低速磁浮交通轨道结构强度计算与分析 (1)

·线路/路基·

收稿日期：2012-02-14作者简介：朱晓嘉（1989—），男，硕士研究生。

低速磁浮交通轨道结构强度计算与分析

朱晓嘉1，赵春发1

，庞

玲2，蔡文锋

2（1．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘

要：结合株洲机车厂低速磁浮试验线工程，建立了包含F 形导轨、H 形轨枕、混凝土轨道梁及其联接件的磁浮

线路上部结构有限元模型，

计算了列车悬浮静荷载、悬浮动荷载以及列车滑撬和滑轮支承荷载作用下轨道结构的应力与变形，并依据相关标准和规范对轨道结构设计进行校核。结果表明:低速磁浮轨道的导轨、轨枕、M16和M30螺栓均满足其强度设计要求;为了提高F 形导轨与轨枕的联接强度，降低F 形导轨两磁极反应面的垂向位移差，可适当加大导轨与轨枕连接螺栓的直径。关键词：磁浮列车;轨道;高架桥;有限元;校核

中图分类号：U237；U213.2+

1

文献标识码：A 文章编号：1004-

2954（2012）10-0004-04Strength Calculation and Analysis on Track Structure

for Low-speed Maglev Transit

ZHU Xiao-jia 1，ZHAO Chun-fa 1，PANG Ling 2，CAI Wen-feng 2

（1．State Key Laboratory of Traction Power ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ；

2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu 610031，China ）

Abstract ：In combination with the low-speed maglev test-line project on the CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co．，LTD．，a finite element model of track superstructures including the F-shaped lead rail ，the H-shaped sleeper ，the concrete girder and all the fastenings is developed．Then stress responses and deformations of the track structure are calculated under the train static levitation loads ，dynamic levitation loads ，skid loads and supporting pulley loads．Furthermore ，the track structure strength is checked according to relevant design guidelines and standards．Analysis results show that the rail ，the sleeper ，the M16and M30bolts meet the strength design requirements．In order to enhance the joint strength between the lead rail and the sleeper ，and decreasing the vertical displacement difference between both magnetic pole response surfaces of F-shaped rail ，the nominal diameter of bolt linking the rail and sleeper should be increased properly．

Key words ：maglev train ；track ；viaduct ；finite element ；verification

低速磁浮列车具有振动小、噪声低、加速快、转弯半径小和爬坡能力强等技术特点，在城市轨道交通领域具有良好的应用前景。21世纪以来，低速磁浮交通技术在日本、中国和韩国得到快速发展。2005年，世界上首条低速磁浮商业线—

——日本8.9km 长名古屋东部丘陵线投入运营。2010年8月，韩国6.1km 长仁川国际机场低速磁浮线动工兴建，计划2013年投入运营。2010年底，采用国产低速磁浮技术的北京地铁S1号线开工建设，6.4km 长门头沟段计划2012年试运行。近年来，我国深圳、张家界、温州和常州等城市均开展了低速磁浮交通可行性研究与线路规划。

长期以来，国内外在低速磁浮列车技术方面开展

了大量研究工作，中、日、韩均已掌握了具备实用化水平的低速磁浮列车技术。但是，除了对轨道梁、磁浮道

岔和曲线线路有一些研究外，国内外对低速磁浮轨道结构的研究极少。吴晓等［1］

建立了低速磁浮轨排结构有限元模型，计算了荷载作用下F 形导轨的应力与变形，

结果表明轨排结构设计满足机械性能要求。张佩竹［2］、杨其振等［3］

结合唐山低速磁浮线工程实践，介绍了低速磁浮轨道结构组成及其设计思路。周晓璐［4］

分别建立了低速磁浮轨排结构有限元模型及其等效伯努利—欧拉梁模型，开展了轨排结构力学性能分析与试验研究。上述已有研究中，结构建模往往简化或忽略了支承梁及各层结构之间的连接，这可能导致轨排结构响应计算值远小于实际值，也无法对连接

