(jiàn)表1[5-7，9]。

表1 軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

1.2 有限元模型

根據(jù)槽內(nèi)結(jié)構(gòu)基本方案和力學(xué)分析模型，建立嵌入式軌道槽內(nèi)系統(tǒng)空間有限元模型，如圖5所示。考慮到高分子澆注料有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，假定所有粘結(jié)面均不會(huì)發(fā)生分離。為消除邊界條件影響，模型長(zhǎng)度取3塊板長(zhǎng)度，分析中間軌道板上的承軌槽部分；為減小計(jì)算量和縮短計(jì)算時(shí)間，模型取軌道板一側(cè)的承軌槽部分，并在承軌槽一側(cè)施加對(duì)稱約束，同時(shí)于其下底面施加全約束。

圖5 承軌槽系統(tǒng)有限元模型

1.3 計(jì)算工況

為了明確承軌槽內(nèi)調(diào)軌組件對(duì)槽內(nèi)系統(tǒng)的受力和變形影響，本次計(jì)算采用兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是不設(shè)置調(diào)軌組件，用于分析調(diào)軌組件對(duì)該種軌道結(jié)構(gòu)的必要性；另一種是設(shè)置調(diào)軌組件，用于調(diào)軌組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

地鐵用嵌入式軌道調(diào)軌組件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究詳細(xì)工況見(jiàn)表2。

表2 地鐵用嵌入式軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究分析工況

2 調(diào)軌組件彈性模量?jī)?yōu)化分析

調(diào)軌組件彈性模量過(guò)大，對(duì)于軌距的調(diào)節(jié)和保持以及對(duì)改善周邊高分子澆注料受力都有優(yōu)勢(shì)，但卻對(duì)調(diào)軌組件及調(diào)軌組件所在處承軌槽壁受力不利，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致破壞；相反，調(diào)軌組件彈性模量過(guò)小又不利于軌距的保持和高分子澆注料的受力。

故而選取列車(chē)荷載作用在調(diào)軌組件所在截面處的鋼軌上，此種工況調(diào)軌組件處應(yīng)力分布較大，是對(duì)于調(diào)軌組件最不利的工況。在調(diào)軌組件寬度為60 mm，布置間距為1 000 mm的工況下，改變調(diào)軌組件的彈性模量，變化范圍在0.2～10 GPa，據(jù)此研究調(diào)軌組件彈性模量對(duì)槽內(nèi)各部件受力和變形影響規(guī)律。

提取相應(yīng)的結(jié)果可知，當(dāng)調(diào)軌組件彈性模量分別取0.2～10 GPa時(shí)，鋼軌橫向位移、外翻轉(zhuǎn)角、降噪塊應(yīng)力和位移、高分子澆注料的位移、兩種墊板的位移均隨調(diào)軌組件彈性模量的增大而減小，而承軌槽內(nèi)壁最大等效應(yīng)力和調(diào)軌組件最大等效應(yīng)力隨調(diào)軌組件彈性模量的增大而增大。由上述可得，調(diào)軌組件對(duì)于承軌槽系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用，不僅提供軌道的橫向支撐，還起到阻礙鋼軌外翻的作用，故還需從多個(gè)角度出發(fā)對(duì)調(diào)軌組件彈性模量進(jìn)行優(yōu)化比選。

(1)位移和應(yīng)力角度

綜合以上分析，當(dāng)調(diào)軌組件彈性模量大于2.0 GPa后，雖然鋼軌橫向位移會(huì)顯著減小，但承軌槽內(nèi)壁應(yīng)力與調(diào)軌組件本身應(yīng)力呈顯著增大趨勢(shì)。考慮到承軌槽內(nèi)壁是薄弱面，且沒(méi)有考慮循環(huán)動(dòng)應(yīng)力的疲勞影響，為保證槽內(nèi)各部件處于安全狀態(tài)，尤其是為確保承軌槽內(nèi)壁的抗壓強(qiáng)度不超過(guò)C40混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa，故而對(duì)調(diào)軌組件彈性模量大于2.0 GPa的工況不再考慮，在調(diào)軌組件彈性模量0.2～2.0 GPa范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化分析，相應(yīng)的承軌槽內(nèi)各部件位移和應(yīng)力匯總?cè)鐖D6、圖7所示。從圖中可看出，為保證承軌槽內(nèi)壁不被擠壓破壞，需對(duì)槽內(nèi)壁應(yīng)力及調(diào)軌組件應(yīng)力進(jìn)行控制，同時(shí)鋼軌、降噪塊及澆注料橫向位移不宜過(guò)大，調(diào)軌組件彈性模量取值范圍宜取0.4～1.0 GPa。

