跨座式单轨交通关节可挠型道岔荷载试验研究

郭 凡，杨永清，刘国军，杨光哲

(西南交通大学，成都 610031)

跨座式单轨交通具有噪声低、乘坐舒适、爬坡能力强、车辆可通过较小曲线半径等特点，特别适用于地形复杂、地面起伏较大的山区城市［1］。与常规轨道交通系统相比，跨座式单轨交通系统的结构及受力传力方式有明显的特点，主要反映在车辆转向架、轨道梁和道岔等三方面，是该交通系统三大关键技术［2］。根据结构形式不同，单轨道岔可分为关节型和关节可挠型两种，其中关节可挠型道岔的导向面、稳定面与箱梁之间为可动连接，道岔移动时，导向面及稳定面弯曲成连续曲线线形，列车通过道岔时的平顺性较好，限速高于关节型道岔，通常用于正线线路［3］。由于单轨道岔要承受扭曲、冲击等车辆运行荷载的反复作用，道岔体系必须具有足够的刚度、强度与稳定性。为检验在直线状态及转辙之后曲线状态的道岔梁位移和应力、导向面与稳定面钢板、T形轴等构件的强度及可靠性和结构整体抗倾覆性能，并为道岔系统设计理论与制造工艺的发展提供基础数据，对某道岔系统进行了理论分析和试验研究。

1 试验概况

某关节可挠型道岔工程样机由4节钢制梁连接，并由台车及轨道、T形轴、传动装置等组成。道岔梁长度4×5.5 m，为全钢结构，截面高1 420 mm(支点处高1 426 mm)，宽 850 mm。

1.1 测试内容

道岔试验梁分为1#～4#梁段。试验主要是对2#、3#梁段进行横向和竖向加载，测试试验荷载下加载梁段导向板和稳定板的应力，加载梁段主要截面的应力及跨中挠度，道岔梁由直线状态到曲线状态可挠系统的应力变化，2#梁段与3#梁段之间的相对位移。并观察导向板、稳定板、加载点梁体及可挠系统的变形、可挠系统(凸轮机构)的工作性能和台车的稳定性。

1.2 荷载工况及试验方法

试验荷载采用4点加载模拟实际车辆轴位荷载，由最大设计弯矩并计入冲击、横向摇摆力作用等因素得到竖向和横向试验荷载值。关节可挠型道岔梁在运营中，列车横向力直接作用于导向板、稳定板，再通过凸轮机构传给梁体，所以试验时采用高100 mm、长150 mm的钢板施加横向荷载模拟轮压力。根据GB50458—2008第8.2.9条［4］，列车横向摇摆力应按列车设计荷载单轴重的25%计算，一列车以一个水平集中力取最不利位置(2#、3#梁段跨中)垂直梁轴线方向，由曲线内侧向曲线外侧加载，加载布置见图1。

单开关节可挠型道岔梁凸轮机构的作用，都反映在导向面板和稳定面板上。道岔梁由直线状态摆动到曲线状态时，导向面板和稳定面板在凸轮机构的作用下，产生弹性变形，从而使4组道岔梁形成平滑曲线。此时，梁端5#支点处横向最大摆动距离为2.4 m，导向面板和稳定面板将产生较大的应力。为测试该应力，摆动道岔梁，使5#支点处产生最大的横向位移2.4 m(见图2)。

1.3 测点布置

在2#、3#梁共布置32个应变花、8个应变单片、8个位移测点，导向板、稳定板上设144个应变测点，以测试梁体受力及变形;在2#、3#、4#支点处布置6个位移测点，测试试验荷载下的支座下沉，在2#、3#梁体相接处布置4个横向、竖向位移测点，测试2#、3#梁段间相对位移，测点如图3所示。

图1 加载布置(单位:mm)

图2 道岔梁摆动变形图(单位:mm)

2 有限元模型分析

道岔系统各构件受力复杂，为模拟道岔实际的工作状态和受力工况，建立ANSYS有限元模型做仿真分析，单元划分兼顾计算精度和计算效率。道岔梁是系统的主体，也是分析重点，该道岔梁由Q235钢板焊接而成，采用板梁式单元SHELL63进行模型网格划分;T型轴是实体铸造件，导向面板和稳定面板是由 Q345钢制成，均采用SOLID45单元进行建模。有限元模型如图4所示。

