青島～平度軌道交通工程扣件設計方案研究

王羽杰 謝 龍 董 波

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266000)

1 概述

隨著我國城鎮化進程的逐步加快，市域鐵路和市域快速軌道交通工程日漸增多。北京、成都、青島、溫州等城市已開工建設數條之多，部分線路已載客運營。為滿足市域鐵路和市域快速軌道交通大運量、高速度的運行要求，需研究設計一種穩定性更好的扣件結構，以保證列車安全、快速、平穩運行。

市域鐵路和市域快速軌道交通設計速度介于傳統地鐵和城際鐵路(高速鐵路)之間，地鐵扣件對市域鐵路和快軌交通沒有適用性，城際和高速鐵路扣件安全富余量又太大，容易造成浪費。北京新機場線快軌交通、溫州S1線、成都地鐵18號線等采用的扣件類型均不相同。

適用于市域鐵路和快軌交通工程的扣件，應該是在城際鐵路和高速鐵路成熟扣件的先進技術基礎之上，結合市域鐵路和快軌交通工程的實際特點來開展設計，已達到結構安全、價格適中的使用效果。

2 工程概況

青島～平度軌道交通工程呈南北走向，線路南起膠州市膠州北站，北至國鐵平度北站，并預留向北延伸條件。線路全長58.55 km，其中地下段13.23 km，高架段44.52 km，過渡段0.8 km。全線共設置車站10座，其中4座地下站、6座高架站，設車輛段和停車場各1座。

主要技術標準：正線數目：雙線;設計速度：高架160 km/h，地下120 km/h;車輛：B型(新型)，6輛編組;供電：DC1 500 V，高架接觸網，地下接觸軌;最小曲線半徑：1 400 m(160 km/h)，800 m(120 km/h);最大縱坡：35‰。

本工程執行的主要規范有T/CRS C0101—2016市域鐵路設計規范，T/CCES 2—2017市域快速軌道交通設計規范及TB 10623—2014城際鐵路設計規范等。

3 比選方案介紹

北京新機場線軌道交通工程設計最高速度160 km/h，采用CRH6動車組車輛。軌道設計為雙塊式混凝土枕整體道床，配套采用WJ-8B型扣件。

WJ-8B型扣件為彈性不分開式、有擋肩扣件。由螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、板下彈性墊板和預埋套管組成。該扣件軌枕設置擋肩，降低了橫向荷載的作用位置，使扣件更加穩固。軌距擋板設置在鐵墊板和擋肩之間，保持和調整軌距的同時起絕緣作用。該扣件最初在鄭西高鐵采用，后推廣在京石、滬杭、大西等多條高鐵和城際鐵路上應用。

溫州市域鐵路S1線為東西走向的都市快線，已于2019年1月通車運營。采用城際CRH6動車組，設計最高速度140 km/h。軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，跨區間無縫線路，扣件設計采用WJ-7B型扣件。

WJ-7B型扣件為彈性分開式、無擋肩扣件。由彈條、T型螺栓、螺母、平墊圈、軌距塊、鐵墊板、緩沖墊板、軌下墊板、錨固螺栓、重型彈簧墊圈、平墊塊和預埋套管組成。鐵墊板上設置1∶40軌底坡，可通過更換不同剛度的軌下墊板，來分別適應350 km/h高速鐵路和250 km/h客運專線(兼顧貨運)的運行需求。

成都地鐵18號線為成都天府新機場的快速軌道交通線路，設計最高速度140 km/h。車輛采用A型車8輛編組，供電采用交流25 kV接觸網。軌道設計為雙塊式混凝土枕整體道床，配套扣件為DZⅢ-3型扣件。

DZⅢ-3型扣件為彈性分開式、無螺栓扣件，是在成都地鐵通用圖DZⅢ扣件基礎上優化設計而來。扣壓件采用國鐵C4彈條，直徑較通用圖DZⅢ扣件e型彈條增加了2 mm，單個彈條扣壓力為11 kN。

上述3種扣件為國內市域鐵路和快軌交通常用扣件。綜上可見，市域鐵路扣件結構型式復雜多樣，沒有形成統一標準化設計。其中WJ-7B和WJ-8B扣件為高鐵成熟扣件，DZⅢ-3型扣件為設計單位自主研發新型扣件。

4.1 推薦方案

扣件結構應力求簡單，并應具有足夠的強度和扣壓力、適量的彈性和調整量，并應滿足絕緣和防銹防腐要求[1]。市域鐵路和快軌交通線路運行速度較高，維修天窗時間較短。結合青島～平度軌道交通工程實際情況，本工程扣件設計應充分考慮到行車安全平穩、運營期少維修等特點，設計方案應遵循以下主要設計原則：

