城市轨道交通高架桥防脱护轨设计研究

冉 蕾，冯 健，李俊玺

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055)

轨道交通脱轨情况有很多种原因：有轨道交通系统设备内在的原因,如线路、轨道、车辆、桥梁等专业的设计参数合理匹配问题；有风、地震等天灾原因,也有无法测定的因素。针对城市轨道交通,应有一个安全合理的防范措施,设置防脱护轨是有效的防范措施之一。

1 国内概况

我国国家铁路设置护轮轨的位置一般是在有砟桥面和明桥面,结构形式如图1所示。其作用为当列车在桥头、桥上有护轨地段脱线时,可将列车限制于护轨与基本轨之间,以防列车翻落桥下。护轨采用普通钢轨制作,为方便轨道养护维修,利于机械作业,有砟桥面基本轨与护轨净距采用500 mm。

图1 国铁有砟桥上护轨

在国铁碎石道床线路,道砟稳固性能较差,小半径曲线的缓和曲线,容易减载发生脱轨事故,在曲线内股设置防脱护轨。护轨的作用主要防止列车车轮因悬浮(或减载)发生的脱轨事故,轮缘槽宽度也为60～85 mm。

我国城市轨道交通线路防脱护轨首先在上海明珠线高架桥设置,将国铁碎石道床线路护轨结构移植到轨道交通整体道床上,城市轨道用的防脱护轨轮缘槽一般为60～85 mm,当一侧车轮轮缘将要爬上轨顶面时,同一轮对的另一侧车轮的轮背与护轨接触,促使要爬轨的车轮恢复到正常位置,防止列车脱轨。

近年来各地地铁都对护轨的设置进行了研究,目前城市轨道的防脱护轨主要采用2种不同的结构形式。

北京地铁和上海地铁采用DPⅡ-60型防脱护轨,护轨采用15 kg/m轻轨,在2个扣件节点之间,用专用的支架将护轨固定到钢轨上。见图2。

图2 上海地铁DPⅡ-60型防脱护轨

这种护轨优点是支架与轨枕不发生紧固关系,可适用于任何轨枕,支架拆装方便,但由于护轨支架下部高度较高,不适用于梯形轨枕等钢轨与道床之间空间小的地方,同时由于护轨型号较多,不利于施工和养护维修。

广州地铁是在铺设防脱护轨地段采用特殊的扣件系统,在扣件铁垫板上增加护轨支架,将护轨固定在支架上,护轨采用UIC33槽型护轨,见图3。

图3 广州地铁用防脱护轨

这种形式的护轨优点是施工方便,支架直接安装在轨枕上,整体强度较大,护轨抗横向力大,缺点是此处扣件与别处不同,运营后如要增设护轨,则需拆装钢轨扣件,工作量较大。

地铁新线建设规模的空前加大,高架线路的比例也不断增加,因此需要设计一种安全可靠、结构简单、通用性好的防脱护轨装置。

2 防脱护轨结构设计

2.1 主要设计特点

无砟轨道的轨下空间较小,新型护轨的支架底部到钢轨轨底的高度为30mm,安装距离可以满足所有轨道结构通用的要求。

护轨采用UIC33槽型钢轨加工制造,强度大,安全系数高,耐磨损,使用寿命长。

扣板与支架采用斜面压紧的方式,使扣板与钢轨密贴,消除了钢轨及各零部件制造公差而产生的缝隙。

在发生脱轨危险时,轮背与护轨会发生激烈的碰撞,此时产生很大的横向力,超出护轨支架能承受的最大值,护轨自身的抗横向力已不能满足要求。为此,在支架底部粘贴一块橡胶垫层,支架产生过大的变形时,垫层与道床接触,可共同抵抗横向荷载。

主要结构见图4。

图4 新型护轨组装

2.2 横向荷载计算

扣板与铁垫板作为一体计算,P为脱轨时撞击护轨的横向力,N1为扣板扣压钢轨处反力。支架受力图示见图5,有限元分析图示见图6。计算结果见表1。

图5 垫板及扣板受力图示

图6 横向力为62 kN时应力分布

表1 不同横向力下的支架应力和扣板反力

3 护轨试制试验

在厂内进行横向力顶推试验,用截面积为40 mm×30 mm的顶杆作用于支架上。在各种荷载作用下,测量支架的变形和损坏情况。横向力顶推试验设备如图7所示。

图7 横向力顶推试验设备

试验分为3组,试验结果见表2。

表2 横向力顶推试验结果

试验中支架采用QT450-10,根据试验结果,对支架进行优化设计,如增加圆弧型肋,并将其材质改为ZG55,修改后的支架经横推试验,位移减小约2 mm,抗横向力能力大大增强。

4 现场使用情况

本防脱护轨在房山线高架桥上进行了铺设使用,长度9.208 km,本线2010年9月开始试运行,到目前使用状况良好。

5 结语

新型防脱护轨结构可靠,通用性好,零部件少,养护维修工作量少,运营成本低。采用UIC33槽型钢轨方案虽建设费用稍高,但其强度大,材质较硬,不易磨损,使用寿命长,综合造价合理,适用于城市轨道交通高架桥上使用。

参考文献：

[1]李仲才.安装新型护轮轨,强化小半径曲线轨道结构[J].铁道建筑，2000(2) .

[2]任纪善,卢世明.防止列车空车悬浮脱轨的研究与对策[J].中国铁路，2007(5).

[3]王铁男.新型弹性减磨防脱护轮轨装置的安装与使用[J].铁道建筑,2008(5).

[4]董 敏,阳军生,李 臻.关于城市轨道高架桥上安装护轮轨的建议[J].现代交通技术,2009(6).

[5]边育生,李红海.既有线桥上护轨改造方案的研究[J].铁道建筑,2008(7).

[6]徐小龙.小半径曲线脱轨原因分析及对策措施[J].铁道标准设计,2003(2).