（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通直线尖轨道岔无缝化研究.pdf

摘要 摘要 城市轨道交通作为城市公共交通的骨干，以其大容量、准时快捷、安全高效 的优势，对改善大城市人们出行问题、缓解大城市的交通拥堵状况，发挥了其它 交通工具难以替代的作用，因此世界各国竞相发展。由于城市轨道交通相比国有 铁路有其自身的特点，所以有必要结合城市轨道交通的特点深入研究符合我国城 市轨道交通特点的轨道结构形式，为我国城市轨道交通事业的发展提供便利和保 障。 道岔结构作为重要的轨道结构之一，是跨区间无缝线路的技术难点。我国地 铁线路的道岔结构类型，一般有单开道岔、单渡线和交叉渡线等，道岔号数以1 2 号、9 号和7 号道岔最为常用，其尖轨的平面线形分为直线尖轨和曲线尖轨。虽然 直线型尖轨跟端存在活接头，稳定性较差，容易形成病害，但对于行车速度较低 的城市轨道交通，其尖轨耐磨，使用寿命长，扳动力小，只须一点牵引，而且结 构简单，左右开道岔可以互换使用，减少了现场备品的数量，因此在城市轨道交 通中大量采用。而交叉渡线是车站咽喉区附近一种常见的道岔设备，可以在很小 的范围内实现线路的两两对接，在很大程度上缩小了占地面积，在我国已建和在 建的地铁线路中较多地使用，分析研究其受力和变形规律，及其设计理论和设计 方法，可用于指导城市轨道交通道岔的设计、铺设及养护维修。但国内外很少对 其进行过理论研究，综合考虑各种因素，本文选择9 号直线尖轨交叉渡线模型进 行研究分析。 本文针对城市轨道交通高架桥及地面线上铺设无砟轨道交叉渡线的特点，运 用北京交通大学现有的有限元方法，建立了桥上无砟轨道9 号直线尖轨交叉渡线 道岔的纵横向耦合有限元模型，分析了交叉渡线的受力和变形，并于路基上无砟 轨道交叉渡线以及弹性可弯曲线尖轨交叉渡线的受力变形规律进行了对比，分析 了它们的异同点，给出高架桥上直线尖轨道岔取消缓冲区的检算算例；分析了影 响桥上桥上无砟轨道直线尖轨交叉渡线受力和变形的主要因素：轨温变化幅度、 扣件阻力、间隔铁、桥梁温度变化幅度、桥墩刚度、支座布置以及桥跨形式等， 并初步尝试分析产生这些规律的原因。根据分析结果，对城市轨道交通桥上无砟 轨道直线尖轨交叉渡线的设计提出了一些建议。 关键词：直线尖轨；交叉渡线；有限元模型；桥梁；温度力；位移 分类号：u 2 1 3 6 ；u 2 1 3 9 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a nr a i lt r a n s i ti st h em a i np a r ti nu r b a np u b l i ct r a n s p o r t i th a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sl a r g ei r a f f i ev o l u m e ，p r o m p t ，c o n v e n i e n c e ，s e c u r i t ya n dh i g he f f i c i e n c y i ti st h e p r i m a r yw a yt o s o l v et h ep r o b l e mo ft r a f f i cj a mi nl a r g ec i t i e s ，a n dt h es i t u a t i o no f p a s s e n g e rt r a f f i ci nl a r g ec i t i e sc a nb ei m p r o v e d i t sf u n c t i o nc a i l tb er e p l a c e db yo t h e r m e a n so f c o m m u n i c a t i o n s t h e r e f o r eu r b a nt r a c kt r a n s i ti sd e v e l o p e di nm a n yc o u n t r i e s u r b a nr a i lt r a n s i ti sd i f f e r e n tf r o mn a t i o n a lr a i l w a y , s oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c ss h o u l db e c o m b i n e dw i t hw h e nt h et r a c ks t r u c t u r ei sr e s e a r c h e d t h er e s e a r c hw i l lb eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ef u rt h ed e v e l o p m e n to f u r b a n r a i lt r a n s i ti no u r c o u n t r y a sak i n do fi m p o r t a n tt r a c ks t r u c t u r e ，s w i t c hi st e c h n i c a lp u z