庫內(nèi)

地鐵車輛段庫內(nèi)預(yù)留立柱鋼軌固定支架結(jié)構(gòu)

力學(xué)性能分析

215100

摘要：針對(duì)地鐵車輛段庫內(nèi)預(yù)留立柱施工難度大、效率低、時(shí)間長等這一現(xiàn)狀，開發(fā)

了一種新的鋼軌固定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼軌精準(zhǔn)固定和支撐。采用有限元法對(duì)鋼軌固定支架結(jié)構(gòu)力

學(xué)性能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：（1）支撐架在支撐鋼軌時(shí)不會(huì)發(fā)生材料屈服

現(xiàn)象；（2）支撐架不會(huì)發(fā)生細(xì)長桿屈曲現(xiàn)象；（3）支撐架在受力時(shí)不會(huì)發(fā)生傾覆失穩(wěn)。通

過力學(xué)性能分析研制了鋼軌固定支架結(jié)構(gòu)的可靠性和可行性。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛段；預(yù)留線軌道；庫內(nèi)立柱檢查坑；鋼軌固定支架

0前言

眾所周知，城市軌道交通工程車輛段建設(shè)考慮長遠(yuǎn)運(yùn)營情況會(huì)在車輛段庫內(nèi)預(yù)留股道，

一般情況下預(yù)留立柱檢查坑立柱由土建完成，預(yù)留的主要內(nèi)容有系統(tǒng)工程安裝，如軌道、供

電、信號(hào)等，在庫內(nèi)立柱檢查坑整體道床范圍內(nèi)預(yù)留立柱，后期進(jìn)行軌道、供電、信號(hào)等系

統(tǒng)工程施工。由于城市發(fā)展需要需增加運(yùn)營車輛數(shù)量，為了保證運(yùn)營車輛在不運(yùn)營情況下有

位置停放，建設(shè)單位需進(jìn)行預(yù)留工程施工,預(yù)留庫內(nèi)軌道施工由于無現(xiàn)有鋼軌固定方式，即

需開發(fā)鋼軌固定技術(shù)并對(duì)支架進(jìn)行受力結(jié)構(gòu)性能分析。

1有限元分析模型的建立

根據(jù)地鐵預(yù)留軌道施工要求，采用SolidWorks軟件對(duì)施工工況模型進(jìn)行三維建模和有

限元分析，對(duì)鑿除預(yù)留立柱混凝土前后的鋼軌進(jìn)行自然受力分析，主要以靜應(yīng)力分析為主，

同時(shí)對(duì)鑿除預(yù)留立柱混凝土后的鋼軌固定支撐架進(jìn)行穩(wěn)定性分析，包括靜應(yīng)力分析、屈曲分

析和傾覆力矩計(jì)算。

2鋼軌自然受力分析

根據(jù)地鐵車輛段預(yù)留立柱檢查坑圖紙，建立使用預(yù)留立柱支撐鋼軌的簡化模型。

2.1預(yù)留立柱混凝土鑿除前

以鑿除預(yù)留立柱混凝土前的鋼軌作為研究對(duì)象，分析其自然狀態(tài)下的受力狀況：取25m

長的單根60kg/m鋼軌為分析對(duì)象，鋼軌在自然狀態(tài)下僅受自身重力載荷影響，其兩端截面

視為固定約束，鋼軌底部與扣件接觸的部分視為滑動(dòng)約束。

采用SolidWorks靜應(yīng)力分析，對(duì)鋼軌模型基于曲率和4點(diǎn)雅克比結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，生成

節(jié)點(diǎn)總數(shù)281953、單元總數(shù)154572的有限元分析模型。

經(jīng)求解器迭代計(jì)算后，鋼軌受力分析的節(jié)點(diǎn)其最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為3.463X105Pa，相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)

