城市軌道交通有螺栓扣件研究設計淺析

陸 明

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

軌道交通扣件種類繁多，主要由扣壓件、彈性墊板和錨固聯結件三大部分組成。組成扣件系統的各部件的形狀、種類及材質與系統功能、聯結方式、制造難易、施工養護方法及經濟成本等密切相關。

扣件系統按扣壓件的緊固方式區分：(1)有螺栓扣件系統；(2)無螺栓扣件系統。

1 國內地鐵的現狀

國內地鐵正線，以整體道床為主，結構沉降的小量變化均需要通過鋼軌扣件來調整，所以彈性分開式扣件是目前國內軌道交通正線的主要型式。

扣件的主要扣壓件有彈條和彈片兩種型式，國內主要采用彈條式扣壓件。

依據工程特性及成因條件，一些地區(以華東范圍為主)有淤泥質粉質粘土，流塑狀態，具高壓縮性，遍及整個平原，層位穩定，為淺部軟土層，是影響建筑物沉降變形的主要層位。可以預計軌道交通隧道結構可能存在較大程度的整體沉降和局部沉降。因此，從運營角度來講，需要調整量大的扣件形式(有螺栓扣件系統)，減少處理工作量。

針對以上情況，筆者擬對有螺栓扣件進行些許改進，以期發揮更好的性能。

2 有螺栓扣件系統選型設計

扣件系統應具有良好的通用性，最好能滿足于地下線、高架線、地面線整體道床的使用要求。

扣件系統零部件應盡量標準化, 結構簡單，易鋪設及維修。

2.1 扣件零部件選擇

2.1.1 扣壓件的選擇

根據試驗研究結果及長期運營實踐，單個扣壓件只需有10 kN的扣壓力和10 mm的彈程，便可控制彈性和位移。這種彈性扣壓件的扣壓力，除可防止鋼軌爬行外，還能以其彈性變化吸收來自鋼軌的沖擊能量，緩沖振動，降低錨固螺栓因振動沖擊而引起的松弛。

目前地鐵的ω型彈條多采用B型彈條，從彈條性能上分析，Ⅱ型彈條單件設計彈程為10 mm、扣壓力為10 kN，優于設計彈程8 mm、扣壓力9 kN的B型彈條，屈服強度和抗拉強度均有明顯提高。從彈條材料上看，優質彈簧鋼60Si2CrA性能優于60Si2Mn(表1)，同時Ⅱ型彈條外形改變后，彈條應力分布更加合理，殘余變形小。目前國內Ⅱ型彈條在混凝土枕碎石道床上大量使用，Ⅱ型彈條在價格上也與B型彈條相當。所以，采用標準件Ⅱ型彈條作為扣壓件是合理可行，安全可靠的。

表1 彈條性能比較

2.1.2 鐵墊板的選擇

國內鐵墊板以前采用18 mm厚、可鍛鑄鐵KTH350-10制造，本設計采用球墨鑄鐵QT450-10，材料性能優越(表2)。等同寬度情況下，18 mm厚的可鍛鑄鐵等強于14 mm厚的球墨鑄鐵。參照行業內其他扣件鐵墊板厚度，本次設計為16 mm厚是合理可行的。

表2 鐵墊板材料性能對比表

鐵墊板上螺栓孔按錯列式布置，在《機械設計手冊規范》中規定：螺栓六角頭對邊尺寸S為46 mm時(本設計中螺栓按標準設計，T30×6螺栓，六角頭對邊尺寸S為46 mm)，其套筒空間D應為φ82 mm(見圖1)。

圖1 套筒扳手安裝尺寸要求示意

根據比較，DTⅢ2型扣件的螺栓縱向孔距為110 mm，套筒空間僅為68 mm；橋上使用的WJ-2型扣件的螺栓縱向孔距為127 mm，套筒空間僅為80 mm；本次設計考慮制造存在的誤差，在螺栓安裝過程中，避免套筒扳手與鐵墊板上凸臺的干涉，扳手空間比規定的最小空間φ82 mm放大3mm，兩螺栓釘孔距為130 mm，方便了施工。也使得高架線與地下線的扣件接口得到統一。

同時，在鐵墊板中部加兩個“耳朵”以阻擋軌下膠墊的縱向位移。

2.1.3 彈性墊板的選擇

在滿足剛度要求的情況下，考慮到經濟性，本扣件系統采用橡膠墊板；小阻力地段采用不銹鋼與橡膠墊板的復合板。

2.1.4 其他零部件的選擇

套管、絕緣軌距塊、T型螺栓、平墊圈、彈簧墊圈等均可以采用標準件或已經大量使用過的成熟產品，螺旋道釘也是軌道設計中常用零部件，性能完善，工藝成熟，均可按以往工藝制造。

根據上述分析及選型研究，改進成了新型有螺栓扣件系統，其中地下線及U型槽采用常阻力扣件系統，有小阻力要求的高架線采用小阻力扣件系統。(圖2、圖3)

1-鐵墊板下彈性墊板 2-鐵墊板 3-Ⅱ型彈條 4-平墊圈 5-螺母 6-T型螺栓 7-軌距塊 8-軌下彈性墊板 9-軌下調高墊板 10-鐵墊板下調高墊板 11-螺旋道釘(調高20 mm時采用Ⅱ型) 12-重型彈簧墊圈 13-平墊圈30 14-預埋套管圖2 小阻力扣件系統