z l eo fc o n t i n u o u s l y w e l d e dr a i l ( c w r ) t r a c ka c r o s ss e c t i o n i no u rs u b w a yl i n e ，t h e r ea r es i n g l ep o i n t ， s i n g l ec r o s s o v e r , s c i s s o r sc r o s s i n g ，e t c n o 7 ，9 ，1 2s w i t c hi sm o r eo f r e n , a n dt h e r ea r e t w of o r m so f t u r n i n gp a r t ：s t r a i g h ts w i t c ha n dc u r v es w i t c h a l t h o u g hm o v a b l ej o i n ti sa t h e e le n do fs t r a i g h ts w i t c ha n dt h es t a b i l i t yi sn o ti d e a lt h ed a m a g ei sp r o n et oo c c u r , w i t hl o wr u n n i n gs p e e do nu r b a nr a i lt r a n s i t ，t h em e r i t sa r el o n gs e r v i c el i f e ，s m a l lt r i p f o r c ea n ds i n g l e p o i n tt r a c t i o n , a n di t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，l e f ta n dr i g h th a n dt u r n o u ti s u n i v e r s a l ，r e d u c et h eq u a n t i t i e so fs p a r s eo nj o bs i t e ，s oi t i sw i d e l yu s e do nu r b a nr a i l t r a n s i t a sak i n do fc o m m o ne q u i p m e n to nt h r o a tn e a rm e t r os t a t i o n , c r o s s i n gt r a c k c r o s s o v e rc a nb ej o i n e di nab u t tt ob u t tw a y , a n dt h ef l o o ra r e ac a nb ed e c r e a s e d o b v i o u s l y , s oi t i sw i d e l yu s e di no u rc o u n t r yf o rt h ee x i s t e dr a i l w a ya n dt h er a i l w a yi n c o n s t r u c t i o n a n a l y s i st h er e g u l a r i t ys t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t ，a n dr e s e a r c hd e s i g nt h e o r y a n dm e t h o d ，c a l lb eu s e dt os u p e r v i s et u r n o u td e s i g n , h y i n g ，m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r s o f a r , t h er e g u l a r i t i e so fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o nh a v en o tb e e ns t u d i e d ，s oi nt h i sp a p e r , r e s e a r c hh a sb e e nd o n eo n n o 9s t r a i g h ts w i t c ho f c r o s s i n gt r a c kc l o s $ o v e r a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r o s s i n gt r a c kc r o s s o v e ri n h a l l a s t l e s st r a c ko f v i a d u c ta n dr a i l w a yo nt h eg r o u n di nu r b a nr a i lt r a n s i t ，u s i n gf e mo fb e i j i n gj i a o t o n g u n i v e r s i t y , l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lc