北京地鐵梯形軌枕減振材料剛度研究.pdf

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1、墊!堡生筻≥塑【望筮13至期1江亙壅壑——一—————————————：———：壁墅北京地鐵梯形軌枕減振材料剛度研究●付昆。白海峰■大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院。遼寧大連116028摘要：根據(jù)梯形軌枕結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)和北京地鐵的工程特點(diǎn)，運(yùn)用有限單元法建立梯形軌枕垂向受力有限元計(jì)算模型。通過(guò)分析在不同剛度的減振材料條件下，各個(gè)工況的梯形軌枕彎矩、梯形軌枕和鋼軌的豎向位移情況，確定了梯形軌枕減振材料合理剛度為1000kN／mm。關(guān)鍵詞：道路與鐵道工程減振材料剛度有限單元法梯形軌枕0引言北京地鐵lO號(hào)線是北京地鐵繼2號(hào)線以后的第二條環(huán)線，全線位于

2、三環(huán)路至四環(huán)路間，全場(chǎng)57．1km，全部為地下線，為北京地鐵線網(wǎng)中非常重要的一條線路。lO號(hào)線二期工程采用梯形軌枕，梯形軌枕是近年來(lái)由日本工程師開(kāi)發(fā)的新型軌枕，吸收了單塊式軌枕保持軌道方向的能力，也吸收了雙塊式軌枕的特點(diǎn)，兩塊PC梁之間用鋼管連接，增強(qiáng)了保持軌距的能力，設(shè)計(jì)上初步采用普通預(yù)應(yīng)力鋼筋，輕量化設(shè)計(jì)。本文研究目的是基于有限的工程資料，分析出缺失的軌枕下減振材料的合理剛度值，為lO號(hào)線二期工程的減振材料設(shè)置提供參考，并得出梯形軌枕結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)同減振材料剛度的關(guān)系。1梯形軌枕無(wú)砟軌道幾何尺寸參數(shù)參考北京地鐵lO號(hào)線二期軌道工程，可得梯

3、形軌枕的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：(1)梯形軌枕尺寸為6150mm(長(zhǎng))x460mm(寬)×185mm(高)。(2)軌枕下減振材料間隔1．25m，尺寸為460mm(長(zhǎng))×250mm(寬)×25mm(厚)。(3)相對(duì)的兩單元枕之間用3根FG聯(lián)結(jié)鋼管連接，截面尺寸為125mm(長(zhǎng))x75mm(寬)。梯形軌枕設(shè)計(jì)如圖1。61505754Q1250575§+一?—緩沖砑稃4。j二Fi市．1”l_．_：．_．T一¨．TT．m、．_毫缸強(qiáng)●i蔓I·妻，i￡：小蹬·i獸蕾82?蔽材料+：目隈鋼管。。8一業(yè)蕊二二乏I!囂王～二囂■I～j琢曩一’_：三一___：j

4、+二；1‘1ljf’L～+-‘二』。。上‘‘‘Jl二J巴二二山圈1梯形軌枕設(shè)計(jì)(單位mffl)2梯形軌枕垂向受力分析2．1計(jì)算模型及參數(shù)列車設(shè)計(jì)輪載取單輪300kN，采用有限元方法求解。鋼軌與軌枕分別采用BEAM4和BEAMl88梁?jiǎn)卧M；模擬中忽略扣件與減振材料的非線性，采用二維線性彈簧單元COMBINl4來(lái)模擬；為體現(xiàn)仰拱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將模擬減振材料的彈簧單元COMBINl4下部膠接仰拱的底端模擬為彈簧連接固定端，為了消除邊界效應(yīng)，模型長(zhǎng)度取三跨軌枕，選取中間跨梯形軌枕分析。建立好的ANSYS模型如圖2。圖2梯形軌枕有限兀模型2．2梯形

5、軌枕減振材料分析設(shè)計(jì)輪載加載于不同位置扣件對(duì)應(yīng)鋼軌處，加載工況如圖3。保持其他條件不變的情況下改變減振材料的剛度，分析梯形軌枕在不同工況下的力學(xué)表現(xiàn)，得出最大彎矩與位移值。選取分析的剛度值依次為200kN／mm、500kN／mm、800kN／mm、1000kN／mm、1500kN／圍3梯形軌枕加載工況示意innl?2000kN／mm?5000kN／mm、8000kN／mmj10000kN／mm?12000kN／mffl，經(jīng)分析不同減振材料剛度條件下不同工況，得出軌枕彎矩上下側(cè)最大受拉彎矩與鋼軌、軌枕最大豎向位移總結(jié)于表1。表l不同減振材料剛度

6、下軌道結(jié)構(gòu)的彎矩與位移減振材料剛度軌枕最大受拉彎矩(kN·m)垂向最大位移(mm)(kN／mm)下翻羹拉插麓羹拉20024．16711．6763．3591．07750019．45316．0232．906O．59280017．75517．5072．7840．466100017．11318．0292．743o．422150016．18518．7682．6860．362200015．68519．22．6580．33050【)o14．71520．0122．608O．”2800014．45820．2232．595O．2581000014．3720．29

7、42．5910．2531200014．31l20．3422．588O．25由表1可知，梯形軌枕的上側(cè)受拉彎矩大小隨減振材料剛度的增大而逐漸增大，軌枕下側(cè)受拉彎矩、鋼軌與軌枕的垂向位移隨減振材料剛度增大而減小，它們的變化趨勢(shì)都是逐漸放緩。LL3，軌枕截面慣性矩，n：魯=2．478×108mm4；耽=品=2．624l‘n／‘X106am3；軌枕所采用的C60混凝土容許應(yīng)力為20MPa，可得到梯形軌枕縱向最大彎矩為52．48kN·m；一般規(guī)定常用列車荷載情況下，鋼軌的豎向位移要在1．5mm之內(nèi)，可以根據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)等換算計(jì)算出300kN條件下鋼軌

8、的豎向位移限度，得到為2．915mm；同時(shí)為方便選取材料，選取剛度要盡量小，因此可以選擇減振材料剛度為1000kN／mm，縱向最大彎矩與豎向最大位移滿足要求，而且上