姚純潔 鄭玄東 肖安鑫

（1.上海申通地鐵集團(tuán)軌道交通培訓(xùn)中心，201102，上海；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，200331，上海／／第一作者，工程師）

鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于彈簧隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量－彈簧隔振系統(tǒng)，列車運(yùn)行引起的軌道振動(dòng)經(jīng)過(guò)彈簧之后才傳到路基，其減振降噪效果較其它形式的軌道結(jié)構(gòu)非常明顯，目前在工程實(shí)際中已廣泛應(yīng)用［1］。

在鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，必須知道浮置板內(nèi)的應(yīng)力、彎矩分布，以此來(lái)確定板內(nèi)鋼筋混凝土的配筋方案，確保必要的承載能力，校核浮置板是否滿足強(qiáng)度要求并確保系統(tǒng)安全；同時(shí)須了解浮置板軌道在車輛荷載作用下鋼軌和浮置板的下沉量，以確定浮置板軌道結(jié)構(gòu)的垂向剛度范圍。本文將利用ANSYS有限元分析軟件建立鋼軌－扣件－浮置板－彈簧支座的三維實(shí)體模型，對(duì)浮置板軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 鋼彈簧浮置板軌道模型建立

1.1 有限元靜力學(xué)分析的參數(shù)

由于浮置板結(jié)構(gòu)中采用的配筋非常密集，而鋼筋結(jié)構(gòu)在混凝土中主要用來(lái)抵消混凝土所承受的拉應(yīng)力，因此鋼筋結(jié)構(gòu)可以采用適當(dāng)?shù)牟此杀群蛷椥阅Ａ縼?lái)代替。

SOLID45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X，Y，Z方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力。該單元類型能夠承受各向表面荷載，因此用其模擬浮置板道床。

浮置板：彈性模量E＝32GPa；容重為2 775kg／m3；泊松比μ＝0.167；長(zhǎng)×寬＝25m×3.2m，其橫斷面幾何尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 鋼彈簧浮置板橫斷面圖（單位：mm）

鋼軌：質(zhì)量 m＝60kg／m；截面面積A＝77.45cm2；截 面 慣 性 矩 Iz＝3 217cm4、Iy＝524cm4；彈性模量E＝210GPa；泊松比μ＝0.3。

扣 件：剛 度 分 別 取 20kN／mm，40kN／mm，60kN／mm。

彈簧支座：剛度分別取6.5kN／mm，8kN／mm，10kN／mm；支座間距分別取1.2m，1.2m ＆1.8m，1.8m。

車輛：?jiǎn)蝹€(gè)靜輪載72.5kN，考慮兩節(jié)車廂，車輛軸距2.5m，前車第4軸和后車第1軸距離3.9m，車輛定距15.7m。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)模型的建立

利用ANSYS有限元軟件建立鋼彈簧浮置板軌道模型（支座間距1.2m＆1.8m）見(jiàn)圖2，模型中浮置板以實(shí)體單元進(jìn)行處理，彈簧支座和扣件用線性彈簧單元模擬，鋼軌以三維梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬［2］。

圖2 浮置板軌道有限元模型

2 鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

為了更近似地對(duì)浮置板軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)受力仿真計(jì)算，采用三塊浮置板軌道進(jìn)行分析。輪載力直接施加在最不利荷載位置，即浮置板端部扣件的上方，以此來(lái)計(jì)算鋼軌和浮置板的垂向位移，以及浮置板的應(yīng)力、彎矩分布和垂向剛度范圍。

2.1 剪力鉸對(duì)浮置板垂向位移的影響分析

剪力鉸是位于相鄰浮置板之間的一種只傳遞剪力而不傳遞彎矩、縱向水平力的錳鋼制件。針對(duì)剪力鉸的抗剪性能，分析在扣件剛度40kN／mm、彈簧支座剛度8kN／mm、支座間距1.2m＆1.8m的工況下，有、無(wú)剪力鉸對(duì)軌面和板端（見(jiàn)圖3）垂向位移的作用影響，計(jì)算結(jié)果如表1。

由表1分析得出，浮置板之間有剪力鉸的情況下，相鄰軌面和板端的垂向位移，相對(duì)沒(méi)有剪力鉸的情況，有所減緩，軌面差值相對(duì)減小0.289 2mm，板端差值相對(duì)減小1.170 2mm，剪力鉸的抗剪作用較為明顯。由此可看出，板兩端設(shè)置的剪力鉸可以有效地限制浮置板過(guò)大的垂向變形，起到使相鄰浮置板接頭垂向位移平順過(guò)渡、避免板端部位“錯(cuò)臺(tái)”使鋼軌承受較大剪力的作用。

