现代有轨电车轨道结构受力分析

现代有轨电车轨道结构受力分析
王敏
【摘要】现代有轨电车建设在我国国内方兴未艾,因此,有必要对有轨电车轨道结构的受力特点进行分析.通过建立有轨电车轨道结构有限元分析模型,分析独立路权和
混合路权下有轨电车的轨道板弯矩值,研究其受力特点,然后进行轨道板配筋计算.结果表明:混合路权下有轨电车轨道板需增加配筋,以满足配筋抗弯的设计要求.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2019(016)004
【总页数】4页(P89-92)
【关键词】有轨电车;轨道结构;ANSYS有限元分析;配筋设计
【作者】王敏
【作者单位】苏交科集团股份有限公司,南京210017
【正文语种】中文
【中图分类】U213.2+13
近年来，现代有轨电车作为一种新型公共交通方式，在我国迅速发展起来。

目前，许多城市已经运营有轨电车，如上海、天津、沈阳、南京、苏州和广州等地［1］。

轨道结构是现代有轨电车的基础结构，许多城市采用埋入式轨道作为现代有轨电车在市区的主要轨道形式，其安全性能直接关系到现代有轨电车的运行安全，因此，有必要对现代有轨电车轨道结构的力学特性进行研究。

现代有轨电车分为独立路权和混合路权两种形式。

独立路权下，轨道结构承受列车荷载作用;混合路权下，轨道结构不仅承受列车荷载作用，而且承受来自道路交通荷载的作用。

国际上普遍采用有限元分析法对传统铁路的轨道结构进行力学分析，现代有轨电车轨道结构力学模型与传统铁路轨道结构力学模型有相似之处，故可借鉴传统铁路的有限元分析方法，研究独立路权和混合路权下现代有轨电车轨道结构受力对轨道板配筋抗弯的影响。

1 现代有轨电车轨道结构有限元分析模型的建立
1.1 模型建立原理
由于现代有轨电车轨道结构各承载层的厚度远小于其长度和宽度，而其在荷载作用下的挠度远小于其厚度，因此，本文采用ANSYS有限元软件选取槽型有轨电车作为模型实体依据进行仿真分析。

模型由上往下依次为钢轨、扣件、轨道板、橡胶垫和基础板。

其中，钢轨采用弹性点支承梁形式模拟，扣件采用线性弹簧模拟，轨道板、橡胶垫和基础板则采用实体模型模拟。

建模原则是在保证仿真计算结果正确的前提下，使模型尽可能简单［2］。

槽型轨道结构模型示意图如图1所示。

图1 槽型轨道结构模型示意图
1.2 单元类型的选取
模型钢轨采用三维弹性梁单元Beam4进行模拟;扣件采用线性弹簧Combin14进行模拟;轨道板、橡胶垫和基础板采用实体单元Solid45进行模拟。

1.3 计算参数
现代有轨电车轨道结构中的钢轨采用城市轨道交通中常用的60 kg/m槽型轨，钢轨的横截面面积为7.745 ×10-3m2，水平轴惯性矩为3.217 ×10-5m4，高度为0.176 m［3］。

轨道结构弹簧单元和材料单元各组成部分参数分别如表1、表2所示。

表1 轨道结构弹簧单元各组成部分参数
表2 轨道结构材料单元各组成部分参数
1.4 有限元模型的建立
采用映射网络进行划分，建立现代有轨电车钢弹簧浮置板有限元模型。

现代有轨电车轨道结构模型如图2所示。

图2 现代有轨电车轨道结构模型
2 独立路权下现代有轨电车轨道结构模型分析
独立路权下，现代有轨电车轨道结构承受列车的荷载作用，利用有限元软件分析轨道板弯矩，以此设计轨道板配筋。

其中，公路及现代有轨电车荷载参数如表3所示［2］。

表3 公路及现代有轨电车荷载参数
2.1 荷载分析
独立路权下，轨道结构主要承受列车荷载作用，以法国新一代双系列列车式有轨电车Daulis为例，其轴重示意图如图3所示，列车在轨道板上的受力点间距为1.8 m、7.2 m 和1.8 m，荷载为122 kN［4-5］。

图3 Daulis有轨电车轴重示意图(单位:mm)
2.2 轨道结构受力分析
独立路权下，选取同一轨道板上的4个典型位置，对轨道结构在列车行驶时的受力和变形特点进行分析。