o u p l i n gm o d e lo fs t r a i g h ts w i t c hi nc r o s s i n gt r a c k c r o s s o v e ri se s t a b l i s h e d t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fc r o s s i n gt r a c kc r o s s o v e ra r e a n a l y z e d t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t hc r o s s i n gt r a c kc r o s s o v e ri nb a l l a s t l e s st r a c ko n s u b g r a d ea n dt h ec r o s s i n gt r a c kc r o s s o v e ro fe l a s t i cf l e x i b l e c u r v es w i t c h , a n dt h e c o m m o na n dd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o no fc a n c e l l i n gb u f f e r a r e af u rt h ec o n d i t i o no fs t r a i g h ts w i t c ho nb r i d g ei sp r o p o s e d t h em a i ni n f l u e n c i n g a b s t r a c t f a c t o r so ns t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fc r o s s l r l gt r a c kc r o s s o v e ri nb a l l a s t l e s st r a c ko n b r i d g e a r ea n a l y z e d ：r a i l t e m p e r a t u r e ，f a s t e n i n gr e s i a a n c e ，s p a c e rb l o c k , b r i d g e t e m p e r a t u r e ，p i e rs t i f f n e s s ，l a y o u to fb e a r i n g s ，s p a nt y p e s ，e t c ，a n dt e n t a t i v et oa n a l y s i s t h er e a s o no f t h e s er e g u l a r i t y b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，s u g g e s t i o n sa r ep u tf o r w a r d f o rd e s i g no f c r o s s i n gt r a c kc r o s s o v e ri nb a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g e k e y w o r d s ：s t r a i g h ts w i t c h ；s c i s s o r sc r o s s i n g ；f e mm o d e l ；b r i d g e ； t e m p e r a t u r es t r e s s ；d i s p l a c e m e n t c l a s s n o ：u 2 1 3 6 ：u 2 1 3 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：年月日签字日期：年月日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月曰 致谢 本文是在导师高亮教授和副导师张丁盛高级工程师的共同指导下完成的。高 老师严谨的治学态度、渊博的才智学识和科学的工作方法给我留下了深刻的印象， 几年来不断给予我的谆谆教诲使我终生受益，我所取得的每一点进步都与导师的 精心培养是分不开的。张丁盛高工丰富的设计经验和专业知识也深刻地影响了我， 在论文撰写的过程中给予了我大量的指导和帮助。值此论文完成之际，向尊敬的 导师高亮教授致以由衷谢忱，同时衷心地感谢张丁盛高工对我的帮助和鼓励。 在研究生学习阶段的实习期间，得到了北京城建设计研究总院第七设计所的 领导和各位工程师的指导和培养，本文的撰写更是得到了高晓新高级工程师在专 业知识和实际工程经验方面的大量帮助和支持，在此表示深深的谢意。 在本文的完成过程中，得到了陶凯、曲村等同学在资料的收集、专业知识和 有限元方法上的指导；陈鹏、孙大新、史小龙、郝建芳、曲建军等师兄、师姐为 本文提出了宝贵的意见，在此一并表示感谢。 感谢北京交通大学土建学院结构工程研究所陈爱国老师、清华大学土水学院 刘学武博士和西南交通大学陈小平博士在本文的撰写过程中对我的帮助。