圖3 浮置板軌道局部放大

表1 有、無(wú)剪力鉸工況下垂向位移 mm

2.2 彈簧支座間距對(duì)浮置板應(yīng)力、彎矩的影響分析

浮置板在列車荷載作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力、彎矩用來(lái)確定板內(nèi)鋼筋混凝土的配筋方案，并校核浮置板是否滿足強(qiáng)度要求，而支座間距影響著板內(nèi)應(yīng)力、彎矩的大小和分布，本文選取在有剪力鉸、扣件剛度40kN／mm、彈簧支座剛度8kN／mm的工況下，針對(duì)不同的支座間距（1.2m、1.2m ＆1.8m、1.8 m），分析浮置板應(yīng)力、彎矩的變化，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 浮置板應(yīng)力、彎矩計(jì)算結(jié)果

由表2對(duì)比可看出，隨著彈簧支座間距的增大，浮置板的最大應(yīng)力、橫向彎矩最大值和縱向彎矩最大值都相應(yīng)增大。因?yàn)樵龃笾ёg距，相當(dāng)于減小了浮置板的豎向支撐剛度，從而增大了列車荷載作用下的浮置板撓曲程度，導(dǎo)致應(yīng)力、彎矩的增大［3－4］。

2.3 鋼軌扣件和彈簧支座剛度變化對(duì)浮置板受力影響分析

鋼軌扣件和彈簧支座作為浮置板軌道結(jié)構(gòu)的彈性豎向支撐裝置，其剛度變化直接影響著浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪效果，研究確定適當(dāng)?shù)目奂?、支座剛度有利于提高浮置板軌道的運(yùn)用性能。本文分析在有剪力鉸、支座間距1.2m＆1.8m的工況下，不同扣件剛度和不同彈簧支座剛度變化對(duì)浮置板軌道結(jié)構(gòu)受力的作用影響［3－4］，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 剛度對(duì)比分析

由表3計(jì)算結(jié)果可看出在支座剛度6.5kN／mm，扣件剛度20kN／mm的工況下，對(duì)應(yīng)的軌面最大下沉量為5.69mm，浮置板最大下沉量為4.68mm。

2.3.1 彈簧支座剛度變化作用影響分析

當(dāng)扣件剛度不變（取40kN／mm），支座剛度增加時(shí)，軌面和浮置板的最大下沉量減小較為明顯（見(jiàn)圖4），浮置板橫向壓應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力、縱向壓應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力、豎向拉應(yīng)力也相應(yīng)減小，而豎向壓應(yīng)力則相對(duì)增加（見(jiàn)圖5）。

圖4 支座剛度變化與軌面和浮置板最大下沉量的關(guān)系曲線

圖5 支座剛度變化與浮置板最大應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.3.2 扣件剛度變化作用影響分析

當(dāng)支座剛度不變（取8kN／mm），扣件剛度增加時(shí)，軌面最大下沉量相應(yīng)減小，而浮置板最大下沉量變化很?。ㄒ?jiàn)圖6），浮置板橫向壓應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力、縱向壓應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力、豎向拉應(yīng)力變化也相對(duì)較?。ㄒ?jiàn)圖7）。

圖6 扣件剛度變化與軌面和浮置板最大下沉量的關(guān)系曲線

圖7 扣件剛度變化與浮置板最大應(yīng)力的關(guān)系曲線

對(duì)比分析可知，彈簧支座剛度和扣件剛度的變化對(duì)浮置板軌道結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果有很大影響?？奂?、彈簧具有一定的剛度，會(huì)影響到軌下剛度的大小，從而影響輪軌力的大小，同時(shí)在受到列車輪軌力的作用下緩解輪軌沖擊的變形量，該變形量的大小，影響到浮置板的彎矩大小和應(yīng)力分布，對(duì)浮置板的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核產(chǎn)生很大影響。

由于浮置板軌道結(jié)構(gòu)受到列車荷載作用會(huì)發(fā)生一定的豎向變形并產(chǎn)生一定的撓度，加上浮置板上表面距離其中性層較遠(yuǎn)，因此在上表面產(chǎn)生較大的橫向壓應(yīng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)，彈簧支座剛度小，浮置板相對(duì)普通軌道結(jié)構(gòu)垂向撓曲度大，設(shè)置剪力鉸有效地減小了板端軌道的不平順，避免了鋼軌因剪力大發(fā)生斷裂等危害；彈簧支座間距增大，浮置板下沉量最大值、應(yīng)力最大值和彎矩最大值也增大。彈簧支座剛度增大，軌面和浮置板下沉量相對(duì)減少，對(duì)浮置板縱向拉、壓應(yīng)力影響較大?？奂偠葘?duì)軌面最大下沉量影響較大，對(duì)浮置板最大下沉量影響很小，對(duì)浮置板應(yīng)力影響較小。因此，鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮剪力絞設(shè)置，合理選擇支座間距、扣件剛度和彈簧支座剛度，從而提升列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性和旅客乘坐的舒適性。

［1］姚京川，楊宜謙，孫寧.浮置板式軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展［J］.中國(guó)鐵路，2003（7）：1.

［2］張紅松，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0有限元分析從入門到精髓［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］TB 10082—2005鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.