某礦石碼頭重型裝卸機軌道焊接頭斷裂原因試驗研究與分析

程林，原永泉，嚴加寶，趙吉剛

（1.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452；2.營口港務集團有限公司，遼寧 營口 115007；3.天津大學建筑工程學院，天津 300350）

0 引言

碼頭裝卸機鋼軌斷裂情況在很多港口中多有發生，是具有較為普遍的技術共性難題，尤其是在運行負荷更大的礦石碼頭中尤為突出[1-8]。東北某港區30 萬噸級礦石碼頭泊位全長762.97 m，碼頭結構為突堤式高樁梁板形式，樁基為直徑1 200 mm 鋼管樁，軌道總長744 m，設置6 臺4 500 t/h抓斗門式裝卸機。軌道型號為QU120，材質為U71Mn，錨固系統采用GANTREX 連續固定形式。軌道連接采用人工電弧焊焊接，坡口形式為I 型，焊縫采用堆焊。該碼頭自2013 年竣工投入運營以來，發現鋼軌在焊接接頭處先后出現數十處斷裂情況，鋼軌的多處斷裂給卸船機正常作業造成了極大的安全隱患。碼頭管理單位不得不多次進行斷裂維修，但未從根本上解決斷裂情況的發生，斷裂情況呈現反復加重發展的趨勢。目前，我國港口設計規范中未對碼頭鋼軌有系統的設計和計算要求[9]，實際設計主要是參考建設部頒發的相關軌道選型圖集進行設計[10]，存在設計條件和使用條件嚴重不符的情況?；诖耍疚臄M制作設置1 頤1 實物模型，通過試驗測試的方式開展碼頭重型鋼軌應力試驗研究，從鋼軌受力分布方面分析斷裂原因，提出針對性的設計和維修施工建議，為設計和施工提供參考。

1 現場調研分析

通過對該碼頭2 條重型鋼軌現狀調查，發現2 條鋼軌均存在鋼軌斷裂情況，但靠船側斷裂明顯較另一側嚴重，靠船側鋼軌共出現26 處斷裂，斷裂位置與碼頭結構縫沒有明顯對應關系。從鋼軌斷裂形態可將破壞模式分為3 類，即彎曲型破壞、剪切型破壞和扭轉型破壞，如圖1 所示。其中，彎曲型破壞24 處，占92%；剪切型破壞和扭轉型破壞各1 處，各占4%。說明軌道主要是在豎向吊車荷載反復作用下產生的彎曲型破壞。

經過現場測量，卸船機正常工作狀態下軌道斷裂處最大位移高達11 mm，推斷位于軌道下方支撐結構發生嚴重破壞，即存在膠墊板失效、鋼墊板發生大變形、膠泥層壓潰破壞的情況。根據文獻[1，7]，作者分析造成軌道斷裂有多方面的原因，但給出的軌道安裝誤差、設備制作精度誤差、焊縫質量缺陷、溫度變化等原因均只是定性的原因分析，有必要從受力模式方面開展鋼軌斷裂點處的真實受力狀況測試與分析。

圖1 軌道破壞模式分類Fig.1 Classification of rail fracture modes

2 試驗設置

2.1 試驗設計

為模擬現場軌道受力狀態，采用與現場相同軌道結構形式，鋼軌型號為QU120，輪距為1.2 m。碼頭裝卸機軌道結構自上而下主要包括鋼軌、橡膠墊板、承壓調平鋼板、膠泥找填充層、混凝土軌道梁。試驗模型如圖2 所示。

圖2 試驗模型設計（mm）Fig.2 The design of test model(mm)

本試驗在實驗室試驗采用雙點靜力加載模擬相鄰兩處輪壓的作用，兩個加載點距離1.2 m，試驗共設計3 種輪壓工況，每種工況軌道長3 m，不同工況鋼軌焊縫位置不同，即焊縫在兩個加載點外側（工況一）、焊縫在其中一個加載點正下方（工況二）、焊縫在兩個加載點中間（工況三），如圖3 所示。

2.2 試件制作

試件制作主要包括鋼筋混凝土軌道梁制作、安裝鋼板，澆筑膠泥和安裝鋼軌3 個階段，以上步驟均在工廠完成。

混凝土軌道梁制作中，首先綁扎鋼筋（軌道梁配筋斷面圖如圖4 所示），并在兩端預留吊點，然后將錨固螺栓焊接到主筋，最后支模澆筑混凝土，養護成型?；炷辆哂谐跗趶姸群?，安裝鋼墊板，并在鋼墊板與混凝土支座之間澆筑軌道膠泥層。將鋼軌扣板焊接到鋼墊板上，安放膠墊板，然后將鋼軌安裝在膠墊板上，擰緊鋼板扣板。模型制作和細部構造完全參照碼頭現場實際情況，按1頤1等比例模擬。

