徐明发
中铁上海工程局集团华海工程有限公司 上海市 201101
中铁上海工程局集团（苏州）轨道交通科技研究院有限公司 苏州市 215100
摘 要：针对地铁车辆段库内预留立柱施工难度大、效率低、时间长等这一现状，开发了一种新的钢轨固定技术，实现钢轨精准固定和支撑。采用有限元法对钢轨固定支架结构力学性能进行了三维数值模拟分析，结果表明：（1）支撑架在支撑钢轨时不会发生材料屈服现象；（2）支撑架不会发生细长杆屈曲现象；（3）支撑架在受力时不会发生倾覆失稳。通过力学性能分析研制了钢轨固定支架结构的可靠性和可行性。
关键词：地铁车辆段；预留线轨道；库内立柱检查坑；钢轨固定支架
0前言
众所周知，城市轨道交通工程车辆段建设考虑长远运营情况会在车辆段库内预留股道，一般情况下预留立柱检查坑立柱由土建完成，预留的主要内容有系统工程安装，如轨道、供电、信号等，在库内立柱检查坑整体道床范围内预留立柱，后期进行轨道、供电、信号等系统工程施工。由于城市发展需要需增加运营车辆数量，为了保证运营车辆在不运营情况下有位置停放，建设单位需进行预留工程施工,预留库内轨道施工由于无现有钢轨固定方式，即需开发钢轨固定技术并对支架进行受力结构性能分析。
1 有限元分析模型的建立
根据地铁预留轨道施工要求，采用SolidWorks软件对施工工况模型进行三维建模和有限元分析，对凿除预留立柱混凝土前后的钢轨进行自然受力分析，主要以静应力分析为主，同时对凿除预留立柱混凝土后的钢轨固定支撑架进行稳定性分析，包括静应力分析、屈曲分析和倾覆力矩计算。
2 钢轨自然受力分析
根据地铁车辆段预留立柱检查坑图纸，建立使用预留立柱支撑钢轨的简化模型。
2.1预留立柱混凝土凿除前
以凿除预留立柱混凝土前的钢轨作为研究对象，分析其自然状态下的受力状况：取25m长的单根60kg/m钢轨为分析对象，钢轨在自然状态下仅受自身重力载荷影响，其两端截面视为固定约束，钢轨底部与扣件接触的部分视为滑动约束。
采用SolidWorks静应力分析，对钢轨模型基于曲率和4点雅克比结构划分网格，生成节点总数281953、单元总数154572的有限元分析模型。
经求解器迭代计算后，钢轨受力分析的节点其最大节点应力为3.463X105Pa，相比远远小于钢轨屈服应力450MPa。钢轨受力分析的节点位移最大节点位移约为0.001mm。经选取随机连续两立柱间的悬空钢轨底部中心节点作为探测对象，位移平均值为0.001mm。
综上所述，地铁车辆段预留立柱混凝土凿除前钢轨自然受力不会发生材料屈服现象。
2.2预留立柱混凝土凿除后
当预留立柱混凝土凿除后，采用钢轨固定支架和对称斜拉装置固定钢轨在立柱上，钢轨固定支架由两个支撑架和一根方木组成，每间隔3根预留立柱位置放置一副，即：每副固定支架间距4.2m。
在凿除预留立柱混凝土后，垫板、弹条、螺旋道钉等扣件仍然固定在钢轨上，钢轨采用支撑架和方木支撑固定，两钢轨间距依靠轨距拉杆来保证，由于整体结构对称，可以取单根25米长的钢轨作为研究对象，钢轨受到自身重力载荷、方木重量和垫板、弹条、螺旋道钉等扣件重量影响，设置钢轨两端为固定约束，轨距拉杆位置为滑动约束，钢轨与固定支架接触的方木位置视为滑动约束。
采用SolidWorks静应力分析，对钢轨模型基于曲率和4点雅克比结构划分网格，生成节点总数322236、单元总数178864的有限元分析模型。
经求解器迭代解算后，钢轨的节点应力，其中最大应力为3.612X106Pa，相比远远小于钢轨屈服应力450MPa，最大节点位移约为0.088mm。选取各固定支架上的方木与钢轨底部接触面计算支反力，其中固定支架所受最大支反力为2640N，
综上所述，地铁车辆段预留立柱混凝土凿除前钢轨自然受力不会发生材料屈服现象。
3 支架结构力学性能分析
当预留立柱混凝土凿除后，钢轨采用固定支架和轨距拉杆进行固定，其中固定支架由两个支撑架和一根方木组成，支撑架主材料采用45钢，支撑架结构如图1所示，固定支架如图2所示，固定支架间距4.2m，其施工简化模型，如图3所示。
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图1 支撑架结构示意图
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图2 固定支架结构示意图
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图3 固定支架支撑钢轨施工简化模型
