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摘要：针对地铁车辆段库内预留凹槽施工难度大、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）地铁车辆段预留凹槽轨道在吊架吊装状态下不会发生材料屈服现象；（2）吊架在承受预留凹槽轨道时，其应力大小远远小于材料屈服强度，最大位移位置无明显变形，吊架可正常安全使用。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；库内凹槽；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
根据地铁车辆段一般整体道床预留凹槽轨道施工要求，采用SolidWorks对整个施工工况模型进行三维建模和有限元分析，对预留凹槽浇筑混凝土前的钢轨和吊架进行静应力分析。
根据地铁车辆段一般整体道床预留凹槽轨道施工图纸，建立预留凹槽轨道简化模型，其中吊架每间隔2.5m放置，25m长的钢轨总共放置10副吊架，如图1所示。
图1b 预留凹槽轨道简化模型
2支架结构力学性能分析
2.1钢轨静应力分析
以单根25m长的钢轨为研究对象，分析预留凹槽轨道在浇筑混凝土前自身重力、扣件重量、轨枕重量对钢轨应力和变形影响，以钢轨两端截面受滑动约束，钢轨底部底面和侧面受吊架中拉杆影响，可视为滑动约束，如图2所示。
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图2 钢轨静应力分析约束和载荷加载模型
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286703、单元总数157168的有限元分析模型，如图3所示。
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图3 钢轨静应力分析有限元分析模型
经求解器迭代计算后，钢轨受力分析的节点应力云图如图4所示，其最大节点应力为2.780X106Pa，相比远远小于钢轨屈服应力450MPa。钢轨受力分析的节点位移云图如图5所示，最大节点位移约为0.023mm。钢轨与吊架接触所受支反力如图6所示，最大支反力为2990N。
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图4 钢轨静应力分析节点应力云图
图6 钢轨静应力分析支反力示意图
综上所述，地铁车辆段预留凹槽轨道在吊架吊装状态下不会发生材料屈服现象。
2.2吊架静应力分析
在预留凹槽浇筑混凝土前，采用吊架吊装钢轨，吊架主要由方木、槽钢、U型拉杆等结构组成，间隔2.5m一副，其简化模型如图7所示。
图7b 吊架结构示意图
根据钢轨吊装状态下的静应力分析得出，钢轨和吊架间的最大相互作用力为2990N，同时二者之间采用线接触，接触长度为150mm，对两方木与道床接触面采用固定约束，其受力模型如图8所示。
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图9 吊架吊装状态下的受力模型
采用SolidWorks静应力分析，定义各零部件之间的实际接触类型，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42724、单元总数23497的有限元分析模型，如图9所示。
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图9 吊架有限元分析网格模型
经求解器迭代解算后，吊架的节点应力云图如图10所示，其中最大应力位于U型拉杆上，最大应力为160.1MPa，相比远远小于U型拉杆材料（45钢）屈服应力355MPa。吊架的节点位移云图如图11所示，最大位移位于U型拉杆上，最大节点位移约为0.284mm。
图11 吊架静应力分析节点位移云图
根据吊架装配体分析结果，单独提取U型拉杆模型作为研究对象，得到U型拉杆的强度安全系数云图，U型拉杆最小安全系数为2.2，如图12所示。
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图12 U型拉杆安全系数云图
根据吊架装配体分析结果，分别以槽钢、垫圈、螺母、方木为研究对象，得到各零部件所受的节点应力云图，对比所用材料屈服强度，如图13所示。其中槽钢最大应力位于与垫圈接触位置，最大值为35.14MPa，如图13a所示；垫圈最大节点应力为38.39MPa，如图13b所示；螺母最大节点应力为50.05MPa，如图13c所示；方木最大节点应力为19.53MPa，位于与槽钢接触位置，如图13d所示。
图13d 方木节点应力云图
根据吊架装配体分析结果可知，方木底面所受支反力如图14所示，其合力与U型拉杆所受压力相等。
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图14 吊架底面支反力示意图
综上所述，吊架在承受预留凹槽轨道时，其应力大小远远小于材料屈服强度，最大位移位置无明显变形，吊架可正常安全使用。
3结论
在开发地铁车辆段预留凹槽施工技术基础上，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）地铁车辆段预留凹槽轨道在吊架吊装状态下不会发生材料屈服现象；（2）吊架在承受预留凹槽轨道时，其应力大小远远小于材料屈服强度，最大位移位置无明显变形，吊架可正常安全使用。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《一种地铁车辆段一般整体道床预留凹槽轨道施工方法》，专利号201610248267.1，2016.
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。
基金项目：
资助项目：中铁上海工程局集团科技项目（SH-2019-引导-06）。