选取位置1:轨道板起点处;位置2:进入轨道板1/3处;位置3:进入轨道板2/3处;位置4:轨道板终点处。

现代有轨电车荷载轨道结构受力示意图如图4所示。

图4 现代有轨电车荷载轨道结构受力示意图
采用ANSYS有限元通用处理器计算模型的受力结果，可得典型位置处有轨电车轨道板的有限元应变云图，如图5 所示［6］。

图5 典型位置处有轨电车轨道板的有限元应变云图
2.3 弯矩分析
独立路权下，2.1节所述典型位置处轨道板的横向弯矩对比如图6所示，典型位置处轨道板的纵向弯矩对比如图7所示。

独立路权下轨道板的弯距最值如表4所示。

图6 典型位置处轨道板的横向弯矩对比
图7 典型位置处轨道板的纵向弯矩对比
由图6、图7及表4可知，独立路权下，轨道板横向弯矩呈现起伏波动，纵向弯
矩呈现出波峰与波谷周期性波动的规律。

4个典型位置处，轨道板的最大横向正弯矩为33.6 kN·m/m，最小横向负弯矩为-38.9kN·m/m;最大纵向正弯矩为44.8 kN·m/m，最小纵向负弯矩为-45.1 kN·m/m。

表4 独立路权下轨道板的弯距最值
2.4 配筋抗弯计算
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，采用容许应力法对有轨电车轨道板进行配筋抗弯计算。

由表4可知，独立路权下轨道板的最大横向正弯矩为33.6 kN·m/m，最小横向负弯矩为-38.9 kN·m/m。

轨道板配筋采用HRB400钢筋，其容许应力［σs］=274 MPa，C35 混凝土的容许应力［σb］=15.2 MPa。

假定纵向主筋采用Φ16钢筋，保护层厚度取为35 mm，则a1=35+14+16/2=57 mm，截面有效高度
h0=300-57=243 mm，内力偶臂Z=0.88 h0=0.88×243=214 mm，负弯矩截
面配筋面积As=M/(［σs］Z)=1 725 mm2，正弯矩截面配筋面积 As1=M/(［σs］Z)=1 489 mm2。

选取 14 根道床板下层纵向钢筋和9根道床板上层纵向钢筋进行验算，经验算，配筋率ρ下=As/(bh0)=0.48%，ρ上=As1/(bh0)=0.31%，满足相关规范要求。

3 混合路权下现代有轨电车轨道结构模型分析
混合路权下，轨道结构不仅承受列车荷载作用，而且承受来自道路交通荷载的作用。

此处借鉴独立路权下的分析方法对混合路权下现代有轨电车轨道结构的受力及轨道板配筋设计进行分析。

3.1 荷载分析
混行交通地段有轨电车与道路交通共享路权，因此，混合路权下应综合考虑列车荷载和道路交通荷载两种荷载作用。

其中，道路荷载应参考相关公路工程技术标准中规定的车辆荷载标准值。

3.2 轨道结构受力分析
本文选取混合交通路段的两个典型位置进行分析。

位置1:1个受力点在轨道上;位置2:两个受力点都在轨道上。

混合路权下轨道结构受力示意图如图8所示。

混合路权下轨道板有限元应变云图如图9所示。

图8 混合路权下轨道结构受力示意图
图9 混合路权下轨道板有限元应变云图
3.3 弯矩分析
混合路权下，3.2节所述典型位置处轨道板的横向弯矩对比如图10所示，典型位置处轨道板的纵向弯矩对比如图11所示。

混合路权下轨道板的弯距最值如表5所示。

图10 混合路权下典型位置处轨道板的横向弯矩对比
图11 混合路权下典型位置处轨道板的纵向弯矩对比
由图10、图11及表5可知，混合路权下典型位置处轨道板的横向弯矩呈抛物线规律，纵向弯矩接近于一条直线。

典型位置处轨道板的最小横向负弯矩为-47.9 kN·m/m，最小纵向负弯矩为-58.1 kN·m/m。

表5 混合路权下典型位置处轨道板的弯距最值
3.4 配筋抗弯计算
参照独立路权下的配筋抗弯计算方法，选取相同的配筋材料，进行混合路权下的配
筋抗弯计算。

由表5可知，混合路权下典型位置处轨道板的最小横向负弯矩为-47.9 kN·m/m，经计算，负弯矩截面配筋面积 As=M/(［σs］Z)=2 124 mm2。

选取18根道床板纵向钢筋进行验算，经验算，配筋率ρ=As/(bh0)=0.59%，满
足相关规范要求。

4 结语
本文通过ANSYS软件对现代有轨电车轨道结构的受力情况进行建模分析，得出轨道板的弯矩最值，然后进行轨道板配筋计算。

根据计算可知，轨道板采用
HRB400钢筋、C35混凝土材料时，混合交通路段需增加配筋，以满足配筋抗弯
的设计要求。

参考文献
【相关文献】
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