1概述
城市軌道交通區(qū)間線路長(zhǎng)度一般為1～2km,車輛加速及減速較快,列車在同一線路曲線(特別是較長(zhǎng)的曲線)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),最高速度與最高速度差異較大,新版的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB501572003)僅給出了軌道曲線超高的計(jì)算公式及允許的最大欠超高,一些相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)及資料也未有論述,難以應(yīng)對(duì)在設(shè)計(jì)工作中遇到的各種復(fù)雜情況,本文詳細(xì)論述了曲線軌道超高的設(shè)置方法及設(shè)置超高時(shí)需注意的問題。
2曲線超高計(jì)算公式
車輛在曲線軌道上運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生離心力,為平衡離心力,在曲線軌道上設(shè)超高,借助車輛重力的水平分力以抵消離心力,達(dá)到內(nèi)外兩股鋼軌受力均勻,垂直磨耗相等,減小離心加速度,增加乘客旅行舒適感,以及提高線路穩(wěn)定性和行車安全。
超高計(jì)算采用《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB501572003)中計(jì)算公式
3欠超高與過超高的極限值
確定城市軌道交通曲線軌道超高時(shí),由于規(guī)范對(duì)最大超高值的規(guī)定及列車在曲線上運(yùn)行速度的變化,超高與行車速度不可能做到恰好匹配,因而不可避免會(huì)產(chǎn)生未被平衡的橫向加速度,欠超高與過超高是未被平衡的離心加速度和向心加速度的另一種表示方法。
《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6 2 8條規(guī)定:曲線的最大超高值為120mm,當(dāng)設(shè)置的超高值不足時(shí),一般可允許有不大于61mm的欠超高(hq)。對(duì)于過超高,則沒有相關(guān)的規(guī)定。
《鐵路線路維修規(guī)則》第3 7 1條規(guī)定,未被平衡的過超高不得大于50mm。
據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)有關(guān)資料,在列車運(yùn)行速度為80～120km/h的線路上,一般可允許有不大于50mm的過超高(hg),允許的最大值為70mm。
城市軌道交通車車輛軸重輕,運(yùn)行速度低,道床型式主要為整體道床,線路為客運(yùn)專用,不存在客貨混跑的情況,列車運(yùn)行的外部條件優(yōu)于國(guó)鐵及國(guó)際鐵路聯(lián)盟各國(guó)國(guó)家鐵路,所以,在設(shè)計(jì)工作中,可參考前述有關(guān)規(guī)定,即:在設(shè)置曲線軌道超高時(shí),可允許有不大于50mm的過超高。
根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》表5 2 2中各曲線半徑與對(duì)應(yīng)的限制速度,計(jì)算不同曲線半徑時(shí)最高限制速度的超高如表1。
4軌道曲線超高的確定
列車在圓曲線及前后幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)行速度是計(jì)算并確定曲線軌道超高的依據(jù)。
如圖2所示,O-A-B-C-D-E為列車運(yùn)行方向,其中O點(diǎn)為第1段超高順坡段起點(diǎn),A點(diǎn)為圓曲線起點(diǎn)(第1段超高順坡段終點(diǎn)),B點(diǎn)為圓曲線中間點(diǎn),C點(diǎn)為圓曲線終點(diǎn)(第2段超高順坡段起點(diǎn)),D點(diǎn)為第2段超高順坡段終點(diǎn),E點(diǎn)距C點(diǎn)為一列列車長(zhǎng)度,在線路直線段上。列車通過上述6點(diǎn)時(shí)運(yùn)行速度分別為Vo、Va、Vb、Vc、Vd、Ve。
