西安地鐵機場線渭河特大橋大梁縫處抬枕裝置研究

宮 寅

(中鐵上海設計院集團有限公司, 200070, 上海//工程師)

1 工程概況

西安地鐵機場線(以下簡稱機場線)是西安城市軌道交通近期規劃中的重要交通線路，全長27.33 km。其中，渭河特大橋(以下簡稱特大橋)屬于機場線的重點控制性工程，全長4 252 m。跨越渭河主河槽的特大橋采用50 m+8×100 m+50 m連續梁，兩岸相鄰橋梁采用60 m+111 m+94 m+100 m+60 m連續梁。特大橋位于抗震設防烈度8度區，由于抗震設防烈度高，導致兩聯連續梁間梁縫的設計值較大(此處梁縫采用600 mm±230 mm)，由此帶來的軌枕間距超限存在一定的安全隱患，因此軌道擬采用抬枕裝置進行處理[1-2]。進口抬枕裝置采購價格及養護維修費用偏高；國產抬枕裝置價格偏低，但結構復雜、施工精度難以保證[3-4]。目前，重慶軌道交通6號線兩江大橋采用了國產抬枕裝置(見圖1)。因此，本文以特大橋為工程背景，結合機場線的特點對國產抬枕裝置進行優化設計，以滿足其功能性及經濟性要求。

圖1 國產抬枕裝置

2 抬枕裝置設計原則及設計方案

結合現場調研，確定了抬枕裝置的設計原則：①抬枕裝置應安全、可靠，滿足行車平順性要求；②抬枕裝置應有足夠的橫向、豎向剛度；③抬枕裝置范圍內扣件應采用調節器基本軌專用扣件；④抬枕裝置的剪刀叉不應碰到道床和梁；⑤應考慮抬枕裝置的造價以及養護維修的便捷性和經濟性；⑥應適用于梁縫600 mm±230 mm的工況[5]。

根據設計原則，將國產抬枕裝置進行如下優化設計：

(1) 將“7根鋼枕結構”優化為“1根鋼枕、6根混凝土枕結構，僅梁縫處1根鋼枕外露，其余澆注在道床混凝土中”，鋼枕采用T形梁。

(2) 為保持剪刀裝置的穩定性，采用雙剪刀裝置；為保證雙剪刀裝置不侵入橋梁結構面，剪刀裝置采用橫向放置。

(3) 為保證調節器的平順性及基本軌的伸縮性，將原國產抬枕裝置扣件更換為國產調節器基本軌超小阻力扣件[6]。

對此，本文提出以下兩種方案，分別為2根鋼縱梁抬枕裝置和3根鋼縱梁抬枕裝置(見圖2)。

a) 2根鋼縱梁抬枕裝置

b) 3根鋼縱梁抬枕裝置

3 仿真計算

3.1 參數選擇及約束施加

利用有限元軟件對兩種抬枕裝置進行了模態分析和準確靜力計算。計算中，鋼軌采用BEAM4單元模擬，扣件采用COMBIN14單元模擬，道床采用SOLID45單元模擬。對道床底部及鋼軌兩側施加全約束。鋼軌、扣件、道床、鋼枕及鋼縱梁的參數詳述如下：

(1) 鋼軌。采用U75V、60 kg/m鋼軌，截面面積為77.45×10-4m2,截面慣性矩Iz=3.217×10-5m4、Iy=5.24×10-6m4，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

(2) 扣件。本線設計扣件間距為595 mm，采用DTⅦ2扣件，每組扣件節點靜剛度為25 kN/mm，動靜比按1.4、動剛度按35 kN/mm考慮,扣件抗橫向力為40 kN/組。

(3) 道床。采用C40混凝土，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。

(4)鋼枕及鋼縱梁。鋼枕及鋼縱梁采用Q345q鋼。鋼枕上翼緣寬260 mm，高180 mm，上翼緣厚30 mm，腹板厚30 mm；鋼縱梁上翼緣及下翼緣寬200 mm，高200 mm，上翼緣厚80 mm，下翼緣厚40 mm，腹板厚30 mm。

3.2 模態分析及共振分析

按照抬枕裝置和梁端道床板的實際尺寸，建立了兩種抬枕裝置有限元分析模型[7]，如圖3所示。其中，每塊道床板沿線路方向長6 m，該道床板與相鄰道床板斷開，因為道床與橋梁固結且本文主要分析抬枕裝置，同時考慮模型運算能力限制，因此未考慮相鄰道床。

a) 2根鋼縱梁抬枕裝置

b) 3根鋼縱梁抬枕裝置

3.2.1 模態分析計算結果

模態分析僅考慮軌道結構自重，采用block lanczos法進行計算。其中，第1階振型表現為鋼枕變形較大，第6階振型表現為鋼縱梁變形較大，第7階振型表現為鋼枕及鋼縱梁變形均較大，前10階其他振型表現為鋼軌變形。模態分析結果如表1所示。