朱晓嘉，赵春发，庞玲，等—低速磁浮交通轨道结构强度计算与分析

·线路/路基·

件进行准确的强度校核。

在前人已有工作基础上，结合株洲机车厂低速磁

浮试验线工程，

本文建立了包括F 形导轨、H 形钢轨和混凝土支承梁3层结构及其连接件组成的线路上部结

构有限元模型，

计算了列车荷载作用下轨排结构的应力和变形，并依据相关设计规范对其进行校核，以期为

低速磁浮轨道结构工程设计及优化提供参考。1

低速磁浮轨道结构

低速磁浮交通一般采用高架线路，线路上部结构

主要包括轨排结构和轨道支承梁［6，7］

，轨道梁跨度为12 25m 。轨排由感应板、F 形导轨、H 形轨枕及连接

件拼装而成，如图1所示

。

图1低速磁浮线路上部结构示意

图1中低速磁浮线路上部结构可分为导轨、轨枕

和轨道梁3层支承结构，

F 形导轨通过螺栓与H 形轨枕连接，轨枕通过扣件、锚固件和胶垫坐于承轨台上

方，承轨台浇筑于轨道梁桥面两侧。导轨采用F 形钢加工而成，断面为“F ”形状。狭长型F 形导轨与U 形电磁铁相互吸引，为低速磁浮列车提供悬浮力和导向力，并通过悬浮控制系统保持8 10mm 的悬浮间隙。

株洲机车厂低速磁浮试验线方案中，标准混凝土轨道梁跨度为20m ，轨排结构标准长度为10m ，每根轨道梁上方铺设2个标准轨排，轨排中部的轨枕间距1.2m ，端部轨枕间距0.8m ，相邻轨排之间预留有纵向伸缩缝。导轨和轨枕之间采用M16螺栓联接，H 形轨枕和承轨台通过M30螺栓联接，轨道梁采用C50混凝土预制，承轨台采用C40混凝土浇筑。2

轨道结构有限元建模

低速磁浮列车通过时，列车荷载经F 形导轨、

H 形轨枕、

轨道梁及桥墩逐层传递到线路基础。通常情况下，荷载作用下磁浮线路结构变形主要来自于轨道梁变形，并引起轨排结构变形和变位，导致电磁铁悬浮间

隙变化，

从而影响磁浮列车运行安全性与乘坐舒适性。因此，有必要建立细致的磁浮线路上部结构模型，计算分析列车荷载作用下磁浮轨道结构响应，用以评估轨道结构是否具有足够的强度，能否满足列车安全舒适运行对轨道结构变形的要求。

采用ANSYS 软件建立一跨低速磁浮轨道梁及其轨排结构有限元模型，如图2和图3所示。其中，轨道

梁、导轨、轨枕、M16和M30螺杆均采用8节点Solid45实体单元建模；为了较真实地反映导轨、轨枕、承轨台

之间的连接关系，不考虑螺杆与螺孔表面间的接触与摩擦，但在螺帽接触面采用表面钢化的方式模拟螺栓联接。在枕下胶垫与轨枕、承轨台之间建立了接触单元，用以模拟胶垫只受压不受拉状态

。

图2

低速磁浮线路上部结构有限元模型

图3低速磁浮轨道结构有限元网格

对磁浮轨道结构模型进行网格划分时，主要采用

了智能网格划分。轨排结构长、宽、高尺寸相差悬殊，为了减少病态单元，提高网格质量，网格划分时选用了较小的基本尺寸。轨道梁采用了较大的网格尺寸，但在承轨台附近进行了网格加密处理。在M16和M30螺栓联接处也进行了网格加密处理，以准确模拟螺栓的应力与变形。3

轨道结构计算荷载

低速磁浮轨道结构承受的荷载包括恒载、活载、附

加力以及特殊荷载［6］

，本节主要介绍低速磁浮轨道结构承受的3种竖向车辆荷载。

（1）车辆悬浮状态荷载，如图4（a ）所示。该荷载是指5转向架磁浮车辆正常悬浮时，轨道结构所承受的竖向力。图4（a ）表明磁浮车辆前、后电磁铁模块之