无砟轨道下部结构整体刚度对无缝道岔的纵向力影响
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摘要:无砟轨道无缝道岔是一种适应于客运专线发展要求的道岔结构形式,越来越多应用于跨区间无缝线路和客运专线。但是,我国新型道岔结构计算理论还不完善,不能满足当前跨区间无缝线路和客运专线快速发展的要求。运用ANSYS有限元软件建模,研究无砟轨道无缝道岔下部结构整体刚度的合理取值,以保证结构设计经济、合理。
中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-078-02
我国的双块式无砟轨道道床为现场浇筑,道床板与底座宽度设计合理,适用范围较广。双块式无砟轨道的基础为水硬性混凝土支撑层,它采用双块式轨枕,每组轨枕块下依靠两个钢筋桁架支撑,先现场浇筑混凝土支撑层,待轨枕块精确定位后再浇筑混凝土轨道板,轨枕上安有高弹性胶垫,并与轨道板整体相连。
我国无缝线路的发展经历了普通无缝线路、区间超长无缝线路和跨区间无缝线路三个阶段。无缝道岔则是跨区间无缝线路的关键技术。从1996年第一代无缝道岔开始,我国的无缝道岔设计理论就已经建立,为以后无缝道岔的改进提供了强有力的技术保障。我国的12号可动心轨无缝道岔,在尖轨、心轨断面和线形上逐渐得到优化,并最终形成了比较合理的道岔结构。
在无缝道岔中,为限制尖轨尖端的伸缩位移,在尖轨跟部的基本轨和尖轨轨腰上安置数个限位器,将道岔里侧钢轨的温度力传递给外侧基本轨,限位器的活动间隙为士7mm。可动心轨道岔采用长翼轨结构,长短心轨末端与翼轨间采用双孔间隔铁与高强度螺栓联接,区间温度力能通过间隔铁传递给翼轨,并继续向道岔连接钢轨传递,使心轨的位移得到有效控制。
1计算模型
本文应用ANSYS有限元通用软件建模,以我国12号单开道岔为例进行分析,直侧股均焊接,线路无爬行。为使模型功能强、精度高,同时又不使道岔模型过于复杂,把钢轨作为梁单元处理;扣件、限位器和间隔铁均采用非线性弹簧单元模拟;由于扣件横向刚度很大,只考虑道岔的纵向运动;论文只研究钢轨以下的轨道结构的整体刚度,因此只用一实体模型简化轨道下部结构,通过对模型的弹性模量的变化来反映下部结构整体刚度的变化。此模型中,钢轨、扣件和下部结构之间通过节点位移纵向耦合连接;限位器、间隔铁和钢轨之间通过节点位移耦合相连;钢轨和下部结构两端用刚度较大的线性弹簧固定。模型如下图1所示。
图1道岔模型
2计算参数的选取
本文以60kg/m钢轨12号可动心轨无缝道岔为例进行计算,模型采用弹条 型扣件,由于扣件扭矩不大,所以不考虑扣件扭矩的影响,扣件非线性纵向阻力采用常阻力12.5kN;限位器和间隔铁均采用一组弹簧来模拟,它们的纵向阻力采用实测数据(如下表1和2),限位器子母块间隙为7mm;取铺设时道岔与区间线路锁定轨温一致,最大轨温变化幅度 t为50C;钢轨截面A为77.45cm2,弹性模量E为2.1011N/m2,线膨胀系数 为11.80-6/C;扣件间距取为0.6m;道岔导曲线半径为350.7175m。
模型不考虑下部结构温度力的作用,只考虑下部结构的刚度对无缝道岔纵向力的影响。
表1限位器子母块位移测试值
表2间隔铁联接钢轨位移测试值
4计算工况
本文在轨温变化幅度50C的条件下,分别计算下部实体模型的弹性模量E为1010N/m2、5010N/m2、10010N/m2、50010N/m2、100010N/m2和200010N/m2时道岔尖轨尖端的最大位移量、基本轨的最大附加温度力、限位器和间隔铁的受力大小。
5计算结果
在上述工况下,有限元模型计算结果如下表3
表 3不同工况下模型计算结果
6结论
通过上述的计算分析可以得出如下结论。
(1)无砟轨道结构中,下部结构的刚度对尖轨尖端位移影响不大,随着刚度增加略有减小。
(2)无砟轨道结构中,下部结构的刚度在1010N/m2～5010N/m2之间变化时,对基本轨的附加力影响较大,基本轨的最大附加力随下部刚度的增加而明显下降;当刚度大于5010N/m2时,基本轨附加力受下部结构刚度的影响较小,随刚度增加略有下降量。
(3)下部结构刚度在1010N/m2～5010N/m2之间变化时,限位器和间隔铁的受力大小受下部结构刚度影响较大,随下部刚度的增加而增加;当刚度大于5010N/m2时,限位器和间隔铁的受力大小受下部结构刚度影响较小,随刚度增加略有增加。
7 结束语
由以上结论可知,无砟轨道上无缝道岔的下部结构刚度在1010N/m2～5010N/m2之间变化时,对无缝道岔的受力影响较大,下部结构的刚度增加会减小基本轨所受的附加温度力,但是会增大限位器及间隔铁的受力,对辙跟和心轨跟端结构受力不利。因此,无砟轨道上无缝道岔的下部结构整体刚度应综合考虑基本轨和限位器、间隔铁的受力条件,在1010N/m2～5010N/m2范围内合理取值。
参考文献:
[1]何华武.无碴轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.
[2]李成辉.轨道[M].成都:西南交通大学出版社,2005,4.
[3]王平,刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法[M].成都:西南交通大学出版社,2007,12.