固定支架在支撑钢轨时，以支撑架为研究对象，固定支架所受最大压力为2640N，其中方木尺寸为2000X100X100mm3，重量约为6Kg，作用在支撑架顶部槽钢凹槽位置，同时考虑支撑架自身重力影响，支撑架的长腿角钢和短腿角钢底部采用固定约束，其余各部件采用焊接固定接触。支撑架使用时调整螺母使支撑架承受钢轨所有荷载，使垫板、弹条、螺旋道钉等扣件刚好离地，此时支撑架受力最大。
3.1支撑架静应力分析
采用SolidWorks对支撑架结构采用静应力分析，考虑支撑架失效是由于达到材料屈服强度，对支撑架基于曲率和4点雅克比结构划分网格，生成节点总数123560、单元总数59086的有限元分析模型。
经求解器迭代计算后，支撑架的节点应力云图如图4所示，其中最大节点应力为3.566X107Pa，相比远远小于支撑架材料（45钢）屈服应力355MPa。支撑架的节点位移云图如图5所示，其中最大节点位移为0.106mm。选取支撑架与道床接触面计算支撑架各支腿支反力，分别为732N、731N、739N、728N，各支反力合力与加载载荷大小一致。支撑架的安全系数图如图6所示，其中最小安全系数为6.564。
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图4 支撑架节点应力云图
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图5 支撑架节点位移云图
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图6支撑架安全系数图
综上所述，支撑架在支撑钢轨时不会发生材料屈服现象。
3.2支撑架屈曲分析
在使用支撑架支撑钢轨时，由于支撑架内部存在细长杆件结构，需要考虑细长杆发生结构扭曲失稳现象，采用SolidWorks对支撑架进行屈曲分析，对支撑架基于曲率和4点雅克比结构划分网格，生成节点总数78900、单元总数38301的有限元分析模型。
经求解器迭代计算后，支撑架的一阶模式振幅云图如图7所示，其中最大节点振幅为0.005mm。支撑架的二阶模式节点振幅云图如图8所示，其中最大节点位移为0.004mm。支撑架屈曲分析节点各阶模式安全系数。支撑架的安全系数取一阶模式下屈曲安全系数为41.41，屈曲安全系数大于1，所施加的载荷小于同样工况下的临界载荷估计值，且不会发生细长杆屈曲现象。
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图7 支撑架屈曲分析节点一阶模式振幅云图
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图8 支撑架屈曲分析节点二阶模式振幅云图
综上所述，支撑架在同样的受力情况下，屈曲安全系数取41.41，强度安全系数为6.564，强度安全系数小于屈曲安全系数，因此支撑架在受力过程屈曲不作为变形主导作用，且在该工况下的受力中，支撑架不会发生细长杆屈曲现象。
3.3支撑架倾覆分析
在上述钢轨支撑和支撑架静应力分析中，已知：支撑架外部施加载荷F=2640+58.8N=2698.8N，自身重力G=22.5X9.8N=220.5N，倾覆力矩为M1，抗倾覆力矩为M2，短支腿倾覆线与长支腿倾覆线在X方向上距离La=486.5mm，短支腿倾覆线与中截面距离Lb=214.6mm，长支腿倾覆线与中截面距离Lc=271.9mm，短支腿与长支腿底面高差h=288.4mm。
1.以支撑架短支腿为倾翻线
倾覆力矩：
M1=FXLb+ (FCX+FDX)Xh=653.6N.m
抗倾覆力矩：
M2=(FCZ+FDZ)XLa=708.8N.m>倾覆力矩M1。
故，支撑架不会发生以短支腿为倾翻线的倾覆失稳。
2.以支撑架长支腿为倾翻线
倾覆力矩M1=F X Lc=733.8N.m
抗倾覆力矩M2=(FAZ+FBZ)XLa + |FAX+FBX|Xh=786.2N.m>倾覆力矩M1
故，支撑架不会发生以长支腿为倾翻线的倾覆失稳。
综上所述，支撑架在受力时不会发生倾覆失稳。
4 结论
在开发地铁车辆段预留立柱施工技术基础上，采用有限元法对钢轨固定支架结构力学性能进行了三维数值模拟分析，结果表明：（1）支撑架在支撑钢轨时不会发生材料屈服现象；（2）支撑架不会发生细长杆屈曲现象；（3）支撑架在受力时不会发生倾覆失稳。通过力学性能分析研制了钢轨固定支架结构的可靠性和可行性。
参考文献
[1]徐明发等《一种用于钢轨车辆段预留立柱支撑架装置》，专利号：201720812714.1，2017.
[2]徐明发等《一种地铁车辆段预留立柱检查坑轨道施工方法》，专利号：201710590286.7，2017.
第一作者简介：
通讯作者简介：徐明发、男、1980-、宁夏彭阳人、高级工程师，研究方向：地铁施工技术。
资助项目：中铁上海工程局集团科技项目（SH-2019-引导-06）