曲 村,高 亮,陶 凯,乔神路

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044；2.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所,北京 100081)

1 研究背景

跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道结构,是客运专线必须采用的关键技术。为满足客运专线建设的需要,我国研究开发了时速350 km客运专线42号无砟轨道无缝道岔[1]。由于客运专线42号无砟轨道无缝道岔的铺设在我国尚属首次,因此对它的各项设计参数需要进行深入的研究和分析。

当时速350 km客运专线42号无砟轨道无缝道岔的基本轨和里轨采用不同的扣件阻力,或者翼轨末端间隔铁数量发生改变时,道岔的尖轨尖端位移、心轨尖端位移、基本轨附加温度力、尖轨跟端和翼轨末端传力部件的受力等都会有所变化。如何正确合理地选择上述道岔的设计参数,将直接影响到道岔的铺设质量。

本文在已有的研究[2～10]基础上进行进一步研究,采用商业有限元软件建立了客运专线42号无砟轨道可动心轨无缝道岔有限元计算模型。该模型的主要特点是：道岔结构详尽,考虑了限位器、间隔铁等部件的实际传力作用；各种阻力均可为非线性阻力,取值可与实测值一致；可按实际情况考虑基本轨与导轨间的相互作用关系；并可详细得出每一组限位器、间隔铁的受力。

采用上述客运专线42号无砟轨道无缝道岔有限元计算模型,对不同扣件阻力和翼轨末端间隔铁数量条件下道岔的力学特性的主要计算结果等进行了计算分析与比较,对客运专线42号无砟轨道无缝道岔的设计参数的选择提出建议。

2 模型建立

2.1 模型主要部件组成

在客运专线42号无砟轨道无缝道岔的温度力传递过程中,参与传力作用的主要有钢轨、扣件、限位器、间隔铁、螺栓等部件。对各部件利用有限元单元模型分别进行模拟。本文采用的参数根据文献[1]选取。

2.2 单元模拟

(1)钢轨选用梁单元进行模拟,按实际截面属性进行建模,考虑钢轨的截面积、惯性矩及扭转弯矩等参数。钢轨按照支承节点划分单元,可全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。在尖轨和心轨处建立变截面的单元以考虑实际截面对结果的影响。

(2)道岔区的扣件采用非线性弹簧单元进行模拟。可全面考虑扣件的纵向阻力、横向阻力和垂向刚度。此外,还考虑了道岔基本轨前侧和翼轨前侧扣件布置的实际情况。

(3)限位器结构采用非线性弹簧单元模拟,限位器的纵向阻力参数依照室内试验确定。模型中尖轨跟端设置3组限位器时如图1所示,图中仅显示与限位器相连接的钢轨单元。

图1 尖轨跟端限位器图示

(4)翼轨末端以及辙岔跟端通过间隔铁结构固定,间隔铁采用非线性弹簧单元模拟。模型中翼轨末端每侧设置4组间隔铁时如图2所示,图中仅显示与间隔铁相连接的钢轨单元。

图2 翼轨末端间隔铁图示

2.3 计算模型建立

通过对各个部件的模拟和组合,建立整组无缝道岔的模型。客运专线42号无砟轨道无缝道岔的有限元计算模型如图3所示。

图3 客运专线42号无砟轨道无缝道岔有限元计算模型

3 扣件阻力影响分析

3.1 主要计算工况

本文研究在客运专线42号无砟轨道无缝道岔基本结构不变的情况下,通过改变基本轨或里轨扣件纵向阻力实现减小钢轨附加温度力、尖轨尖端位移等主要计算结果和增大允许可铺设轨温范围的可行性。

考虑以下4种扣件阻力变化型式：(1)基本轨和里轨扣件阻力均采用标准阻力；(2)基本轨扣件阻力相对标准阻力增大20%,里轨扣件阻力采用标准阻力；(3)基本轨扣件阻力采用标准阻力,里轨扣件阻力相对标准阻力增大20%；(4)基本轨扣件阻力相对标准阻力增大20%,同时里轨扣件阻力相对标准阻力也增大20%。

以尖轨跟端隔枕跨设置3组不等间隙限位器结构(限位值依次为7.0、6.5、6.0 mm)和尖轨跟端隔枕跨设置3组间隔铁结构为例进行计算比较。轨温变化幅度取60 ℃。

