北京地铁梯形轨枕减振材料刚度研究.pdf

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1、垫!堡生筻≥塑【望筮13至期1江亘壅壑——一—————————————：———：壁墅北京地铁梯形轨枕减振材料刚度研究●付昆。白海峰■大连交通大学土木与安全工程学院。辽宁大连116028摘要：根据梯形轨枕结构形式的特点和北京地铁的工程特点，运用有限单元法建立梯形轨枕垂向受力有限元计算模型。通过分析在不同刚度的减振材料条件下，各个工况的梯形轨枕弯矩、梯形轨枕和钢轨的竖向位移情况，确定了梯形轨枕减振材料合理刚度为1000kN／mm。关键词：道路与铁道工程减振材料刚度有限单元法梯形轨枕0引言北京地铁lO号线是北京地铁继2号线以后的第二条环线，全线位于

2、三环路至四环路间，全场57．1km，全部为地下线，为北京地铁线网中非常重要的一条线路。lO号线二期工程采用梯形轨枕，梯形轨枕是近年来由日本工程师开发的新型轨枕，吸收了单块式轨枕保持轨道方向的能力，也吸收了双块式轨枕的特点，两块PC梁之间用钢管连接，增强了保持轨距的能力，设计上初步采用普通预应力钢筋，轻量化设计。本文研究目的是基于有限的工程资料，分析出缺失的轨枕下减振材料的合理刚度值，为lO号线二期工程的减振材料设置提供参考，并得出梯形轨枕结构的力学表现同减振材料刚度的关系。1梯形轨枕无砟轨道几何尺寸参数参考北京地铁lO号线二期轨道工程，可得梯

3、形轨枕的主要几何结构参数如下：(1)梯形轨枕尺寸为6150mm(长)x460mm(宽)×185mm(高)。(2)轨枕下减振材料间隔1．25m，尺寸为460mm(长)×250mm(宽)×25mm(厚)。(3)相对的两单元枕之间用3根FG联结钢管连接，截面尺寸为125mm(长)x75mm(宽)。梯形轨枕设计如图1。61505754Q1250575§+一⋯—缓冲砑稃4。j二Fi市．1”l_．_：．_．T一¨．TT．m、．_毫缸强●i蔓I·妻，i￡：小蹬·i兽蕾82⋯蔽材料+：目隈钢管。。8一业蕊二二乏I!嚣王～二嚣■I～j琢曩一’_：三一___：j

4、+二；1‘1ljf’L～+-‘二』。。上‘‘‘Jl二J巴二二山圈1梯形轨枕设计(单位mffl)2梯形轨枕垂向受力分析2．1计算模型及参数列车设计轮载取单轮300kN，采用有限元方法求解。钢轨与轨枕分别采用BEAM4和BEAMl88梁单元模拟；模拟中忽略扣件与减振材料的非线性，采用二维线性弹簧单元COMBINl4来模拟；为体现仰拱的结构稳定性，将模拟减振材料的弹簧单元COMBINl4下部胶接仰拱的底端模拟为弹簧连接固定端，为了消除边界效应，模型长度取三跨轨枕，选取中间跨梯形轨枕分析。建立好的ANSYS模型如图2。图2梯形轨枕有限兀模型2．2梯形

5、轨枕减振材料分析设计轮载加载于不同位置扣件对应钢轨处，加载工况如图3。保持其他条件不变的情况下改变减振材料的刚度，分析梯形轨枕在不同工况下的力学表现，得出最大弯矩与位移值。选取分析的刚度值依次为200kN／mm、500kN／mm、800kN／mm、1000kN／mm、1500kN／围3梯形轨枕加载工况示意innl?2000kN／mm?5000kN／mm、8000kN／mmj10000kN／mm?12000kN／mffl，经分析不同减振材料刚度条件下不同工况，得出轨枕弯矩上下侧最大受拉弯矩与钢轨、轨枕最大竖向位移总结于表1。表l不同减振材料刚度

6、下轨道结构的弯矩与位移减振材料刚度轨枕最大受拉弯矩(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，梯形轨枕的上侧受拉弯矩大小随减振材料刚度的增大而逐渐增大，轨枕下侧受拉弯矩、钢轨与轨枕的垂向位移随减振材料刚度增大而减小，它们的变化趋势都是逐渐放缓。LL3，轨枕截面惯性矩，n：鲁=2．478×108mm4；耽=品=2．624l‘n／‘X106am3；轨枕所采用的C60混凝土容许应力为20MPa，可得到梯形轨枕纵向最大弯矩为52．48kN·m；一般规定常用列车荷载情况下，钢轨的竖向位移要在1．5mm之内，可以根据此进行相应的对等换算计算出300kN条件下钢轨

8、的竖向位移限度，得到为2．915mm；同时为方便选取材料，选取刚度要尽量小，因此可以选择减振材料刚度为1000kN／mm，纵向最大弯矩与竖向最大位移满足要求，而且上