3.2.2 抬枕裝置共振分析

(1) 列車過跨頻率對抬枕裝置共振的影響。為分析抬枕裝置的共振情況，表2列出了列車運行速度速度為40～100 km/h時，列車通過不同軌枕間距的過跨頻率。根據行車數據，本線列車通過抬枕裝置速度約95 km/h。由上述模態分析結果可知，2根鋼縱梁抬枕裝置1階固有頻率為81.91 Hz，3根鋼縱梁抬枕裝置1階固有頻率為107.35 Hz。表2為不同列車速度通過不同軌枕間距的過跨頻率。由表2可知，各速度下過跨頻率均小于抬枕裝置的固有頻率，過跨頻率激不起抬枕裝置共振。

表1 兩種抬枕裝置模態分析結果表

(2) 列車全長、定距與軸距對抬枕裝置共振的影響。為分析車輛結構參數與車速耦合頻率對抬枕裝置共振的影響，表3列出了機場線B型車固定軸距、車輛定距和車輛長度等參數的車輛結構共振頻率。由表3可知，車輛結構參數與車速的耦合頻率均小于抬枕裝置第1階固有頻率，因此車輛結構參數與車速耦合頻率不會激起抬枕裝置的共振。

表2 不同列車速度通過不同軌枕間距時的過跨頻率

表3 機場線B型車車輛結構的共振頻率

3.3 準靜力分析

機場線采用B型車,軸重為14 t，列車最高運行速度為100 km/h。對軌道結構施加自重以及當列車速度為100 km/h時1個轉向架的準靜力荷載。按照文獻[8]，動力系數采用1.6，即單個動輪載按112 kN考慮。

3.3.1 抬枕裝置位移

鋼縱梁扣件剛度分別為35 kN/mm、200 kN/mm、400 kN/mm、600 kN/mm、800 kN/mm、1 000 kN/mm等6種工況下抬枕裝置處的鋼軌位移、鋼枕位移及鋼縱梁位移如表4所示。由表4可知：

表4 不同抬枕裝置位移結果

(1) 鋼縱梁扣件剛度采用35 kN/mm時，抬枕裝置處鋼軌位移、鋼枕位移較其他工況大；鋼縱梁扣件剛度采用200 kN/mm時，抬枕裝置處鋼軌位移、鋼枕位移與鋼縱梁扣件剛度采用400 kN/mm、600 kN/mm、800 kN/mm、1 000 kN/mm時的數據相近。

(2) 采用3根鋼縱梁比采用2根鋼縱梁時抬枕裝置處鋼軌位移可減小約0.4 mm，鋼枕位移可減小約0.1 mm，鋼縱梁位移可減小約0.06 mm。

(3) 抬枕裝置采用2根鋼縱梁、鋼縱梁扣件剛度采用200 kN/mm時，抬枕裝置處鋼軌位移為2.464 mm，該值小于3 mm，滿足安全性要求。

鋼縱梁扣件剛度為200 kN/mm時，抬枕裝置變形圖如圖4所示。

a) 2根鋼縱梁抬枕裝置

b) 3根鋼縱梁抬枕裝置

3.3.2 抬枕裝置應力計算結果

抬枕裝置采用2根鋼縱梁、鋼縱梁扣件剛度采用200 kN/mm時，梁端第1組扣件處道床的最大等效應力為4.54 MPa，該值遠小于C40混凝土抗壓強度，鋼枕及鋼縱梁受力均小于1 MPa;抬枕裝置采用3根鋼縱梁、鋼縱梁扣件剛度采用200 kN/mm時，上述最大等效應力沒有出現在抬枕處，而出現在軌道板范圍內。轉向架動輪載作用點扣件處道床的最大等效應力為3.14 MPa，遠小于C40混凝土抗壓強度，鋼枕及鋼縱梁受力均小于1 MPa。

4 結論

(1) 抬枕裝置第1階振型主要表現為鋼枕變形，第6階振型主要表現為鋼縱梁變形，第7階振型主要表現為鋼枕及鋼縱梁均變形，前10階其他振型主要表現為鋼軌變形。

(2) 列車通過抬枕裝置的速度在100 km/h以內時，列車過跨頻率不會激起抬枕裝置共振；B型車的車輛參數與車速耦合頻率不會激起抬枕裝置的共振。

(3) 2根鋼縱梁結構的抬枕裝置可滿足機場線的安全性要求[9]。