圖3 各工況測點布置圖Fig.3 Measuring points layout for various cases

圖4 軌道梁配筋斷面圖Fig.4 Section diagram of rail beam reinforcement

2.3 材性性能

鋼軌型號為QU120，分別選取鋼軌母材處和焊縫處制作試樣，其形狀和尺寸參照GB/T 228—2016《金屬材料室溫拉伸試驗方法》相關規定，測試其屈服強度fy、屈服應變著y、極限強度fu、極限應變著u 和彈性模量Es。鋼軌材性試驗結果如表1所示。

表1 鋼軌材性試驗結果Table 1 Material characteristic test results of steel rail

軌道梁混凝土強度為C40，EC=3.25伊104MPa。試驗用橡膠墊板厚度為12 mm，彈性模量為10 MPa，試驗用鋼墊板厚度為25 mm，彈性模量為200 GPa。

2.4 加載制度和測點布置

試驗加載裝置采用200 t 千斤頂，利用分配梁雙點加載到鋼軌上表面，模擬現場輪壓荷載，試驗加載裝置如圖5 所示。試驗方法為單調軸向加載，采用力控制。本工程作業工況設計輪壓為45 t，因此所加荷載大小由0 t 分級增加到100 t，然后分級緩慢卸載。所施加荷載通過分配梁及受力支座進行二次分配到鋼軌上，從而形成作用于軌道上兩處幅值相同的作用力。每組試驗工況均進行10 個循環加卸載測試。

圖5 模型試驗加載裝置Fig.5 The load settings of model test

試驗過程中需要測量的物理量包括力、軌道位移和軌道應變。通過力傳感器測量豎向施加作用力。采用10 個位移計測量荷載作用下的鋼軌位移。在軌道兩側關鍵位置布置應變片，測量鋼軌應變。各工況變形、應變測點布置如圖3 所示。

3 試驗結果分析

3.1 荷載-位移曲線

圖6 給出試驗得到的部分荷載-位移曲線。

圖6 不同工況典型測點荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of typical measuring points under different working conditions

由圖6 中工況一H 點、工況二H 點和工況三I 點可以看出加載荷載在300 kN 以前，隨著荷載的增大，變形增長較快，曲線成線性。300 kN 以后，隨著荷載的增大，鋼軌變形增長較慢，曲線成非線性。由以上現象分析可知：當加載荷載為300 kN 以前時，變形較大，曲線成線性主要原因如下：

1）由于試驗中混凝土軌道梁底座平整度存在一定制作誤差，該誤差導致軌道梁與地面存在不均勻空隙，因而在加載過程中會出現四邊形地面三邊支撐現象，從而引起結構在初始階段剛度較低，在四邊全面壓實后，結構達到整體變形。

2）由于橡膠墊為超彈性材料，其彈性模量隨其受拉壓應力狀態而改變。

3）鋼軌構件制作過程構件尺寸誤差。

4）鋼材、焊縫等材料強度的離散性。

當加載荷載為300 kN 以后，由于混凝土基座和膠墊板被壓實，剛度增大，結構整體變形，位移增長很小。鋼軌橡膠墊由于彈性模量（10 MPa）遠小于鋼軌彈性模量（200 GPa），橡膠墊率先發生大變形。因此在輪壓疲勞荷載作用下，橡膠墊出現破壞幾率將遠大于鋼軌。

由圖6 中工況一J 點、工況二B 點和工況三J點可以看出，鋼軌位移呈現正負交替，說明軌道被翹起，這就是“曲弓波”效應。“曲弓波”效應會導致扣板螺栓松動，甚至是損壞，進而致使鋼軌在正負位移反復作用下發生折斷。

3.2 荷載-應變曲線

3.2.1 破壞模式

由截面應變分布圖可知上翼緣受壓，且壓應變最大；下翼緣受拉，且拉應變最大?，F取工況一6 位置上翼緣（6-3）和下翼緣（6-7）荷載-應變圖和工況二8 位置上翼緣（8-3）和下翼緣（8-7）荷載-應變圖進行分析，如圖7 所示。

