时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔无缝化研究

乔神路 张东风

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

正文：

北京地铁新机场线是国内首条设计时速160公里城市轨道交通线路，列车运行速度较高，正线采用双块式无砟轨道，铺设12号道岔及配套交叉渡线。为提高线路的平顺性，避免车辆通过接头产生的冲击振动噪声，保证列车运行的平稳性及旅客乘坐的舒适性，北京地铁新机场线全线铺设跨区间无缝线路，时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔无缝化是否可行是其实现的关键。

目前，国内城市轨道交通既有12号道岔的容许通过速度较低，多用于设计时速120公里的线路正线或设计时速80～100公里线路的尽头折返地段，既有研究较多集中于道岔结构设计或运营养护等方面，关于城市轨道交通道岔的无缝化研究较少[1]～[8]。本文基于有限元理论，建立了时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔的仿真模型，对无缝道岔的受力变形特性进行了系统分析，为北京地铁新机场线跨区间无缝线路的应用提供依据。

1 道岔结构的特点

时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔针对北京地铁新机场线工程需求设计，容许通过速度：直向为160km/h，侧向为50km/h。道岔全长37.8m，前长16.592m，后长21.208m，导曲线半径350m。转辙器采用13.64m 60AT2弹性可弯曲线尖轨，尖轨跟端采用单组大间隙限位器结构，间隙值为15mm；固定辙叉采用镶嵌翼轨合金钢组合式结构，钢轨件及间隔铁通过M27螺栓联结；扣件采用Ⅱ型弹条分开式扣件；钢轨材质为U75V；道岔设1：40轨底坡或轨顶坡。

为适应北京地铁新机场线跨区间无缝线路的铺设使用及养护维修要求，道岔内及道岔与岔外线路的接头均采用冻结接头。

2 仿真模型的建立

时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔由钢轨件、扣件系统、限位器与间隔铁等联结部件、岔枕等构成。在对不同部件利用合适单元进行模拟的基础上，整合建立城市轨道交通12号无砟道岔的整体仿真模型。

1）钢轨采用梁单元模拟，并根据扣件支承位置进行单元划分。钢轨单元的模拟考虑了钢轨惯性矩、横断面积等特性参数，可实现钢轨在不同方向和角度的变形，如图1所示。60kg/m钢轨横断面积77.45cm2，弹性模量2.1×105MPa。

2）扣件系统考虑纵向阻力、垂向刚度及横向刚度，采用非线性弹簧单元模拟，如图2所示。单组扣件纵向阻力为10kN，垂向刚度为35kN/mm，横向刚度为50kN/mm。

图1 钢轨

图2 扣件

3）辙跟限位器及辙叉间隔铁采用非线性弹簧单元模拟，如图3所示。限位器及间隔铁阻力由摩擦阻力和螺栓抗剪力组成，其中摩擦阻力与螺栓拉力以及摩擦系数相关，螺栓抗剪力与螺栓数目相关。限位器及间隔铁阻力根据室内试验结果取值[7]，如图4、图5所示。

图3 限位器或间隔铁

图4 限位器阻力

图5 间隔铁阻力

4）冻结接头采用非线性弹簧单元模拟。冻结接头承载力为接头夹板与钢轨间的摩阻力，与螺栓扭矩及摩擦系数密切相关。考虑冻结接头的结构特点，单组冻结接头承载力为1500kN[10]～[11]。

5）岔枕考虑惯性矩、横断面积等参数，采用梁单元模拟，如图6所示。岔枕横断面积358cm2，弹性模量3.45×104MPa。

图6 岔枕

时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔的仿真模型如图7所示。

图7 城市轨道交通12号无砟道岔仿真模型

3 道岔无缝化受力变形及检算

北京地区最高轨温61.9℃，最低轨温-27.4℃。根据北京地铁工程实践，偏于安全，无缝岔区最大轨温变化幅度按57℃考虑。

3.1 岔区钢轨强度

道岔轨温变化57℃时，钢轨纵向力的主要分布如图6、图7所示。钢轨纵向最大值为1130.71kN，出现在辙跟基本轨处；由于辙跟采用大间隙限位器结构，尖轨自由伸缩较大，经限位器传递至基本轨的纵向力较小，基本轨纵向力增幅仅为3.36%。

图8 基本轨受力

图9 尖轨及导轨受力

道岔钢轨受力检算结果见表1。由于车辆直向及侧向过岔速度相差很大，且侧股曲线半径较小，道岔直、侧向钢轨动弯应力不同[12]，但不同工况下的钢轨总应力均远小于容许应力，钢轨强度满足要求。

表1 钢轨受力检算 单位MPa

3.2 岔区钢轨位移

道岔轨温变化57℃时，钢轨位移的主要分布如图10、图11所示，尖轨最大位移为23.47mm。由于辙跟采用大间隙限位器结构，尖轨伸缩对基本轨影响较小，辙跟基本轨基本没有变形。

时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔采用分动外锁闭结构，尖轨容许伸缩位移为40mm[12]，道岔位移满足使用要求。

图10 基本轨位移

图11 尖轨及导轨位移

3.3 岔区轨道稳定性

岔区无砟轨道无缝线路稳定性较好，但应控制钢轨碎弯变形，保证城市轨道车辆高速行车的平稳性和旅客乘车的舒适性，减小养护维修工作量。根据压弯变形理论[13]，考虑时速160公里城市轨道交通12号无砟道岔用于正线，无砟轨道无缝线路的允许压弯变形量应取为0.02cm，允许温度压力为1385.57kN。

依据温度荷载作用下的钢轨纵向力计算结果，道岔轨温升高57℃时，钢轨最大温度压力为1130.71kN，小于允许温度压力，轨道稳定性满足要求。

3.4 限位器及间隔铁受力

道岔轨温变化57℃时，限位器及间隔铁受力计算结果见表2、表3。由于整个岔区均采用无缝化设计，道岔直侧股相应位置的限位器及间隔铁受力基本相同，其中限位器受力最大值为76.82kN，间隔铁受力最大值为181.69kN。

表2 限位器受力 单位kN

表3 间隔铁受力 单位kN

依据规范进行检算[12]，限位器螺栓最大剪应力为67.12MPa，间隔铁螺栓最大剪应力为158.75MPa，均小于螺栓剪应力限值415MPa，限位器及间隔铁受力满足要求。

3.5 冻结接头受力

道岔轨温变化57℃时，前后端部冻结接头受力最大，基本在1100kN左右。冻结接头受力小于限值，满足使用要求。详细计算结果见表4。

表4 冻结接头受力 单位kN

4 结论与建议

本文通过构建空间耦合仿真模型，对时速160公里城市轨道交通12号无砟无缝道岔的钢轨强度、钢轨位移、轨道稳定性、限位器及间隔铁受力等进行了较全面地分析，主要结论与建议如下：

1）北京地铁新机场线城市轨道交通12号无砟道岔无缝化设计满足要求，用于跨区间无缝线路可行。

2）无缝道岔与正线无缝线路锁定时，应严格按照锁定轨温进行施工。限位器结构应保证子母块居中，严格控制安装误差。

3）冻结接头螺栓扭力矩应保持在设计要求范围内，安装后及线路运营期间应定期进行螺栓复拧，保证冻结接头承载力。