圖6 承軌槽內(nèi)各部件位移匯總

圖7 承軌槽內(nèi)各部件應(yīng)力匯總

(2)靜態(tài)不平順角度

軌距變化率是保證行車(chē)平穩(wěn)舒適安全重要指標(biāo)，現(xiàn)計(jì)算列車(chē)荷載作用于相鄰調(diào)軌組件之間與調(diào)軌組件處所引起的鋼軌橫向位移的差值隨調(diào)軌組件彈性模量的變化，并算出兩點(diǎn)間的橫向不平順的變化率，參照相應(yīng)規(guī)范，以不平順的變化率作為控制指標(biāo)對(duì)調(diào)軌組件彈性模量進(jìn)行優(yōu)化。不同橫向支撐界面處鋼軌橫向位移差隨調(diào)軌組件彈性模量變化如圖8所示。參照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中對(duì)軌距變化率不超過(guò)2‰的要求[17]，同時(shí)考慮本文計(jì)算的是單槽，是軌向變化率的概念，限值取為軌距變化率的一半，即以1‰作為控制指標(biāo)，相應(yīng)的變化率統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖8 不同支撐截面處鋼軌橫向位移差隨調(diào)軌組件彈性模量變化

調(diào)軌組件彈性模量/GPa不同支撐界面處鋼軌橫向位移差/mm軌向變化率/‰0.20.1740.3480.40.2970.5930.60.3850.7690.80.4520.9031.00.5051.0102.00.6681.336

根據(jù)軌向變化率不能超過(guò)1‰的要求，結(jié)合表3中軌向變化率的情況，調(diào)軌組件彈性模量應(yīng)取1.0 GPa以下，最終確定的調(diào)軌組件彈性模量取值范圍宜在0.4～0.8 GPa。

3 調(diào)軌組件寬度的優(yōu)化分析

本節(jié)分析調(diào)軌組件幾何尺寸的改變對(duì)承軌槽內(nèi)各部件受力變形的影響。荷載作用于調(diào)軌組件所在截面處的鋼軌上，調(diào)軌組件表面應(yīng)力較大，是對(duì)調(diào)軌組件最不利的工況，故在彈性模量為0.6 GPa，布置間距為1 000 mm的基礎(chǔ)上，改變調(diào)軌組件的寬度，取值變化范圍為50～100 mm。

基于調(diào)軌組件的面積不僅對(duì)鋼軌軌距調(diào)整能力具有重要的影響，對(duì)承軌槽系統(tǒng)的受力與變形也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。故本節(jié)研究調(diào)軌組件縱向長(zhǎng)度對(duì)承軌槽系統(tǒng)受力與變形的影響。

計(jì)算工況如表4所示。

表4 計(jì)算工況

通過(guò)計(jì)算，上述6種工況的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果

相應(yīng)的位移應(yīng)力匯總?cè)鐖D9、圖10所示。

圖9 承軌槽內(nèi)各部件位移匯總

圖10 承軌槽內(nèi)各部件應(yīng)力匯總

由上述計(jì)算結(jié)果和曲線圖可知，當(dāng)調(diào)軌組件寬度發(fā)生變化時(shí)，鋼軌最大豎向位移、降噪塊最大應(yīng)力位移、高分子澆注料應(yīng)力位移、墊板(兩種)的應(yīng)力和位移變化不大，而發(fā)生明顯變化的是鋼軌最大橫向位移、外翻轉(zhuǎn)角、槽內(nèi)壁最大等效應(yīng)力及調(diào)軌組件最大等效應(yīng)力。為了保證鋼軌橫向位移不致過(guò)大且承軌槽內(nèi)壁抗壓強(qiáng)度不超過(guò)C40混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa和調(diào)軌組件處應(yīng)力盡可能小，同時(shí)兼顧到調(diào)軌組件不宜過(guò)寬且要滿足槽內(nèi)連續(xù)支撐的概念，故建議調(diào)軌組件寬度宜取60～80 mm。