3 试验结果与分析

试验过程中加到最大荷载又卸载后道岔梁、导向板和稳定板的应变、位移回零，说明道岔梁没有残余变形，道岔梁处于弹性工作状态中。根据道岔梁及导向板、稳定板的实测应力数据，上述工况下各测点应力—荷载关系基本呈线性关系。横向加载时，凸轮轴附近梁体曲线外侧受力大于曲线内侧受力，最大主拉应力、最大主压应力和最大剪应力，均出现在外侧部位，而导向板和稳定板的最大应力，出现在跨中部位。道岔梁与导向板、稳定板实测应力最大值和跨中截面实测应力与计算应力比较，如表1、表2所列(本文中，压应力为负，拉应力为正)。

图3 应变与位移测点布置

图4 有限元模型

表1 道岔梁与导向板、稳定板实测应力最大值 MPa

表2 道岔梁跨中截面实测应力与计算应力均值比较 MPa

由表2可见，横向加载时结构的应力校验系数为0.57～1.05，竖向加载时结构的应力校验系数为0.91～0.96;在空载时转动道岔梁，其产生应力的应力校验系数为0.87～0.96，均在合理的范围之内，表明道岔梁体系满足设计要求。

考虑最不利情况，将以上三种工况对应的最大应力相加可得最不利组合下的道岔梁受力。实际上，梁体有自重作用，但以上每种工况下最大应力的位置不一定相同，且梁体自身应力水平较小，如此叠加还会增大对应位置的应力。此时导向板、稳定板最大应力为82.01 MPa，小于 Q345钢材的允许应力［σw］=194 MPa;凸轮轴附近梁体最大主拉应力为53.77 MPa，最大主压应力48.46 MPa，小于 Q235钢材的允许应力［σ］=135 MPa，最大剪应力 42.22 MPa，小于抗剪允许应力［τ］=80 MPa。此种情况安全系数为 1.89(1.2P2+1.5N0，其中，P2、N0分别为计入冲击系数的运营期间单轴竖向荷载和横向荷载)，所以实际情况的安全系数应＞1.89，满足抗弯承载力要求。

直线状态时竖向加载，2#、3#梁跨中平均挠度为1.53 mm 和 2.03 mm;2#、3#、4#支点最大位移分别为向下 0.16 mm、向下 0.22 mm、向下 0.06 mm;2#、3#梁段之间的相对位移为:竖向3#梁端相对2#梁端上升0.01 mm，纵向2#、3#梁分离0.06 mm。梁体最大位移为2.03 mm＜5 500/900=6.11 mm，道岔梁具有足够的刚度。

在前次对跨座式关节型道岔梁的试验中［5］，跨座式关节型道岔梁在竖向荷载作用下(单点竖向最大力184.48 kN，四点加载)，2#梁段跨中最大挠度为2.95 mm，3#梁段跨中最大挠度为2.23 mm。本次试验的跨座式关节可挠型道岔梁梁体在竖向加载(单点竖向最大力179.73 kN，四点加载)2#梁段跨中平均挠度为1.53 mm，3#梁段跨中平均挠度为2.03 mm。从整体来说，跨座式关节可挠型道岔梁的刚度要大于跨座式关节型道岔梁的刚度。

4 结论

通过以上分析可知，道岔系统结构行为接近有限元仿真模拟，道岔梁体、导向面与稳定面钢板、T形轴等构件具有足够的强度、刚度和稳定性，道岔系统能够承受实际运行中扭曲、冲击等车辆运行荷载的反复作用，满足设计要求。试验结果也表明，与跨座式关节型道岔梁相比，关节可挠型道岔梁的整体刚度更大，具有更好的行车平顺性。由于跨坐式单轨交通在国内刚刚起步，其相关设计、制造技术及试验评定尚缺乏非常成熟的规范、标准。因此，试验和理论分析结果也为道岔设计理论与制造工艺的发展提供了翔实参考数据。

［1］马继兵.跨座式单轨交通系统结构静动力行为研究［D］.成都:西南交通大学，2008.

［2］雷慧锋，刘永锋.跨座式轨道交通建设中的关键技术［J］.铁道标准设计，2001，21(1):1-4.

［3］王省茜.跨座式单轨铁路的特点及其应用前景［J］.中国铁道科学，2004，25(1):131-135.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50458—2008跨座式单轨交通设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5］马继兵，蒲黔辉，夏招广.跨座式单轨交通 PC轨道梁静载及疲劳试验研究［J］.铁道建筑，2008(5):3-6.