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嵌入式轨道槽内结构优化设计

毕澜潇;刘卫星;邢梦婷;赵坪锐;刘学毅

【期刊名称】《《西南交通大学学报》》

【年(卷),期】2019(054)006

【总页数】8页(P1227-1234)

【关键词】嵌入式轨道;有轨电车;优化设计;功率流

【作者】毕澜潇;刘卫星;邢梦婷;赵坪锐;刘学毅

【作者单位】西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都

610031;西南交通大学土木工程学院四川成都610031

【正文语种】中文

【中图分类】U213.21

现代有轨电车近年来在国内外得到飞速的发展[1-5].为更好地适应其交通运营需求，

一种新型轨道结构形式——嵌入式轨道结构得到不断的发展优化.该结构不但具有

无砟轨道养护维修工作量小、结构稳定、整体性好等特点，还具有良好的减振降噪

性能，并能减小轨道交通对传统公路交通的影响，广泛应用在现代城市轨道交通建

设中[6].

嵌入式轨道主要由钢轨、高分子复合材料、轨下弹性垫板、轨道板、PVC

（polyvinylchloride）管等组成，如图1.钢轨放置于承轨槽内，并以高分子复合

材料敷设至钢轨的轨头下方，在纵向、垂向和横向3个方向上均实现了钢轨的连

续弹性支承.由于一般地段嵌入式轨道结构没有扣件、拉杆等机械连接，结构稳定

性的实现主要依靠轨旁高分子复合材料，槽内结构形式及包覆钢轨的复合高分子弹

性体是优化重点[7].

图1嵌入式轨道结构示意Fig.1Diagramofembeddedrailstructure

国内现代有轨电车还处于起步阶段，早期研究工作主要集中在适用性及发展趋势的

探讨，而轨道结构设计、维修理论研究则是近几年才陆续开始[8-10].目前，对嵌

入式轨道承轨槽结构及高分子复合材料布置形式研究甚少，为使嵌入式轨道结构更

加适应城市轨道交通需求，对其槽内结构进行优化设计是十分必要的.本文基于城

市轨道交通成本、安全、噪声、振动等功能要求对嵌入式轨道槽内结构进行拓扑及

参数优化设计，明确设计方向使之满足不同的功能需求.文中结论可为嵌入式轨道

结构设计提供指导.

1轨旁材料拓扑优化

轨道结构应用于城市轨道交通系统中，除应具有结构最基本的安全性、耐久性外，

结构的经济性往往是衡量结构是否适用的重要标准.嵌入式轨道结构轨旁高分子复

合材料的造价较高，在优化过程中保证线路稳定性的前提下应尽量减少复合材料的

使用量.

拓扑优化是指形状优化，通过拓扑优化可以在给定的荷载条件并满足最大刚度准则

要求的情况下节省对结构刚度帮助较小的部分材料，可以得到更加合理的材料分配

方案，从而降低成本.嵌入式轨道结构稳定性的实现主要依靠轨旁高分子复合材料，

为更有效地利用材料，对承轨槽内复合材料进行拓扑优化.

利用商业有限元软件ANSYS，建立嵌入式轨道拓扑优化模型.在计算时，保证材料

特性、模型、载荷等参数不变，仅改变对省去材料百分比的要求[11].由于混凝土

结构变形较钢轨、轨下胶垫、轨旁复合材料小，为减小运算时间，优化模型只建立

了钢轨、胶垫、轨旁复合材料的平面模型，固定轨旁复合材料边界.研究表明嵌入

式轨道宜采用槽型轨[12]，钢轨选取59R2槽型轨.车辆轴重选取12.5t，列车最高

运行速度不小于70km/h.参考传统铁路准静态计算公式[13]，实际计算中取动力

系数1.42.考虑到有轨电车行驶速度虽较低，但轨底不设轨底坡，本文水平力系数

取0.4.在此荷载条件下对槽内结构进行优化.

在优化过程中发现，复合材料对轨道结构垂向刚度影响较小，因此拓扑优化是以保

证轨道结构横向刚度的前提下减少轨旁复合材料的用量.如图2，在复合材料减少

比率在10%～20%时，主要减少轨道外侧轨腰与轨底连接部分的复合材料.当复合

材料减少比率大于30%时，轨道内侧轨腰和轨底连接部分复合材料减少比率增加.

因为嵌入式轨道结构无扣件系统，轨底外侧的复合材料对轨底移动有阻挡作用，为

防止钢轨整体移动，轨底外侧靠近混凝土边界的复合材料不宜减少.

复合材料的减少会使轨道结构局部应力增加，还会增加钢轨位移.图3为在减少复

合材料不同百分比下钢轨横向位移、钢轨应力、复合材料应力归一图.由图3可知，

在复合材料减少50%～60%的情况下，轨道结构的各响应值仍变化不大.运用拓扑

优化技术，在结构设计中考虑减少靠近轨腰与轨底连接的处的复合材料，可以在保

证轨道结构刚度的条件下，节省材料用量，减少成本.针对槽型钢轨，轨旁材料如

图2（d）的设置方法可使复合材料得到