感谢所 有关心和帮助过我的老师和同学们，感谢母校北京交通大学对我的培育。 特别地，感谢多年来为我的成长倾注了全部心血的爸爸妈妈，他们是我不断 进取的根本动力。 李笑男 2 0 0 7 1 2 于北京交通大学 第1 章绪论 1 1 引言 1 绪论 随着我国国民经济的持续增长，我国已进入城镇化及城市机动化的高速发展 期，城市规模迅速扩大，城市人口猛增，交通量迅速加大，有限的地面道路的扩 展已经不能满足机动车增长的需求。城市轨道交通以其低污染、低能耗、高效率 的运输方式成为大城市走出交通困境的重点战略，并成为许多大城市解决交通问 题的首要选择。 中国第一条城市轨道交通北京地铁1 号线于1 9 6 5 年开始建设，1 9 6 9 年正 式投入运营。之后，直到2 0 世纪9 0 年代前后，我国的现代城市轨道交通才开始 发展。它的起步远远晚于国有铁路，其选用的是被国有铁路实践证明技术成熟， 在一定条件下又可满足城市轨道交通运输的国有铁路标准。其优点是可以直接采 用，无须试验、验证，工厂的制造，现场的铺设及养护维修都有现成的规程、规 范可以执行。但由于城市轨道交通与国有铁路相比较有其特殊性：车辆速度低、 轴重轻、轴距单一、固定轴距小；行车密度大、列车间隔时间小、运营时间长； 要求道岔具有良好的弹性和减振降噪能力：扣件力求简单、方便、可调，有一定 的通用性。由于以上种种原因，为国有铁路设计的规程和标准，经城市轨道交通 多年实际应用，种种不足之处已逐渐显现。为此，有必要结合城市轨道交通的特 点进一步深入研究符合我国城市轨道交通要求的轨道结构形式，为我国城市轨道 交通事业的发展提供便利和保障。 道岔结构是重要的轨道结构之一，我国地铁线路的道岔结构类型，一般有单 开道岔、单渡线和交叉渡线等。按照侧向行车速度的不同，道岔号数分1 2 号、9 号和7 号道岔。由于城市轨道交通的列车运行速度不高，所以在道岔结构类型的 选择上，普遍选用9 号单开道岔作为正线及辅助线的主型道岔，这样既满足了铁 路运营的需要又节省了工程投资费用。目前，我国地铁正线采用的6 0 k g m 钢轨9 号单开道岔尖轨的平面类型有两种：其一为6 4 5 m 直线尖轨道岔，跟端结构为间 隔铁活接头、高锰钢整铸辙叉，导曲线半径为1 8 0 m ，直向容许通过速度为9 5 k m h ， 侧向容许通过速度为3 0 k i n h ；其二为两点牵引、弹性可弯曲线尖轨道岔，跟端结 构为普通夹板联接，高锰钢整铸辙叉，当导曲线半径1 8 0 m 时，侧向容许通过速度 为3 0 k m h ，当导曲线半径2 0 0 m 时，侧向容许通过速度为3 5 k m h 。 两种道岔型式各有优缺点，采用弹性可弯曲线尖轨，道岔全长较直线尖轨道 北京交通大学硕士学位论文 岔短约2 5 m 。尖轨跟端结构为普通夹板联结，尖轨跟端坚固稳定。曲线尖轨冲击 角小于1 。，减少侧向通过时动能损失，列车进入道岔平顺性好，但尖轨较长，约为 1 0 6 m ，又为固定接头，需要两台转辙机；早期道岔现场有尖轨磨耗较大的反映。 采用直线尖轨其道岔主要尺寸与国铁9 号单开道岔相同，直线尖轨长6 4 5 m ， 尖轨跟端采用间隔铁式活接头，用间隔铁保持基本轨与尖轨、导轨的间隔尺寸， 并设内外轨撑与辙跟垫板连结，以保持辙跟不爬行、不跳动”l 。在跟部设双头螺栓 保持间隔铁与夹板的距离，以使尖轨扳动灵活，虽然尖轨跟端不能固定，稳定性 较差，要求速度低，但尖轨耐磨，使用寿命长，扳动力小，只须一点牵引，在城 市轨道交通中大量采用。 疑鲞麓 图1 - 1 间隔铁式活接头 f i g i 一1f r e er a i lj o i n to f l o o s eh e e ls w i t c h 1 2 国内城市轨道交通道岔应用现状 在我国己建和在建地铁与轻轨铺设的道岔中，同一类型、同一号数的道岔因 其结构型式及使用扣件不同而派生出多种道岔。表1 1 为我国地铁与轻轨用单开道 岔一览表口引，可以看到直线尖轨道岔占很大的比例。 表1 - 1 地铁与轻轨用道岔一览表( 单开道岔) t a b l e l lt u r n o u tu s e do ns u b w a ya n dl i g h tr a i l w a y ( s i n g l ep o i n t ) 道 道岔道岔前道岔后导曲线 序 轨型 岔 铺设地点全长部长度部长度半径尖轨特征 尖轨 号号冲击角 数 ( n u n ) ( m m )( m m ) ( r a m ) l6 01 2深圳地铁 3 7 9 0 71 6 8 5 32 1 0 5 43 5 0 7 1 7 5 6 0 a t 弹曲 0 。5 l 。5 5 2 7 ” 26 01 2广州地铁3 7 9 0 71 6 8 5 32 1 0 5 43 5 0 7 1 7 56 0 a t 弹曲0 。5 l 5 5 2 7 ” 3 6 01 2 天津津滨轻轨 3 7 6 1 71 6 5 6 32 1 0 5 43 5 0 7 1 7 56 0 a t 弹曲0 。5 l7 5 5 2 7 ” 46 09深圳地铁 2 9 5 6 91 3 8 3 91 5 7 3 01 8 0 7 1 7 5 6 0 a t 直尖 l 。2 l 。5 6 ” 56 09广州地铁 2 9 5 6 91 3 8 3 91 5 7 3 01 8 0 7 1 7 5 6 0 a t 直尖l 。