地铁曲线地段钢轨横向稳定性控制措施研究

张 伟

(北京京港地铁有限公司，北京 100103)

城市轨道交通列车的运行由轨道引导，在曲线地段，轨道方向时刻变化，车辆轮在惯性作用下加剧了钢轨导向面的磨耗与挤压，造成曲线位置的钢轨发生较大幅度横向变形，造成轨距扩大等不良问题，极大影响行车安全[1]。

为保证列车通过曲线地段的行车安全，防止因钢轨横向变形产生过大的轨距扩大量，需要对曲线位置的钢轨横向稳定性进行分析[2]。影响曲线地段钢轨横向稳定性的主要参数包含曲线半径大小，扣件横向刚度与道床横向阻力等[3]，本文基于线路实际情况，建立钢轨结构受力仿真模型，分别分析了不同参数对钢轨横向稳定性的影响，并提出适合实际的工程控制措施。

1 仿真模型建立

为研究城市轨道交通曲线地段钢轨横向稳定性这一问题，本文结合现场实际调研情况，运用ANSYS有限元仿真分析软件，模拟钢轨在列车横向力作用下的变形特性，进而提出控制钢轨横向稳定性的有效措施[4]。建模软件主要包含前、后处理器和求解器这三个部分，建模过程中最关键的一步就是运用前处理器中各个功能，来构建仿真分析需用到的有限元模型，此时应将轨道系统各位置结构部件的参数进行定义。需要定义的参数主要包含：坐标系和部件单类型的定义、部件的材料进行定义(比如钢和混凝土等)以及材料的特性定义(包括刚度和密度等)。构建好目标模型后，需要对它进行网格的合理划分与节点的布置后，方可在有限元模型上施加所需的外部荷载等；第二步的求解器就是用来求解运算，获得所需要部件的变形与受力等参数；第三步通过后处理部分，获得各种模拟计算结果并可导出数据深入分析。

本文的建模流程是首先使用AutoCAD软件进行钢轨截面图设计，将钢轨的几何模型建立，并将几何模型转化为STP格式保存。在ANSYS软件的工作模块中载入几何模型，对模型进行网格划分，创建节点和单元。所建立城市轨道交通线路静力学轨道模型，各结构对应的建模参数如表1所示。

表1 轨道建模主要参数

轨道具体建模时将钢轨与轨枕的连接、轨枕与道床之间的连接用弹簧阻尼单元Combin14来模拟，钢轨和轨枕用Beam188(梁单元)来模拟，道床以实体单元Soild45来模拟。对于钢轨的每个单元取0.15m长，轨枕的设置间隔为0.6m，使轨道扣件刚好能安放在单元连接处，方便后面的计算与分析工作。

图1 所建立的轨道结构模型

2 钢轨横向变形影响参数分析

实际经验表明，影响钢轨横向变形的主要因素包含作用于钢轨上的横向力与结构的横向刚度大小。对于城市轨道交通线路，列车的运行速度较为固定，当曲线地段的外轨超高设置后，横向力主要取决于曲线半径的大小。对于轨道结构的横向刚度稳定性，其主要通过扣件系统和道床系统的横向阻力保证结构的稳定性，因此，本文主要分析曲线半径大小、扣件横向刚度与道床横向阻力对控制钢轨横向变形的影响。

仿真计算时，结合实际线路的运营与测试资料，将横向力大小取值为35kN，并作用在有限元模型的钢轨节点位置。设置线路实际最不利工况，即为曲线半径300m，扣件横向刚度1*104kN/m，道床横向阻力4.5*103kN/m，仿真计算可得此时钢轨的横向变形量已经达到了4.018mm，轨距扩大量较大，将影响行车运行安全。

为研究相同条件下曲线半径大小对钢轨横向的影响，基于最不利工况曲线半径长度由300m基础上依次间隔增加50m长度，即分别计算曲线半径由300m到600m的7组工况时钢轨的横向变形量。分析可知，当其他参数保持不变时，曲线半径增加至600m后，钢轨横向变形量已减少至1.534mm，如图2所示。

图2 钢轨横向变形与曲线半径的关系

为研究相同条件下扣件横向刚度值对钢轨横向的影响，基于最不利工况扣件横向刚度值由1*104kN/m基础上依次间隔增加5*103kN/m，即分别计算扣件横向刚度由1*104kN/m增加至3*104kN/m的5组工况时钢轨的横向变形量。分析可知，当其他参数保持不变时，当扣件横向刚度增加至3*104kN/m后，钢轨横向变形量已减少至2.449mm，如图3所示。

图3 钢轨横向变形与扣件横向刚度的关系

为研究相同条件下道床横向阻力值对钢轨横向的影响，基于最不利工况道床横向阻力值由4.5*103kN/m基础上依次间隔增加5*102kN/m，即分别计算道床横向阻力由4.5*103kN/m增加至6*103kN/m的4组工况时钢轨的横向变形量。分析可知，当其他参数保持不变时，道床横向阻力增加至6*103kN/m后，钢轨横向变形量已减少至3.015mm，如图4所示。

图4 钢轨横向变形与道床横向阻力的关系

3 控制措施探讨

基于现场实际情况与仿真计算结果，可以初步得出控制钢轨横向稳定性的主要措施如下：

3.1 减少小半径曲线使用

钢轨在横向力作用下，最大横向位移量与横向力近似成正比关系。在实际线路的设计过程中，钢轨受到的横向力大小与线路曲线半径有关。随着曲线半径的增加，钢轨受到的横向力会相应的减小，钢轨横向变形量随之减少。但是，曲线半径的增加意味着线路的建设成本等问题的增加，尤其对于城市轨道交通线路，很多情况下需通过小半径曲线绕避既有城市结构，因此，设计曲线半径时需要充分考虑城市的既有建筑与经济成本等避免小半径曲线的使用。

3.2 合理增加扣件横向刚度

当曲线参数确定后，可以理论上认为列车通过曲线时产生的横向力大小也随之确定。通过增加扣件系统的横向刚度，钢轨的横向变形量明显减少，可知提高扣件横向刚度对于提升城市轨道交通线路的稳定性起到了一定的作用。但是，过大的横向刚度将改变轨道结构的振动特性与固有频率等，不利于行车安全，需经过科学验算后合理调整扣件的横向刚度。

3.3 合理增加道床横向阻力

仿真计算可知，相同大小横向力的作用下，道床横向阻力越大，钢轨发生变形的位移量就越小，由此可知，增大道床阻力是加强线路稳定性的有效方式。同时，既有运营资料表明，过大的道床阻力不利于轨道结构的减振降噪，降低了乘客的舒适度，因此，道床的横向阻力不应过大，需保证在合理范围内。

4 结论与建议

为降低曲线地段钢轨的横向变形，保证列车运行的安全性，经过安全与经济性等指标科学论证后，可通过增加曲线半径、扣件横向刚度与道床横向阻力的方法，将钢轨的横向变形控制在合理范围内。

同时，在实际养护维修过程中，对于敏感位置的小半径曲线区域，可进一步安装轨距拉杆、轨撑等加强设施，保证扣件与联接零件质量满足设计要求。在工务养护期间，需定期组织检查，保持扣件的扭矩和压力，提高道床的稳定性，保证轨道交通的运营安全。