1)適當的扣壓力和縱向阻力，足夠的抗橫向力。

2)一定量彈性，合理的動靜剛度。

3)足夠的調整能力。

4)良好的絕緣性能。

5)較少的養護維修工作量。

有擋肩扣件直接將橫向力傳遞至擋肩上，錨固螺栓不再承受橫向力，可提高扣件壽命，對小半徑曲線和高速行車適應性較好。有螺栓扣件可以較好地達到設計扣壓力值。高鐵扣件大多也都采用有擋肩、有螺栓扣件。本工程設計最高速度160 km/h，小半徑曲線較多，推薦采用有擋肩、有螺栓型式扣件，采用ZX-2Y型扣件(見圖1)。

4.2 扣件理論計算

理論計算主要包括ZX-2Y型扣件的組裝靜剛度及各部件的受力狀態分析。

4.2.1 組裝靜剛度

無砟軌道扣件彈性墊層靜剛度宜為20 kN/mm～30 kN/mm[2]。對鋼軌分別施加5 kN和55 kN的垂向作用力，計算出兩種荷載作用下的鋼軌位移分別為1.721 mm和0.157 mm。通過計算得扣件組裝靜剛度為：

4.2.2 各部件受力分析

軸重荷載按14.5 t計，根據《城際鐵路設計規范》設計速度不大于160 km/h時動載系數取2.0。對ZX-2Y型扣件螺栓的預緊方式進行簡化處理，建立有限元模型，對鋼軌和軌距擋板進行約束，在螺栓上施加預緊力，通過調整預緊力大小來計算彈條扣壓力，通過計算得出當預緊力為12.5 kN時彈條的扣壓力為6 kN。

在分析過程中，為鋼軌施加垂向85 kN，橫向51 kN的靜荷載，并對兩螺栓分別施加12.5 kN的預緊力，計算扣件各部件的受力情況，分析各部件的受力狀態。

1)軌下墊板。軌下墊板垂向應力云圖如圖2所示，最大壓應力出現在鋼軌外側對應的軌下墊板的位置，最大壓應力為89.1 MPa，軌下墊板受力滿足要求。

2)鐵墊板。鐵墊板整體呈向上彎曲的趨勢(見圖3)，受力狀態為上表面受壓下表面受拉，最大垂向壓應力為116 MPa，最大垂向拉應力為138 MPa，QT450-10抗拉強度為450 MPa，受力情況滿足要求。

3)板下彈性墊板。鐵墊板下彈性墊板整體呈受壓狀態(見圖4)，鋼軌正下方受壓力最大，壓應力由中間向兩側遞減，最大壓應力為97.5 MPa,板下彈性墊板受力滿足要求。

4)螺栓。螺栓應力云圖如圖5所示，螺栓的最大壓應力和最大拉應力出現在螺栓桿受下部結構剪切的位置，最大壓應力為10.7 MPa，最大拉應力為12.5 MPa。螺栓的受力滿足要求。

通過以上計算，ZX-2Y扣件的組裝靜剛度為31.96 kN/mm，在列車靜載作用下，各部件的受力特性滿足要求。

4.3 扣件經濟性分析

對ZX-2Y型扣件(按常阻力計)、WJ-2A型扣件及WJ-8型扣件進行了價格比較和分析，詳見表1。

從表1可知，ZX-2Y型扣件每套價格比城軌用WJ-2A型扣件及高鐵用WJ-8型扣件均有所降低，降低比例約為12%，可見其經濟性較好。

綜上所述，ZX-2Y型扣件扣壓力、剛度、調整量等技術指標及各部件受力狀態均可以滿足本工程時速160 km的運行需求，且地下線與高架線扣件各部件可通用，經濟性也較好，是性價比較優的一種扣件結構。

5 結語

國內市域鐵路和市域快軌交通線路采用的扣件基本上分為兩種類型，一種是直接采用高鐵或城際鐵路成熟扣件，例如北京新機場線和溫州S1線；另一種是在國鐵扣件基礎上進行優化設計，例如成都地鐵18號線和青～平軌道交通工程。直接采用高鐵成熟扣件，安全可靠，但扣件結構尺寸較大、安全余量大，性價比不高。通過優化扣件局部尺寸設計，保證扣件結構安全穩定的同時，降低了生產制造成本，是較好的設計方案。