圖3 新型扣件效果圖

圖4 新型扣件零部件

鋼軌由螺栓及有彈性扣壓件緊固于鐵墊板上，鐵墊板通過螺旋道釘與預先埋設的絕緣套管配合直接緊固在基礎上。軌下和鐵墊板下均設彈性墊層提供彈性。

將絕緣螺旋套管預埋于基礎中，旋入螺旋道釘，以150～200 N·m的緊固力矩擰緊，小半徑曲線部分采用緊固力矩為200～250 N·m。單件套管抗拔力為100 kN,安全可靠。

軌下彈性墊層靜剛度為30～40 kN/mm，墊板下彈性墊層靜剛度為65～75 kN/mm，系統靜剛度為30±10 kN/mm (即20～40 kN/mm)。

扣件通過采用不同型號的絕緣軌距塊進行軌距調整。軌距誤差-12～8 mm能滿足軌道交通的使用功能。

通過在軌下及鐵墊板下墊入調高墊板的方式進行調高，最大調高量可達到40 mm(其中軌下10 mm，鐵墊板下30 mm)。

小阻力扣件系統結構基本與常阻力扣件系統相同，兩者區別在于：為了滿足小阻力要求，軌下墊板采用橡膠墊板與不銹鋼墊板的復合板。扣件系統所用其余零部件均相同。安裝時，通過控制螺母安裝扭矩控制彈條扣壓力，螺母安裝扭矩參考值為70～90 N·m，使扣壓力為7 kN，配合復合軌下墊板，實現線路小阻力。

綜上所述，新設計的扣件系統具有以下特點：

(1)扣件系統扣壓件采用Ⅱ型彈條，為國內成熟產品，通用性好，安全可靠。

(2)常阻力扣件與小阻力扣件系統零部件僅軌下墊板不同，扣件尺寸及外部接口一致，并能滿足減振扣件的使用條件，可以達到全線一致，統一性好，可以實施標準化。

(3)扣件系統高低、水平調整量大，便于運營后工務管理及養護維修，更好的適應不良地質條件。

(4)扣件各部件多為標準件，利于制造質量控制， 130 mm的螺栓孔距便于施工器具的使用，保證標準扭力矩，利于施工管理。

3 零部件原材料選擇及制造工藝分析

3.1 原材料選擇

各零部件用原材料選擇為：鐵墊板采用QT450-10；

螺旋道釘、平墊圈、T型螺栓、螺母為Q235A；

Ⅱ型彈條為60Si2CrA；

重型彈簧墊圈為60Si2Mn；

軌下膠墊：高架線為天然橡膠與不銹鋼復合板，地下、地面線為天然膠；鐵墊板下彈性墊層為氯丁膠；調高墊板為橡塑混合體；

套管和軌距塊為玻纖增強聚酰胺66。

3.2 零部件工藝性研究

均為軌道設計中常用零部件，其工藝性能已經過多年的完善，工藝性能較好，按以往的工藝即可進行制造。

4 室內試驗

通過實驗室實尺試驗，該扣件系統完全達到了設計要求。3×106次組裝疲勞試驗后，扣件靜剛度由28 kN/mm 變為31 kN/mm，零部件無損傷，軌距擴大量4 mm，單個軌頭橫向彈性位移1.6 mm。常阻力縱向阻力11.5 kN，小阻力扣件縱向阻力最小阻力5 kN，最大6 kN，平均5.5 kN。試驗結果表明，扣件系統及零部件強度滿足設計要求，動態軌距擴大小于2 mm，滿足運營要求。

5 經濟性分析

根據2013年材料價格對零部件進行測算，與其他有螺栓扣件相比，具體分析如下：

(1)不經表面處理的單個Ⅱ型彈條比B型彈條貴0.24元，比WJ2彈條便宜；

(2)鐵墊板采用16 mm厚度，重量有所減輕，材料總價降低，則鐵墊板成本不高于其他同類產品；

(3)在滿足系統剛度的前提下，橡膠墊板性價比最高；

(4)平墊圈、重型彈簧墊圈及螺母為標準件，成本不變；

(5)螺旋道釘、T型螺栓、調高墊板、絕緣套管及軌距塊為軌道交通常用零部件，成本與其他扣件相當；

(6)扣件進行防腐蝕處理，做法同地鐵其他扣件。

根據上述分析，改進型扣件系統與國內地鐵主流扣件相比，經濟性好。扣件系統采用集成供貨方式，有利于零部件之間配合，提高質量控制，確保達到設計性能要求；扣件系統通用性好，利于供貨、減少備件，便于施工及運營管理，有利于降低維護成本。

6 結論

新型扣件，零部件多為國鐵標準件或地鐵通用件，有大量工程實例，性能穩定，安全可靠；既可用于高架線，滿足無縫線路的鋪設要求，也能用于地下線，滿足調整量大的需求；便于制造及施工，接口亦適合減振扣件，可全線通用，經過鋪設驗證后可以在城市軌道交通工程中應用并推廣。