2 l 5 6 “ 66 09上海明珠轻轨 2 7 0 4 01 0 9 7 31 6 0 6 71 8 0 7 1 7 5 6 0 a t 弹曲1 。0 4 第1 章绪论 76 09上海明珠轻轨2 7 0 4 01 0 9 7 3 1 6 0 6 71 8 0 7 1 756 0 a t 弹曲10 0 4 南京地铁 北京地铁 s6 09 北京地铁八通 2 9 3 2 91 3 5 9 9 1 5 7 3 01 8 0 7 1 7 56 0 a t 直尖1 。2 1 。5 6 ” 线 天津地铁 96 09南京地铁2 9 3 2 9 1 3 5 9 91 5 7 3 01 8 0 7 1 7 56 0 a t 直尖1 。2 1 5 6 ” 1 06 09上海地铁2 7 7 7 31 2 4 0 31 5 7 3 02 0 0 7 1 756 0 a t 弹曲0 。5 9 2 62 ” 1 1 6 09上海轻轨 2 3 6 2 71 1 1 9 41 2 4 3 31 5 0 7 1 755 0 a t 曲尖l 。2 l f l 0 ” 北京地铁八通 线 1 25 0 7南京地铁2 3 6 2 71 1 1 9 41 2 4 3 31 5 0 7 1 7 55 0 a t 曲尖l 。2 l l o ” 天津地铁 深圳地铁 ( 续上表) 尖轨 尖轨前 序 铺设地点长度 基本轨v 直v 侧 扣件轨枕备注 号长度 ( k m h ) ( k m m ) ( m m ) ( m m ) 弹条i i 型地下整体 1深圳地铁1 1 3 0 02 8 5 08 05 0短混凝土枕 分开式道床 地下整体 2广州地铁1 1 3 0 02 8 5 08 05 0扣轨弹簧短混凝土枕 道床 弹条i 型高架整体 3 天津津滨轻轨 1 1 3 0 02 5 6 01 0 04 5短混凝土枕 分开式道床 弹条i i 型地下整体 4 深圳地铁 6 4 5 02 5 6 08 03 0短混凝土枕 分开式 道床 弹条l 型地下整体 5广州地铁6 4 5 02 6 5 0 8 03 0 短混凝土枕 分开式道床 弹条i i 型高架整体 6上海明珠轻轨1 0 5 8 62 6 5 0 8 03 0 短混凝土枕 分开式道床 弹条i i 型 7 上海明珠轻轨 1 0 5 8 62 6 5 08 03 0木岔优碎石道床 分开式 南京地铁 北京地铁 地下整体 86 4 5 02 4 1 08 03 0d t 2短混凝土枕 道床 北京地铁八通线 9南京地铁6 4 5 02 4 1 0 8 03 0d t 2 木岔枕碎石道床 地下整体 1 0上海地铁 1 0 6 0 02 7 0 08 03 5d t 短混凝土枕 道床 北京交通大学硕士学位论文 弹条i 型 l l 上海轻轨4 9 9 02 5 4 08 0 2 5 术岔枕碎石道床 分开式 北京地铁八通线 1 2 南京地铁 5 1 2 02 5 4 08 02 5d t l木岔枕碎石道床 天津地铁 深圳地铁 城市轨道交通中的交叉渡线作为一种常见的道岔设备，主要设置在线路的咽 喉区，是正线和车场的分界线，它可以在很小的范围内实现线路的两两对接，在 很大程度上缩小了占地面积，在我国已建和在建的地铁线路中较多地使用。由于 目前城市轨道交通多为双线铺设，道岔也是成组设置，道岔群、单渡线以及交叉 渡线在线路中占越来越大的比例，分析研究单渡线或交叉渡线的受力变形规律也 就具有越来越重要的意义。表1 2 为我国地铁与轻轨用交叉渡线一览表【3 8 】。 表1 - 2 地铁与轻轨用道岔一览表( 交叉渡线) t a b l e l 一2t u r n o u tu s e do ns u b w a ya n dl i g h tr a i l w a y ( s c i s s o r sc r o s s i n g ) 道 道岔中心 导曲线 交叉渡线 线路中心 道岔前部至辙叉尖线间距序轨 岔 铺设地点全长交叉点间半径 号型号 长度( r a m ) 端距离 ( r a m ) ( m m )距离( m m )( r a m ) 数( r a m ) 16 01 2 深圳地铁 9 3 7 0 66 0 0 0 01 6 8 5 31 7 2 5 03 5 0 7 1 7 55 0 0 0 26 01 2天津津滨轻轨8 8 2 6 6 5 5 2 0 01 6 5 3 31 7 2 8 03 5 0 7 1 7 54 6 0 0 36 09深圳地铁7 2 6 7 84 5 0 0 01 3 8 3 91 2 9 5 51 8 0 7 1 755 0 0 0 46 09广州地铁7 2 6 7 84 5 0 0 01 3 8 3 91 2 9 5 51 8 0 7 1 7 55 0 0 0 56 0 9上海明珠轻轨 6 3 3 0 04 1 4 0 01 0 9 5 01 2 9 7 7 51 8 0 7 1 7 54 6 0 0 6 6 0 9上海明珠轻轨6 3 3 0 04 1 4 0 01 0 9 5 01 2 9 7 751 8 0 7 1 75 4 6 0 0 75 07北京地铁复八线5 7 3 8 83 5 0 0 01 1 1 9 41 0 1 3 i1 5 0 7 1 7 55 0 0 0 85 07南京地铁5 7 3 8 83 1 