1、第 1 期研究报告*湖南省自然科学基金项目(2019JJ40384);广州地铁设计研究院股份有限公司科学技术开发项目(2019K028)地铁线路坡度对道岔纵向力学特性的影响*阮莹1李平1曾志平2田春雨2(1广州地铁设计研究院股份有限公司，510010，广州;2中南大学土木工程学院，410075，长沙第一作者，高级工程师)摘要建立了地铁线路 9 号道岔纵向力学特性有限元分析模型。基于模型分析获得了列车荷载的最不利加载位置。研究了在列车制动荷载、温度荷载及两种荷载组合作用下，线路坡度对道岔纵向力学特性的影响。研究结果表明:当列车第 3 节和第 4 节车辆相邻的两个转向架处于尖轨上时，对道岔受力与位
2、移最为不利;道岔结构纵向位移与纵向力随着坡度、温度变化的增大均呈线性增大;在最不利工况时，30坡度上的道岔的钢轨强度及纵向位移均满足规范要求。关键词地铁线路;道岔;大坡度;纵向力学特性中图分类号U2155+7DOI:1016037/j1007869x202301007Influence of Metro Line Slope Gradient onTurnout Longitudinal Mechanical Characteris-ticsUAN Ying，LI Ping，ZENG Zhiping，TIAN Chun-yuAbstractFor metro line No9 turnout，
3、a finite element analysismodel of turnout longitudinal mechanical characteristics is estab-lished Based on model analysis，the most unfavorable trainloading position is obtained The influence of line slope gradienton turnout longitudinal mechanical characteristics under train bra-king load，temperatur
4、e load and their combination is studied e-search results show that when the two adjacent bogies of the 3rdand the 4th train compartments are on the switch rail，the turnoutstress and displacement are most unfavorable The longitudinaldisplacement and longitudinal force of turnout structure will in-cre
5、ase linearly with the increase of slope gradient and temperaturechange Under the most unfavorable working condition，the railstrength and longitudinal displacement of the turnout on slope gra-dient of 30 can meet the specification requirementsKey wordsmetro line;turnout;big slope;longitudinal me-chan
6、ical characteristicsFirst-authors addressGuangzhou Metro Design esearchInstitute Co，Ltd，510010，Guangzhou，ChinaGB 501572013地铁设计规范 对正线坡度及道岔的允许铺设坡度要求为:正线的最大坡度宜采用 30，困难地段可采用 35;道岔宜设在不大于 5的坡道上，困难地段可设在不大于 10的坡道上。然而，在 TB 100982017铁路线路设计规范 中，对道岔的铺设坡度规定并没有这么严格:咽喉区外的个别道岔和渡线的铺设坡度不应大于限制坡度。由于地质条件的限制，城市轨道交通中大坡度线路
7、越来越多，部分联络线上的道岔不得不设置在坡度超过 10甚至坡度更大的坡道上1-2。铺设坡度对道岔结构安全性的影响得到了相关专业研究人员的普遍关注。文献 3 研究了坡度对铁路道岔扣件系统性能的影响，提出了减少钢轨磨损和弹条损坏的建议。文献 4 通过建立车道岔坡道空间耦合模型，研究了设在坡道上列车道岔系统的动态响应。文献 5-6 研究了不同工况下坡度对长大坡道桥上无缝道岔受力与变形的影响，研究结果表明:坡度的增大对桥上无缝道岔的受力与变形都是不利的;当坡度增大至 20时，桥上无缝道岔的纵向力与位移并未超出相关规范要求。道岔结构形式复杂，在温度变化以及列车制动荷载作用下，道岔钢轨容易产生较大的结构变
8、形和内力。当道岔铺设在大坡度地段时，列车制动荷载增大，结构受力更为不利。为了获得道岔在大坡道上的适应性，本文建立了地铁 9 号道岔有限元模型，研究不同工况下坡度对道岔结构的纵向位移与受力的影响，分析地铁大坡度线路道岔的结构安全性、纵向力学分布与演变规律。1研究内容与计算模型11研究内容本文以某地铁线路实际拆解改造工程为例，基于有限元法对地铁 9 号道岔的纵向力学特性进行研332023 年究。首先，对比两种列车荷载模拟方式(均布荷载和集中荷载)，并研究列车荷载的最不利加载位置;在此基础上，分析在列车制动荷载、温度荷载及荷载组合作用下，坡度对道岔纵向位移与受力的影响规律;最后，检算最不利工况下道岔