3.2 主要计算结果比较

各种扣件阻力型式下,采用上述2种尖轨跟端结构型式的道岔的主要计算结果见表1。

由表1可知,尖轨跟端隔枕跨设置3组不等间隙限位器结构(限位值依次为7.0、6.5、6.0 mm)时,相对扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)条件下,基本轨最大附加温度力增大0.51%,尖轨尖端位移减小0.29%；扣件阻力型式(3)条件下,基本轨最大附加温度力减小9.39%,尖轨尖端位移减小1.75%；扣件阻力型式(4)条件下,基本轨最大附加温度力减小9.03%,尖轨尖端位移减小1.98%。

表1 各扣件阻力型式条件下道岔主要计算结果

由表1还可知,尖轨跟端隔枕跨设置3组间隔铁结构时,相对扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)条件下,基本轨最大附加温度力增大2.41%,尖轨尖端位移减小0.96%；扣件阻力型式(3)条件下,基本轨最大附加温度力减小4.38%,尖轨尖端位移减小0.95%；扣件阻力型式(4)条件下,基本轨最大附加温度力减小1.69%,尖轨尖端位移减小1.71%。

综上所述,扣件阻力型式(3)较优,其尖轨和心轨尖端位移较小,基本轨最大附加温度力、尖轨跟端和翼轨末端单个传力部件受力的最大值最小。

3.3 可铺设轨温范围比较

以ZK标准活载(运行速度按350 km/h考虑)作为检算条件确定可铺设轨温范围,荷载图示依据客运专线相关规定选取[11]。各扣件阻力型式下,采用上述2种尖轨跟端结构型式的道岔的可铺设轨温范围见表2。

表2 各扣件阻力型式条件下道岔可铺设轨温范围

由表2可知,尖轨跟端隔枕跨设置3组不等间隙限位器结构(限位值为7.0、6.5和6.0 mm)时,相对扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)条件下,最大轨温变化幅度不变或减小1 ℃；扣件阻力型式(3)条件下,最大轨温变化幅度不变或增大1 ℃；扣件阻力型式(4)条件下,最大轨温变化幅度不变或增大1 ℃。

由表2还可知,尖轨跟端隔枕跨设置3组间隔铁结构时,相对扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)条件下,最大轨温变化幅度不变；扣件阻力型式(3)条件下,最大轨温变化幅度增大1 ℃；扣件阻力型式(4)条件下,最大轨温变化幅度不变。

综上所述,扣件阻力型式(3)最优,其最大升温幅度和降温幅度均最大。

3.4 小结

经过比较分析可知,在本文所述参数条件下,在条件允许时,可适当增大里轨扣件阻力,以利于控制无缝道岔的受力与变形。

4 翼轨末端间隔铁数量影响分析

4.1 主要计算工况

以钢轨升温60 ℃时为例,计算尖轨跟端采用隔枕跨2组限位器结构(限位值依次为7.0和6.5 mm)和尖轨跟端采用隔枕跨2组长大间隔铁结构时的主要计算结果,翼轨末端分别按每侧设置3组、4组和5组间隔铁考虑。

4.2 主要计算结果比较

上述计算条件下,翼轨末端设置不同数量间隔铁时的道岔的主要计算结果见表3。

表3 不同翼轨末端间隔铁数量条件下道岔主要计算结果

由表3可知,采用不同数量的翼轨末端间隔铁,对于道岔的尖轨尖端位移、基本轨附加温度力以及尖轨跟端单个传力部件所受力的影响很小,可以不予考虑。这是由于客运专线42号无砟轨道无缝道岔长度较长,翼轨末端间隔铁位置距离尖轨尖端和跟端较远,而道岔的基本轨附加温度力主要是由尖轨跟端传力结构传递给基本轨的,因此翼轨末端间隔铁的数量对于上述结果影响不大。同样可知,不同的尖轨跟端结构型式对翼轨末端间隔铁的受力和螺栓相对错动量基本上也没有影响。

当翼轨末端间隔铁的数量增加时,翼轨末端单组间隔铁所受最大力有所降低。当每侧间隔铁分别由3组增加至4组和由4组增加至5组时,翼轨末端单组间隔铁所受最大力分别降低19.5%和14.6%。