5 0 01 1 1 9 41 0 1 3 l1 5 0 7 1 7 54 5 0 0 ( 续上表) 道 序轨岔 铺设地点 v 直v 侧 扣件轨枕 备注 号型号 ( k m h )( k m h ) 数 l6 01 2深# ”地铁 8 05 0 弹条i i 型分开式短混凝土枕地下整体道床 26 01 2天津津滨轻轨 1 0 04 5 弹条i 型分开式短混凝土枕高架整体道床 36 09深圳地铁8 03 0弹条i i 型分开式短混凝土枕地下整体道床 46 09广州地铁8 03 0弹性可调短混凝土枕地下整体道床 56 09上海明珠轻轨8 03 0弹条i i 型分开式短混凝土枕高架整体道床 6 6 09 上海明珠轻轨 8 03 0 弹条i i 型分开式 木岔枕碎石道床 75 07北京地铁复八线8 02 5d t l木岔枕碎石道床 85 07南京地铁8 02 5d t l木岔扰碎石道床 4 第1 章绪论 对于无缝道岔，早些年国内还没有较为成功的铺设经验。日本在试验线上铺 设了一段桥上无缝道岔，但没有正式投入运营，我国台湾省也准备在桥上铺设无 缝道岔。近两年随着我国铁路工程事业的发展和轨道结构设计技术的进步，国有 铁路道岔无缝化技术已经成熟，但在城市轨道交通中的应用较少。在2 0 0 7 年深圳 轨道交通4 号线二期工程的建设中，为适应跨区间无缝线路，全线道岔按无缝设 计，采用可焊接高锰钢辙叉，尖轨类型采用的是弹性可弯曲线型尖轨。但对于直 线尖轨道岔是否可以在一定条件下实现无缝化以及无缝化后的受力变形规律的研 究目前还处于初步阶段。 综合以上因素，本文针对城市轨道交通6 0 k g m 钢轨9 号道岔5 m 间距交叉渡 线进行分析研究，尖轨类型采用直线尖轨，除尖轨跟端的活接头外，其余位置均 不设轨缝，计算分析的结果将对城市轨道交通实际工程设计提供一定的理论依据。 1 3 国内外无缝道岔研究理论 道岔无缝化是发展跨区间无缝线路的一项重大技术环节，特别是当轨温相对 于锁定轨温变化时，道岔区钢轨承受的纵向力以及产生的位移，将影响到道岔的 强度和稳定性以及行车的安全性。由于道岔内钢轨接头焊接或胶接，而且道岔两 端与无缝线路长轨条焊连，形成直股和侧股都无轨缝的道岔，所以无缝道岔中钢 轨附加温度力和变形的分析是其设计、铺设和维修的核心和主要难点，关系到跨 区间无缝线路的成败。 国外如欧洲已有部分国家铺设了不少无缝道岔，在铺设与焊接工艺上积累了 不少成熟经验，并发展了一些无缝道岔计算理论，如国际铁道联盟委托欧洲铁道 研究所研究了纵向列车荷载下无缝线路的爬行机理、建立了无缝道岔有限元分析 模型。德国提出基本轨温度力峰值约为固定区温度力的1 2 2 倍，法国在无缝 道岔设计中该值采用1 4 ，日本基于两轨相互作用原理进行计算，认为该比值应该 取1 3 5 较为合理1 4 】。近年来，国内外不少学者都对无缝道岔的受力与变形进行了 试验和研究，发表了一些有关无缝道岔计算的文献，形成了一些无缝道岔计算的 理论，但是由于其力学机理比较复杂，各理论之间的差别较大，因此到目前为止 还没有一套比较统一的理论方法。现将国内外主要计算方法的思路介绍并分析如 下： 1 日本的两轨相互作用原理【5 】1 6 】 日本铁道技术研究所的柳川秀明和三浦重在进行温度力作用下无缝道岔纵向 力分布试验的基础上，提出了计算模型和计算方法。其所选用的计算模型如图1 2 北京交通大学硕士学位论文 所示： 乒1 孵 尖轨根 i j 划。，警立 基本轨 ，二三三e 刍本轨 鼽h 霎i + d 彳p 即 寻- r 虬 图1 - 2 道岔计算模型 f i g 1 2m o d e lo f t u r n o u tc a l c u l a t i o n 在提出计算模型的时候，假设基本轨与道床之间是用弹簧相互联结的，其弹 性系数采用试验所得，选用的道床纵向阻力时考虑了阻力与位移的非线性关系。 在此基础上他们通过对基本轨和导轨间传力，的计算来确定基本轨的附加温度力 及导轨与基本轨间的相对位移。其传力f 由下式确定。 f = k ( 6 3 6 。) 式中：k 约束弹簧系数 6 ，导轨纵向位移 8 基本轨拉伸或压缩变形量 舯耻岛 = 等 4 钢轨断面积； e 钢轨弹性模量； 7 轨道纵向阻力。 在计算f 、8 ，、6 。三个未知量时，可利用所列的三个平衡方程并通过计算机 模拟试算求解。求得f 后，再按基本轨拉压变形量相等( 6 = 8 3 ) 的原则，并结合轨 道阻力y 将f 分配。计算中未考虑导轨在传力过程中首先要将部分纵向力通过 岔枕传递至道床，仅当道床阻力不足以与导轨传来的纵向力相互平衡时，才通过 扣件将剩余的温度力传递至基本轨上，而是将，全部传递至基本轨上。 2 西南交大蔡成标教授的无缝道岔的解析算法【1 1 】【1 2 】【1 3 1 西南交大列车线路研究所蔡成标等教授在参加铁道部科研项目无缝道岔的计 算理论与试验分析研究中，也基于梁轨相互作用原理，建立了无缝道岔的解析算 法，在该理论中认为扣件的扣结阻力大于道床阻力，道岔阻力与枕长成正比，基 6 第1 章绪论 本轨与导轨间的相互作用主要由梁轨问岔枕段的弯曲变形提供。 3 北方交大范俊杰教授的当量阻力系数法【7 l 【8 】【明【l o 】 北方交大范俊杰教授在完成铁道部科研项目无缝道岔的计算理论与试验分析 研究中，基于非线性分析和力图叠加原理，建立了无缝道岔的当量阻力系数法计 算原理，考虑了限位器、间隔铁及岔枕弯曲的传力作用，扣件的极限推移阻力以 及道岔纵向阻力随枕长的变化，并通过求解导轨伸缩位移而计算基本轨的温度附 加力。 