分別計(jì)算Va、Vb、Vc、Ve對(duì)應(yīng)的超高h(yuǎn)a、hb、hc、he,取其中最大值為h1max、最小值為h1min,計(jì)算其差值Δh1
Δh1=h1max-h1min
取ha、hb、hc(圓曲線起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn))中最大值為h2max、最小值為h2min,計(jì)算其差值Δh2
Δh2=h2max-h2min
根據(jù)Δh1、Δh2的值,按以下幾種情況處理:
① Δh1≤hq=61mm,同時(shí)Δh2≤hq=61mm
曲線軌道超高可設(shè)為h1min,曲線范圍內(nèi)不會(huì)有超過61mm的欠超高,也不會(huì)有過超高。
② Δh1≤hq=61mm,同時(shí)hq=61mm≤Δh2≤(hq+hg)曲線軌道超高設(shè)為(h1max-hq),曲線范圍內(nèi)最大欠超高為61mm,過不大于50mm。
③ Δh1>hq=61mm,同時(shí)hq=61mm≤Δh2≤(hq+hg)
曲線軌道超高設(shè)為(h1max-hq),曲線范圍內(nèi)最大欠超高61mm,過超高不大于50mm。
④ Δh2>(hq+hg)
這種情況下,無論曲線軌道超高設(shè)多少,均無法同時(shí)滿足最大欠超高小于61mm及最大過超高小于50mm的條件,必須調(diào)整列車的運(yùn)行速度。
5道岔及渡線段的超高
目前城市軌道交通工程道岔及渡線大多不設(shè)超高,根據(jù)有關(guān)城市軌道交通工程資料,道岔的導(dǎo)曲線可設(shè)置6mm超高,目的不是為平衡橫向加速度,而是為了防止道岔內(nèi)導(dǎo)曲線產(chǎn)生反超高,危及行車安全。道岔設(shè)超高以后,養(yǎng)護(hù)維修工作量顯著增加,從而造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升。
道岔不設(shè)超高時(shí)9號(hào)及12號(hào)道岔的最大允許側(cè)向通過速度及欠超高見表2。
12號(hào)道岔的最大允許通過速度為50km/h,當(dāng)列車以此速度側(cè)向通過道岔時(shí),欠超高大于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的61mm,因此,在不影響通過能力的前提下,宜對(duì)列車側(cè)向通過道岔的運(yùn)行速度加以限制。當(dāng)列車以42 5km/h的速度側(cè)向通過12號(hào)道岔時(shí),曲線軌道超高為:
由(2)式可知,列車側(cè)向通過12號(hào)道岔的速度不宜高于42 5km/h。
6曲線超高與鋼軌磨耗
根據(jù)實(shí)測(cè)的鋼軌磨耗的資料分析表明[4],小于平衡超高的超高,鋼軌側(cè)磨耗量最小,鋼軌側(cè)磨量在平衡超高時(shí)為最大(如表3所示)。
北京鐵路局及昆明鐵路局的試驗(yàn)研究表明,降低超高,即采用欠超高,可以減小曲線鋼軌的側(cè)磨。
廣州地鐵1號(hào)線工務(wù)部門也發(fā)現(xiàn)曲線超高采用欠超高時(shí),鋼軌磨耗減小。
由上分析可知,曲線超高值宜采用小于平衡超高的數(shù)值。
7曲線超高地段的軌底坡
我國(guó)目前采用1∶40的軌底坡,當(dāng)超高超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌將向外傾斜。
在較早設(shè)計(jì)施工的國(guó)內(nèi)部分城軌工程中,為防止鋼軌承受壓力后,受擠壓向外翻倒,在超高值超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌軌底仍保持水平,造成內(nèi)軌軌底坡過大,當(dāng)超高值為120mm時(shí),實(shí)際內(nèi)軌軌底坡為1∶12 5。根據(jù)運(yùn)營(yíng)部門觀測(cè),在曲線超高為120mm、曲線半徑為300～400m的地段,輪軌接觸反常:外軌磨光帶在鋼軌內(nèi)顎部,內(nèi)軌磨光帶在鋼軌外顎部。