小于鋼軌屈服應(yīng)力450MPa。鋼軌受力分析的節(jié)點(diǎn)位移最大節(jié)點(diǎn)位移約為0.001mm。經(jīng)選取隨

機(jī)連續(xù)兩立柱間的懸空鋼軌底部中心節(jié)點(diǎn)作為探測(cè)對(duì)象，位移平均值為0.001mm。

綜上所述，地鐵車輛段預(yù)留立柱混凝土鑿除前鋼軌自然受力不會(huì)發(fā)生材料屈服現(xiàn)象。

2.2預(yù)留立柱混凝土鑿除后

當(dāng)預(yù)留立柱混凝土鑿除后，采用鋼軌固定支架和對(duì)稱斜拉裝置固定鋼軌在立柱上，鋼軌

固定支架由兩個(gè)支撐架和一根方木組成，每間隔3根預(yù)留立柱位置放置一副，即：每副固定

支架間距4.2m。

在鑿除預(yù)留立柱混凝土后，墊板、彈條、螺旋道釘?shù)瓤奂匀还潭ㄔ阡撥壣希撥壊捎?/p>

支撐架和方木支撐固定，兩鋼軌間距依靠軌距拉桿來保證，由于整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可以取單根

25米長的鋼軌作為研究對(duì)象，鋼軌受到自身重力載荷、方木重量和墊板、彈條、螺旋道釘

等扣件重量影響，設(shè)置鋼軌兩端為固定約束，軌距拉桿位置為滑動(dòng)約束，鋼軌與固定支架接

觸的方木位置視為滑動(dòng)約束。

采用SolidWorks靜應(yīng)力分析，對(duì)鋼軌模型基于曲率和4點(diǎn)雅克比結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，生成

節(jié)點(diǎn)總數(shù)322236、單元總數(shù)178864的有限元分析模型。

經(jīng)求解器迭代解算后，鋼軌的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，其中最大應(yīng)力為3.612X106Pa，相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于

鋼軌屈服應(yīng)力450MPa，最大節(jié)點(diǎn)位移約為0.088mm。選取各固定支架上的方木與鋼軌底部接

觸面計(jì)算支反力，其中固定支架所受最大支反力為2640N，

綜上所述，地鐵車輛段預(yù)留立柱混凝土鑿除前鋼軌自然受力不會(huì)發(fā)生材料屈服現(xiàn)象。

3支架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

當(dāng)預(yù)留立柱混凝土鑿除后，鋼軌采用固定支架和軌距拉桿進(jìn)行固定，其中固定支架由兩

個(gè)支撐架和一根方木組成，支撐架主材料采用45鋼，支撐架結(jié)構(gòu)如圖1所示，固定支架如

圖2所示，固定支架間距4.2m，其施工簡化模型，如圖3所示。

圖1支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2固定支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖3固定支架支撐鋼軌施工簡化模型

固定支架在支撐鋼軌時(shí)，以支撐架為研究對(duì)象，固定支架所受最大壓力為2640N，其中

方木尺寸為2000X100X100mm3，重量約為6Kg，作用在支撐架頂部槽鋼凹槽位置，同時(shí)考慮

支撐架自身重力影響，支撐架的長腿角鋼和短腿角鋼底部采用固定約束，其余各部件采用焊

接固定接觸。支撐架使用時(shí)調(diào)整螺母使支撐架承受鋼軌所有荷載，使墊板、彈條、螺旋道釘

等扣件剛好離地，此時(shí)支撐架受力最大。

3.1支撐架靜應(yīng)力分析

采用SolidWorks對(duì)支撐架結(jié)構(gòu)采用靜應(yīng)力分析，考慮支撐架失效是由于達(dá)到材料屈服

強(qiáng)度，對(duì)支撐架基于曲率和4點(diǎn)雅克比結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，生成節(jié)點(diǎn)總數(shù)123560、單元總數(shù)

59086的有限元分析模型。

經(jīng)求解器迭代計(jì)算后，支撐架的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖4所示，其中最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為

3.566X107Pa，相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支撐架材料（45鋼）屈服應(yīng)力355MPa。支撐架的節(jié)點(diǎn)位移云圖

如圖5所示，其中最大節(jié)點(diǎn)位移為0.106mm。選取支撐架與道床接觸面計(jì)算支撐架各支腿支

反力，分別為732N、731N、739N、728N，各支反力合力與加載載荷大小一致。支撐架的安

全系數(shù)圖如圖6所示，其中最小安全系數(shù)為6.564。

圖4支撐架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖5支撐架節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖6支撐架安全系數(shù)圖

綜上所述，支撐架在支撐鋼軌時(shí)不會(huì)發(fā)生材料屈服現(xiàn)象。

3.2支撐架屈曲分析

在使用支撐架支撐鋼軌時(shí)，由于支撐架內(nèi)部存在細(xì)長桿件結(jié)構(gòu)，需要考慮細(xì)長桿發(fā)生結(jié)