4 铁科院卢耀荣研究员等梁轨相互作用原理 3 1 建立了无缝道岔纵向力和位移的非线性阻力计算方法，该理论认为基本轨和 导轨分别处于无缝线路的固定区和伸缩区，两者因相对位移且通过连结件、岔枕 相互作用和约束组成一个力学平衡体系，通过实测导轨、基本轨线路纵向阻力、 辙叉阻力、间隔铁阻力、导轨与基本轨间的相互作用力求解钢轨纵向力及位移。 5 ，中南大学陈秀方等基于广义变分原理的无缝道岔计算理论1 1 5 】1 1 6 】【1 7 】 将轨枕视为纵向连续弹性基础上的有限长梁如图1 3 所示，其位移曲线微分方 程如下： 盟+ 4 v ：4 q ( c ) d e 4 。 k 图l - 3 轨枕受力图 f i g 1 - 3f o r c ed i a g r a mo f s l e e p e r 钢轨和轨枕之间通过扣件的纵向弹簧联结，将广义变分原理应用于铁路无缝 道岔结构体系的分析，在假设钢轨纵向位移函数的基础上，计算了无缝道岔结构 体系各部分的能量，设体系的总势能为 1 - i = u 1 + u 2 + u 3 + u 4 式中：u ，为轨枕弯曲形变位能；为钢轨轴力作用的应变能( 包括基本轨和导 轨) ；以为道床阻力耗散功；u 4 为扣件阻力耗散功。 由势能驻值原理可知，结构体系处于平衡状态时，其势能的一阶变分等于零， 即有 6n=0 北京交通大学硕士学位论文 另外，根据边界条件和变形协调条件建立方程。组成非线性方程组，利用数 值解法求解非线性方程组。 6 兰州铁道学院许实儒教授的固定辙叉无缝道岔超静定结构二次松弛法【1 5 j 通过建立具有3 个节点的无缝道岔力学模型，经二次放松节点约束，递推试 算可得钢轨的受力与变形。 7 郑州铁路局田时超的可动心轨无缝道岔隔离体算法【3 】 根据岔内各钢轨的结构特点取隔离体，由已知条件逐步算出各轨的温度力分 布及端点位移。 8 北京交通大学现有的有限元方法l 1 9 1 其优点是可避免重复的程序编制过程，建模的过程较为简单，计算结果直观 清晰；可以较为圆满地实现三维实体造型有限元仿真结构优化设计等一 系列过程。 1 4 本文的研究方法和内容 本文基于现有的无缝道岔计算理论，结合城市轨道交通的特点，建立桥上 6 0 k g m 钢轨9 号道岔5 o m 间距直线尖轨交叉渡线计算模型，研究分析直线失轨道 岔的受力及变形规律；与路基上直线尖轨交叉渡线的计算结果以及桥上弹性可弯 曲线尖轨交叉渡线的计算结果进行了对比分析，给出取消道岔前后缓冲区的检算 算例，研究了桥上铺设直线型尖轨道岔的可行性，并就其主要影响因素进行了研 究分析，为桥上铺设直线型尖轨无缝交叉渡线提出了建议。 8 第2 章模型的建立与求解 2 1 有限元分析简介 2 模型的建立与求解 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。 它是5 0 年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种 有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等 连续性问题。 有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1 ) 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置，性质、 数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定( 一般情况单元划 分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元 中分析的结构己不是原有的物体或结构物，而是相同材料的由众多单元以一定方 式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果 划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2 ) 单元特性分析 a 、选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力 作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量 时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用 范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物 理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采 用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。 b 、分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵， 这是有限元法的基本步骤之一。 