9、的结构强度和位移，评估列车通过时，大坡度道岔的结构安全性。12计算模型及其参数9 号单开道岔全长为 29569 m，前长为 13839m，后长为 15730 m，导曲线半径为 200718 m;基本轨采用 60 kg/m 钢轨，尖轨为 60AT 可弯式尖轨，按实际截面采用梁单元模拟;道床和轨枕采用实体单元模拟;全面考虑扣件的三向刚度，扣件横向和垂向刚度采用线性弹簧模拟，扣件纵向阻力使用非线性弹簧模拟7;尖轨跟端与导轨、固定辙岔与相连钢轨之间的钢轨接头使用非线性弹簧模拟8;辙跟设置间隔铁，使用非线性单元模拟。有限元模型示意图如图 1 所示。地铁 9 号道岔结构的计算参数如表 1 所示。钢轨坐标以
10、列车逆向过岔的方向为正，道岔始端(岔前基本轨端轨缝中心处)坐标为 0，道岔终端(辙叉跟端轨缝中心处)坐标为 29569 m。图 1道岔有限元模型示意图Fig1Diagram of turnout finite element model13列车荷载该线路采用 6 节编组的地铁 B 型车，列车总长为 1186 m，总质量为 336 t，车辆定距为 126 m，固定轴距为 23 m，轴数为 4，轴重为 14 t。列车制动力大小受黏着力限制，车轮与钢轨间的黏着力为制动力上限，黏着系数按照 UIC(国际铁路联盟)标准取为0257。由于车辆振动，作用在钢轨上的动荷载 Pd要大于静荷载 P0。在模拟列车制
11、动时，引入速度系数 和偏载系数 模拟动荷载对钢轨的作用，Pd可以表示为:Pd=(1+)P0(1)表 1地铁 9 号道岔结构计算参数Tab1Calculation parameters of metro No9 turnout structure名称参数取值单元类型密度(kg/m3)7 800弹性模量/MPa21105钢轨泊松比030Beam188线膨胀系数/118105密度(kg/m3)2 500弹性模量/MPa3 4104轨枕泊松比018Solid45线膨胀系数/100105密度(kg/m3)2 500弹性模量/MPa36104道床板泊松比017Solid45线膨胀系数/100105横向刚度
12、(kN/mm)50Combin14扣件垂向刚度(kN/mm)30Combin14纵向阻力(kN/组)88Combin39钢轨接头纵向阻力(kN/组)508Combin39间隔铁纵向阻力(kN/组)347Combin39速度系数和偏载系数可以表示为9:=0006 v(2)=0002 h(3)式中:v 列车速度，km/h;h 未被平衡的超高，mm。14检算项目及方法1)钢轨强度。道岔钢轨应有足够的强度，在动弯应力、温度应力、列车起动和制动应力及其他附加应力等轴向应力的共同作用下，保证道岔钢轨不失效。根据 TB 100152012 铁路无缝线路设计规范，钢轨容许应力 取为 363 MPa，其应满足:
13、d+t+z+f(4)式中:d 钢轨最大动弯拉应力;t 温度应力;f 钢轨承受最大附加应力;z 钢轨牵引(制动)应力。2)螺栓强度。钢轨接头和间隔铁螺栓以剪切应力不超限为控制标准，普通螺栓直径为 30 mm，容许剪应力为 264 MPa。根据 TB 100152012铁路无缝线路设计规范，无缝道岔间隔铁应采用的109 级高强螺栓，其容许剪应力为 415 MPa。3)可动部分位移。根据 TB/T 26142005转辙机通用技术条件，尖轨与基本轨的纵向相对位移不大于 40 mm、叉心的纵向位移不大于 20 mm。43第 1 期研究报告2研究结果与分析21最不利加载位置研究既有研究中，列车荷载多由均布
14、荷载模拟，除列车进岔与出岔时外，在列车过岔过程中各钢轨的受力与位移变化较小。然而，地铁 9 号道岔可弯式尖轨长约为 112 m，相邻车辆的两个临近转向架相距 70 m，此处 4 个轮对相距 93 m，故最多有 4 个轮对同时作用在尖轨上。由于轨道所受纵向力因轮轨接触产生，所以仅使用均布荷载模拟列车荷载，无法体现出尖轨上同时作用不同数目轮对时的差别。分别采用均布荷载和集中荷载模拟列车荷载，对比两种模拟方式对道岔结构受力的影响。以列车侧向过岔为例，将整个过程分为 240 个加载位置。加载位置示意图如图 2 所示。图 2加载位置示意图Fig2Schematic diagram of loading
15、position两种加载方式下，道岔结构的纵向位移、纵向力与加载位置的关系对比如图 3 所示。两种加载方式下，道岔受力位移变化趋势是一致的。当使用集中荷载加载时，结构受力位移与列车轮对所处位置关系密切，轮对直接作用部位的变化幅度较大。曲尖轨纵向位移与受力存在 5 个峰值，分别对应 B 型车 5 次相邻车辆衔接处的 4 个轮对同时作用于尖轨时的加载位置。各轨道结构的受力位移图形呈“锯齿”状，而均布荷载则较为“光滑”。使用集中荷载时，道岔各钢轨的纵向位移与受力极值均不同程度地大于均布荷载时的数值。在列车荷载的直接作用位置，道岔结构纵向位移和纵向受力增大比例很高，如列车荷载直接作用处曲尖轨的位移与受
16、力增大了 50%以上。这说明使用均布荷载的计算结果来检算道岔结构强度及位移是不安全的，其实际结构受力可能更大。因此建议使用集中荷载的计算结果进行道岔强度及位移检算。采用集中荷载时，道岔结构纵向位移和纵向力极值均大于使用均布荷载，且极值均发生在曲尖轨上。曲尖轨上 5 个位移和受力峰值依次对应列车的图 3两种加载方式下的道岔结构纵向位移、纵向力与加载位置关系Fig3elation between turnout structure longitudinal displace-ment，longitudinal force and loading position under twoloading modes第 1 节和第 2 节、第 2 节和第 3 节、第 3 节和第 4节、第 4 节和第 5 节、第 5 节和第 6 节车辆相邻的两个转向架同时作用在曲尖轨上的情况。曲尖轨纵向力最大值出现在第 1 个峰值，即第 1 节和第 2 节车辆相邻的两个转向架同时作用在曲尖轨上时;曲尖轨纵向位移最大值则出现在第 3 个峰值，即第 3节和第 4 节车辆相邻的两个转向架同时作用在曲尖轨上时。但由于 5 个