由此可见,增加翼轨末端每侧间隔铁的数量对其受力与变形都是有利的。考虑到翼轨末端间隔铁的布置空间有限,建议仍采用当前方案,即翼轨末端每侧布置4组间隔铁。

4.3 翼轨末端单组间隔铁受力比较

由上文中分析可知,尖轨跟端结构型式对翼轨末端间隔铁的受力基本上没有影响。因此,轨温变化幅度为升温60 ℃时,尖轨跟端采用隔枕跨2组限位器结构(限位值依次为7.0、6.5 mm)或隔枕跨2组长大间隔铁结构时不同间隔铁数量的道岔的翼轨末端各组间隔铁受力见表4。

表4 翼轨末端各组间隔铁受力 kN

翼轨末端分别按每侧设置3组、4组和5组间隔铁考虑,相应的间隔铁编号见图4所示。

图4 翼轨末端间隔铁号码图示

由表4可知,随着翼轨末端每侧设置的间隔铁数量的增加,翼轨末端单组间隔铁受到的温度力最大值变小。

4.4 翼轨末端间隔铁设置分析

在道岔翼轨末端设置不同数量的间隔铁的条件下,比较单侧间隔铁受力之和。考虑到理论计算与实际受力的差异,计算结果乘以1.2的安全系数。

由上文中分析可知,尖轨跟端结构型式对翼轨末端间隔铁的受力基本上没有影响,因此尖轨跟端采用隔枕跨2组限位器结构(限位值依次为7.0、6.5 mm)或隔枕跨2组长大间隔铁结构时的单侧翼轨末端间隔铁受力之和相同,计算结果见表5。

表5 单侧翼轨末端间隔铁受力之和比较 kN

由表5计算结果可知：当尖轨跟端采用隔枕跨2组限位器结构(限位值依次为7.0、6.5 mm)或隔枕跨2组长大间隔铁结构时,翼轨末端传力部件受力总和均可按不大于1 150 kN设计。

对于目前已采用的方案,即翼轨末端采用每侧4组间隔铁的情况。考虑到同侧不同间隔铁之间螺栓扭矩不同等因素(假定有一个间隔铁未传递温度力时,间隔铁受力增大33%),同侧单个间隔铁受力最大值还应乘以1.33的不均匀系数。则两侧单组间隔铁受力最大值分别为：直侧391.4 kN、曲侧391.2 kN。

由间隔铁单根螺栓剪力的检算条件

(1)

式中，T为间隔铁螺栓承受剪力；T′为间隔铁摩阻力；n为间隔铁螺栓根数；d为间隔铁螺栓直径,取d=27mm。

得到3根M27高强螺栓的间隔铁的最大受力限值为(3根螺栓、螺栓扭矩为1 100N·m的单个间隔铁的摩阻力为108kN)

3×10-3+108=561.5kN

(2)

因此,翼轨末端间隔铁受力满足检算要求,安全富余量约为30.3%。

5 结论和建议

通过对采用不同扣件阻力和道岔翼轨末端间隔铁数量的时速350km客运专线42号无砟轨道无缝道岔的研究分析,在本文所述的参数条件下得出以下结论和建议。

(1)当基本轨扣件阻力或里轨扣件阻力增大时,尖轨尖端相对位移减小,有利于控制尖轨尖端的卡阻现象。同时,里轨通过尖轨跟端传力部件传递到基本轨上的附加力减小,相应的基本轨最大温度力降低；并且尖轨跟端和翼轨末端单个传力部件的受力也减小。

(2)道岔扣件阻力应满足道岔设计的要求；建议在条件允许时,增大里轨扣件阻力,以利于控制无缝道岔的受力与变形。

(3)采用不同数量的翼轨末端间隔铁,对于道岔的尖轨尖端位移、基本轨附加温度力以及尖轨跟端单个传力部件所受的力的影响很小。同时,在相同的翼轨末端间隔铁的设置数量条件下,不同的尖轨跟端结构型式的客运专线42号无砟轨道无缝道岔的翼轨末端间隔铁受力基本相同。

(4)增加翼轨末端单侧间隔铁的数目对其受力与变形都是有利的。考虑到翼轨末端间隔铁的布置空间有限,客运专线42号无砟轨道无缝道岔翼轨末端传力部件建议采用当前方案,即翼轨末端每侧布置4组间隔铁,受力总和可按不大于1150kN设计。当前采用的翼轨末端传力部件方案满足检算要求,在本文所述的参数条件下得出安全富余量约为30.3%。

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[11]铁建设[2007]47号,新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].