4 調(diào)軌組件布置間距的優(yōu)化分析

4.1 調(diào)軌組件合理間距分析方法

調(diào)軌組件作為嵌入式軌道承軌槽系統(tǒng)重要組成部件，能直接傳遞部分作用力于承軌槽內(nèi)壁，并同時(shí)起到調(diào)整軌距的作用。當(dāng)其間距過(guò)小時(shí)，軌道的連續(xù)支承條件會(huì)受到影響而且會(huì)增大結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本；而當(dāng)其間距過(guò)大時(shí)，降噪塊主體支承作用和調(diào)整軌距的作用便會(huì)弱化。設(shè)計(jì)時(shí)在軌道板兩端和軌道板中間設(shè)置3組支撐件，其余部位再按等距設(shè)置。

若單元板長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)置7組調(diào)軌組件時(shí)，其布置形式如圖11所示，圖中b表示寬度，d表示布置間距。若在單元板長(zhǎng)度內(nèi)布置3組或5組調(diào)軌組件，亦是同理。

圖11 7組調(diào)軌組件布置示意

選取調(diào)軌組件彈性模量為0.6 GPa，寬度為60 mm的情況來(lái)優(yōu)化調(diào)軌組件在承軌槽中的布置間距。調(diào)軌組件布置間距工況分別為600、800、1 000、1 200 mm和1 400 mm，相應(yīng)調(diào)軌組件布置組數(shù)分別為7組、5組、5組、3組和3組。

4.2 調(diào)軌組件合理間距分析結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，上述5種工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 承軌槽內(nèi)各部件計(jì)算結(jié)果

相應(yīng)的位移應(yīng)力匯總?cè)鐖D12、圖13所示。

圖12 承軌槽內(nèi)各部件位移匯總

圖13 承軌槽內(nèi)各部件應(yīng)力匯總

由上述計(jì)算結(jié)果可知，改變調(diào)軌組件間距，對(duì)鋼軌最大橫向位移、降噪塊最大等效應(yīng)力、降噪塊最大橫向位移、承軌槽內(nèi)壁最大的等效應(yīng)力及調(diào)軌組件本身應(yīng)力影響很大，對(duì)其他項(xiàng)幾乎沒(méi)有影響。主要以鋼軌橫向位移、承軌槽內(nèi)壁最大等效應(yīng)力不超過(guò)C40混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa及調(diào)軌組件最大等效應(yīng)力作為控制指標(biāo)，調(diào)軌組件間距可選范圍為600～1 000 mm，同時(shí)考慮到板與板之間過(guò)渡處是薄弱環(huán)節(jié)，板縫兩側(cè)調(diào)軌組件間距不宜過(guò)大，故調(diào)軌組件最優(yōu)間距宜取1 000 mm，調(diào)軌組件組數(shù)宜取為5組。

5 結(jié)論

對(duì)承軌槽內(nèi)調(diào)軌組件參數(shù)及布置優(yōu)化分析，原則上以應(yīng)力、位移作為控制指標(biāo)，即槽內(nèi)各部件應(yīng)力、位移不宜過(guò)大，不能超過(guò)相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化比選，可得出如下結(jié)論。

(1)在承軌槽系統(tǒng)設(shè)置調(diào)軌組件后，鋼軌最大橫向位移減少幅值達(dá)到2 mm，很明顯調(diào)軌組件不僅具備調(diào)節(jié)軌距的作用，還增加了整個(gè)承軌槽系統(tǒng)的橫向支撐剛度，提高了軌道的橫向穩(wěn)定性；同時(shí)從軌距精調(diào)和軌距保持角度，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置調(diào)軌組件是有必要的。

(2)從靜力分析和靜態(tài)不平順角度，為保證承軌槽內(nèi)壁不被擠壓破壞，同時(shí)鋼軌、降噪塊及澆注料橫向位移不宜過(guò)大以及軌距變化率不超過(guò)2‰的要求，最終建議調(diào)軌組件彈性模量范圍取為0.4～0.8GPa；考慮到調(diào)軌組件不宜過(guò)寬且要滿足槽內(nèi)連續(xù)支撐的概念，最終建議調(diào)軌組件寬度取60～80 mm；考慮到板與板之間過(guò)渡處是薄弱環(huán)節(jié)，板縫兩側(cè)調(diào)軌組件間距不宜過(guò)大，故建議調(diào)軌組件間距宜取600～1 000 mm，每塊長(zhǎng)約5 m的軌道板中調(diào)軌組件組數(shù)不宜少于5組。

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