理論分析及實(shí)測(cè)[5]表明,在曲線上將內(nèi)軌軌底坡適當(dāng)加大,而外軌軌底坡保持1∶40不變,有利于減緩?fù)廛墏?cè)磨及機(jī)車車輛輪緣的磨耗。實(shí)測(cè)結(jié)果見表4。
由以上分析可知,曲線超高超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌宜按外傾設(shè)計(jì),但應(yīng)檢算扣件抗橫向水平能力及扣件錨固螺栓抗拔力;為減緩?fù)廛墏?cè)磨,內(nèi)軌軌底坡宜適當(dāng)增大,但不應(yīng)大于1∶20。
3欠超高與過超高的極限值
確定城市軌道交通曲線軌道超高時(shí),由于規(guī)范對(duì)最大超高值的規(guī)定及列車在曲線上運(yùn)行速度的變化,超高與行車速度不可能做到恰好匹配,因而不可避免會(huì)產(chǎn)生未被平衡的橫向加速度,欠超高與過超高是未被平衡的離心加速度和向心加速度的另一種表示方法。
《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6 2 8條規(guī)定:曲線的最大超高值為120mm,當(dāng)設(shè)置的超高值不足時(shí),一般可允許有不大于61mm的欠超高(hq)。對(duì)于過超高,則沒有相關(guān)的規(guī)定。
《鐵路線路維修規(guī)則》第3 7 1條規(guī)定,未被平衡的過超高不得大于50mm。
據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)有關(guān)資料,在列車運(yùn)行速度為80～120km/h的線路上,一般可允許有不大于50mm的過超高(hg),允許的最大值為70mm。
城市軌道交通車車輛軸重輕,運(yùn)行速度低,道床型式主要為整體道床,線路為客運(yùn)專用,不存在客貨混跑的情況,列車運(yùn)行的外部條件優(yōu)于國(guó)鐵及國(guó)際鐵路聯(lián)盟各國(guó)國(guó)家鐵路,所以,在設(shè)計(jì)工作中,可參考前述有關(guān)規(guī)定,即:在設(shè)置曲線軌道超高時(shí),可允許有不大于50mm的過超高。
根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》表5 2 2中各曲線半徑與對(duì)應(yīng)的限制速度,計(jì)算不同曲線半徑時(shí)最高限制速度的超高如表1。
4軌道曲線超高的確定
列車在圓曲線及前后幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)行速度是計(jì)算并確定曲線軌道超高的依據(jù)。
如圖2所示,O-A-B-C-D-E為列車運(yùn)行方向,其中O點(diǎn)為第1段超高順坡段起點(diǎn),A點(diǎn)為圓曲線起點(diǎn)(第1段超高順坡段終點(diǎn)),B點(diǎn)為圓曲線中間點(diǎn),C點(diǎn)為圓曲線終點(diǎn)(第2段超高順坡段起點(diǎn)),D點(diǎn)為第2段超高順坡段終點(diǎn),E點(diǎn)距C點(diǎn)為一列列車長(zhǎng)度,在線路直線段上。列車通過上述6點(diǎn)時(shí)運(yùn)行速度分別為Vo、Va、Vb、Vc、Vd、Ve。
分別計(jì)算Va、Vb、Vc、Ve對(duì)應(yīng)的超高h(yuǎn)a、hb、hc、he,取其中最大值為h1max、最小值為h1min,計(jì)算其差值Δh1
Δh1=h1max-h1min
取ha、hb、hc(圓曲線起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn))中最大值為h2max、最小值為h2min,計(jì)算其差值Δh2
Δh2=h2max-h2min
根據(jù)Δh1、Δh2的值,按以下幾種情況處理:
① Δh1≤hq=61mm,同時(shí)Δh2≤hq=61mm
曲線軌道超高可設(shè)為h1min,曲線范圍內(nèi)不會(huì)有超過61mm的欠超高,也不會(huì)有過超高。
② Δh1≤hq=61mm,同時(shí)hq=61mm≤Δh2≤(hq+hg)曲線軌道超高設(shè)為(h1max-hq),曲線范圍內(nèi)最大欠超高為61mm,過不大于50mm。
③ Δh1>hq=61mm,同時(shí)hq=61mm≤Δh2≤(hq+hg)
曲線軌道超高設(shè)為(h1max-hq),曲線范圍內(nèi)最大欠超高61mm,過超高不大于50mm。
④ Δh2>(hq+hg)
這種情況下,無論曲線軌道超高設(shè)多少,均無法同時(shí)滿足最大欠超高小于61mm及最大過超高小于50mm的條件,必須調(diào)整列車的運(yùn)行速度。
5道岔及渡線段的超高
目前城市軌道交通工程道岔及渡線大多不設(shè)超高,根據(jù)有關(guān)城市軌道交通工程資料,道岔的導(dǎo)曲線可設(shè)置6mm超高,目的不是為平衡橫向加速度,而是為了防止道岔內(nèi)導(dǎo)曲線產(chǎn)生反超高,危及行車安全。道岔設(shè)超高以后,養(yǎng)護(hù)維修工作量顯著增加,從而造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升。
道岔不設(shè)超高時(shí)9號(hào)及12號(hào)道岔的最大允許側(cè)向通過速度及欠超高見表2。
12號(hào)道岔的最大允許通過速度為50km/h,當(dāng)列車以此速度側(cè)向通過道岔時(shí),欠超高大于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的61mm,因此,在不影響通過能力的前提下,宜對(duì)列車側(cè)向通過道岔的運(yùn)行速度加以限制。當(dāng)列車以42 5km/h的速度側(cè)向通過12號(hào)道岔時(shí),曲線軌道超高為:
由(2)式可知,列車側(cè)向通過12號(hào)道岔的速度不宜高于42 5km/h。
6曲線超高與鋼軌磨耗
根據(jù)實(shí)測(cè)的鋼軌磨耗的資料分析表明[4],小于平衡超高的超高,鋼軌側(cè)磨耗量最小,鋼軌側(cè)磨量在平衡超高時(shí)為最大(如表3所示)。
北京鐵路局及昆明鐵路局的試驗(yàn)研究表明,降低超高,即采用欠超高,可以減小曲線鋼軌的側(cè)磨。
廣州地鐵1號(hào)線工務(wù)部門也發(fā)現(xiàn)曲線超高采用欠超高時(shí),鋼軌磨耗減小。
由上分析可知,曲線超高值宜采用小于平衡超高的數(shù)值。
7曲線超高地段的軌底坡
我國(guó)目前采用1∶40的軌底坡,當(dāng)超高超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌將向外傾斜。
在較早設(shè)計(jì)施工的國(guó)內(nèi)部分城軌工程中,為防止鋼軌承受壓力后,受擠壓向外翻倒,在超高值超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌軌底仍保持水平,造成內(nèi)軌軌底坡過大,當(dāng)超高值為120mm時(shí),實(shí)際內(nèi)軌軌底坡為1∶12 5。根據(jù)運(yùn)營(yíng)部門觀測(cè),在曲線超高為120mm、曲線半徑為300～400m的地段,輪軌接觸反常:外軌磨光帶在鋼軌內(nèi)顎部,內(nèi)軌磨光帶在鋼軌外顎部。
理論分析及實(shí)測(cè)[5]表明,在曲線上將內(nèi)軌軌底坡適當(dāng)加大,而外軌軌底坡保持1∶40不變,有利于減緩?fù)廛墏?cè)磨及機(jī)車車輛輪緣的磨耗。實(shí)測(cè)結(jié)果見表4。
由以上分析可知,曲線超高超過37 5mm時(shí),內(nèi)軌宜按外傾設(shè)計(jì),但應(yīng)檢算扣件抗橫向水平能力及扣件錨固螺栓抗拔力;為減緩?fù)廛墏?cè)磨,內(nèi)軌軌底坡宜適當(dāng)增大,但不應(yīng)大于1∶20。