構(gòu)扭曲失穩(wěn)現(xiàn)象，采用SolidWorks對(duì)支撐架進(jìn)行屈曲分析，對(duì)支撐架基于曲率和4點(diǎn)雅克

比結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，生成節(jié)點(diǎn)總數(shù)78900、單元總數(shù)38301的有限元分析模型。

經(jīng)求解器迭代計(jì)算后，支撐架的一階模式振幅云圖如圖7所示，其中最大節(jié)點(diǎn)振幅為

0.005mm。支撐架的二階模式節(jié)點(diǎn)振幅云圖如圖8所示，其中最大節(jié)點(diǎn)位移為0.004mm。支

撐架屈曲分析節(jié)點(diǎn)各階模式安全系數(shù)。支撐架的安全系數(shù)取一階模式下屈曲安全系數(shù)為

41.41，屈曲安全系數(shù)大于1，所施加的載荷小于同樣工況下的臨界載荷估計(jì)值，且不會(huì)發(fā)

生細(xì)長桿屈曲現(xiàn)象。

圖7支撐架屈曲分析節(jié)點(diǎn)一階模式振幅云圖

圖8支撐架屈曲分析節(jié)點(diǎn)二階模式振幅云圖

綜上所述，支撐架在同樣的受力情況下，屈曲安全系數(shù)取41.41，強(qiáng)度安全系數(shù)為

6.564，強(qiáng)度安全系數(shù)小于屈曲安全系數(shù)，因此支撐架在受力過程屈曲不作為變形主導(dǎo)作

用，且在該工況下的受力中，支撐架不會(huì)發(fā)生細(xì)長桿屈曲現(xiàn)象。

3.3支撐架傾覆分析

在上述鋼軌支撐和支撐架靜應(yīng)力分析中，已知：支撐架外部施加載荷

F=2640+58.8N=2698.8N，自身重力G=22.5X9.8N=220.5N，傾覆力矩為M1，抗傾覆力矩為

M2，短支腿傾覆線與長支腿傾覆線在X方向上距離La=486.5mm，短支腿傾覆線與中截面距

離Lb=214.6mm，長支腿傾覆線與中截面距離Lc=271.9mm，短支腿與長支腿底面高差

h=288.4mm。

1.以支撐架短支腿為傾翻線

傾覆力矩：

M1=FXLb+(FCX+FDX)Xh=653.6N.m

抗傾覆力矩：

M2=(FCZ+FDZ)XLa=708.8N.m>傾覆力矩M1。

故，支撐架不會(huì)發(fā)生以短支腿為傾翻線的傾覆失穩(wěn)。

2.以支撐架長支腿為傾翻線

傾覆力矩M1=FXLc=733.8N.m

抗傾覆力矩M2=(FAZ+FBZ)XLa+|FAX+FBX|Xh=786.2N.m>傾覆力矩M1

故，支撐架不會(huì)發(fā)生以長支腿為傾翻線的傾覆失穩(wěn)。

綜上所述，支撐架在受力時(shí)不會(huì)發(fā)生傾覆失穩(wěn)。

4結(jié)論

在開發(fā)地鐵車輛段預(yù)留立柱施工技術(shù)基礎(chǔ)上，采用有限元法對(duì)鋼軌固定支架結(jié)構(gòu)力學(xué)性

能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：（1）支撐架在支撐鋼軌時(shí)不會(huì)發(fā)生材料屈服現(xiàn)象；

（2）支撐架不會(huì)發(fā)生細(xì)長桿屈曲現(xiàn)象；（3）支撐架在受力時(shí)不會(huì)發(fā)生傾覆失穩(wěn)。通過力學(xué)

性能分析研制了鋼軌固定支架結(jié)構(gòu)的可靠性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐明發(fā)等《一種用于鋼軌車輛段預(yù)留立柱支撐架裝置》，專利號(hào)：

2.1，2017.

[2]徐明發(fā)等《一種地鐵車輛段預(yù)留立柱檢查坑軌道施工方法》，專利號(hào)：

2.7，2017.

第一

通訊

資助項(xiàng)目：中鐵上海工程局集團(tuán)科技項(xiàng)目（SH-2019-引導(dǎo)-06）

-全文完-