c 、计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对 于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作 9 北京交通大学硕士学何论文 用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是 用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 3 ) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来， 形成整体的有限元方程。 4 ) 求解未知节点位移解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具 体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思 想是一分一合，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。 由美国a n s y s 公司开发的a n s y s 大型通用有限元软件，经过三十余年的发 展，已经成为业界最为流行的分析软件之一。它在结构分析、电磁场分析、立体 力学分析以及耦合场分析方面都有着良好的表现。 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非 线性动态分析。本文将以a n s y s 软件为基础，分析桥上无砟轨道直线尖轨交叉渡 线的伸缩力力学特性。 2 2 直线尖轨交叉渡线有限元模型的建立 在桥上无砟轨道无缝道岔的温度力传递过程中，参与传力作用的主要有钢轨、 轨枕、扣件、间隔铁、螺栓和桥梁等部件，现对各部件利用a n s y s 单元模型分别 进行模拟。此处以在桥上铺设6 0 k g m 钢轨9 号道岔5 0 m 间距交叉渡线为例，将 建模的过程介绍如下。 2 2 1 主要设计参数 1 道岔几何尺寸 道岔几何尺寸依据6 0 k g m 钢轨9 号交叉渡线总布置图确定。交叉渡线结构由 四组6 0 k g m 钢轨9 号单开道岔及一组菱形交叉组合而成，采用6 4 5 m 直线尖轨， 尖轨尖端为藏尖式，跟端采用间隔铁式活接头连接，高锰钢整铸辙又，导曲线半 径为1 8 0 m 。 2 岔枕 按照布置图，采用短枕。 3 扣件 路基上：道岔区内采用d t v l 2 型扣件，扣压力8 2 5 k n ，完全采用橡胶垫板； 1 0 第2 章模型的建立与求解 区间线路采用d t v l 2 1 型扣件，扣压力5 3 k n ， 高架桥上：道岔区内采用d t i i l 2 型弹性分开式无挡肩扣件，国铁弹条i 型， 防爬阻力为1 2 k n 组；区间线路采用d t v l l 2 型小阻力扣件，扣压力4 k n 。 表2 - i 国铁弹条i 型阻力位移关系1 9 1 位移( n u n ) 0 0 2 5 1 0 5 0 7 511 52 阻力( k n 组)0 i 6 79 1 1 0 ，41 1 41 1 91 2 道岔区扣件间距按照交叉渡线总布置图确定，平均间距为o 5 3 9 m ；线路区轨 枕按每公里铺设1 6 0 0 根计，平均扣件间距为o 6 2 5 m 。 4 尖轨跟端结构 跟端采用间隔铁式活接头连接，每侧布置1 块间隔铁。每块间隔铁含5 根双 头螺栓，螺栓直径为2 4 m m 。 5 桥梁 桥上交叉渡线桥梁为1 l 跨3 2 0 m 简支梁，桥梁支座左端固定，右端活动。交 叉渡线位于中间的3 跨桥上，交叉渡线全长7 2 1 9 8 m ，渡线左端尖轨尖端距梁缝的 距离为1 2 0 m ，右端尖轨尖端距梁缝的距离为1 6 9 m 。桥梁支座布置如图2 1 所示； 渡线与桥梁的相对位置如图2 2 所示。 3 23 23 23 2 3 23 23 23 23 23 2 3 2 爨缝中心 图2 1 桥梁支座布置图 f i g 2 - 1a r r a n g e m e n tp l a no f b r i d g ep i e r 集麓中心襞缝中心綦肇中心 图2 - 2 渡线与桥梁的相对位置图 f i g 2 2r e l a t i v ep o s i t i o no f s c i s s o r sc r o s s i n ga n db r i d g e 2 2 2 模型的建立 在无缝道岔的温度力传递过程中，参与传力作用的主要有钢轨、轨枕、扣件、 间隔铁、螺栓等部件，现对各部件利用a n s y s 单元模型分别进行模拟。 1 钢轨 对于钢轨模型，通过c a d 软件绘出钢轨截面形状，然后导入a n s y s 。钢轨 北京交通大学硕士学位论文 材料特性见表2 2 所示。 表2 - 2 钢轨材料特性 l 型号i 截面面积l弹性模量i 热膨胀系数l 泊松比l 6 0 k g m 7 7 4 5c m 2 2 ix 1 0 “n m 21 1 8 x 1 0 。i n l 0 3 将转辙器连杆及拉杆处尖轨与尖轨间的节点横向位移耦合，间隔铁处基本轨 与尖轨的节点横向位移耦合；此外，设计中为减小尖轨与滑床板的摩擦，将滑床 板涂油，故此处暂不考虑尖轨伸缩时与滑床板的摩擦力作用。 2 混凝土岔枕和整体道床 对于无砟轨道线路，岔枕一般分为长枕埋入式和弹性支撑块式，在分析伸缩 力时，考虑到岔枕材料性质