圖7 鋼軌翼緣荷載-應變曲線Fig.7 Load-strain curve of rail flange

由圖7 所示，工況一6-3（焊縫處）鋼軌上翼緣受壓應變最大達到-731 滋著；工況二8-7（焊縫處）鋼軌下翼緣受拉應變最大達到1 429 滋著。由材性試驗可知屈服應變在5 000 滋著左右。由此可知：鋼軌在輪壓荷載作用下處于彈性狀態，破壞模式為疲勞破壞而非極限承載力破壞模式。

3.2.2 焊縫處應力集中

圖8 給出了工況一和工況二軌道焊縫處和與其對稱母材處的荷載-應變曲線，根據圖3（a）、（b）測點布設，工況一焊縫測點對應1 位置，母材測點為與其對稱的6 位置；工況二焊縫測點對應8 位置，母材測點為與其對稱的11 位置。從圖8可以明顯看出焊縫處產生了應力集中情況，焊縫處應變較對稱母材處更大。如取試驗荷載900 kN時，對應工況二中焊縫處上、下翼緣應變分別為-520 滋著、1 429 滋著，與其對稱位置的母材處上、下翼緣應變分別為-140 滋著、262 滋著?？梢姾缚p處較母材處，在上、下翼緣處壓、拉應力分別增加271%及445%。

圖8 焊縫與母材應變對比圖Fig.8 Strain contrast diagram of weld joint and base metal

應力集中主要是由于鋼軌焊接時截面削弱，焊接過程中不同程度的電弧擦傷鋼軌，出現凹坑，或者是焊縫上有超標露頭缺陷熔渣、孔洞和過熱引起沿晶液化裂紋等造成的。從現場斷裂處焊縫斷面質量看，本工程采用的人工電弧焊質量普遍較差，在長期承受車輪反復碾壓的高應力作用時，焊縫處首先發生破壞，導致鋼軌斷裂破壞多出現在焊縫處。

3.2.3 膠墊板損壞寬度對軌道應變影響

工況二（加載點在焊縫處）在進行加載實驗時，調整焊縫下膠墊板的損壞寬度，分別為0 cm，2 cm，5 cm，10 cm，50 cm 等5 個不同工況。分別對比焊縫處膠墊板損壞寬度對此處上翼緣8-3、下翼緣8-7 和軌腰8-5 應變水平的影響規律。獲得在3 個位置處不同墊板損壞寬度下的荷載-應變曲線，如圖9 所示。

由圖9（a）、圖9（b）可以看出：隨著焊縫下膠墊板損壞寬度的增加，鋼軌焊縫處應變會隨著增大。如圖9（b），膠墊板破損0 cm、2 cm、5 cm、10 cm、50 cm 時，在加載荷載900 kN（等效輪壓45 t）作用下的下翼緣最大應變分別為966 滋著、974 滋著、997 滋著、1 013 滋著、1 317 滋著，分別增大了0.83%、3.2%、4.9%、36.3%。而由圖9（c）可知膠墊板損壞寬度對豎向應變的影響不大。

以上對位移數據的分析，可見鋼軌下膠墊板會首先被壓壞，而焊縫處的應力集中現象會使焊縫下的膠墊板最先發生破壞。隨著膠墊板損壞程度的不斷增加，鋼軌的應變會越來越大，進而加速了鋼軌的破壞。

圖9 膠墊板損壞寬度對軌道應變影響Fig.9 The effect of damaged width of rubber plate on rail strain

4 結論與建議

通過對位移數據和應變數據的分析，可以得到以下結論：

1）由荷載位移曲線分析可知：在裝卸機正常運行時，鋼軌下的膠墊板由于剛度較小，會首先被破壞，進而鋼軌承受壓力。所以在條件允許情況下，建議采用高彈性模量橡膠墊，例如采用橡膠-鋼板-橡膠三文治夾層墊，這種嵌入鋼墊板可以有效提高膠墊板的剛度。

2）鋼軌在“曲弓波”效應下會導致扣板螺栓松動，甚至是損壞，進而致使鋼軌在正負位移反復作用下發生折斷。

3）鋼軌在設計輪壓作用下，處于彈性狀態，沒有產生塑性應變，破壞模式為疲勞破壞而非極限承載力破壞模式。

4）焊縫處存在應力集中現象。焊縫處應力水平要比對稱位置高出3~5 倍，焊縫處由于受力較大會首先發生破壞。建議：淤提高現場焊接水平，提高焊縫質量，建議采用質量更可靠的鋁熱焊接工藝；于打磨處理：用角向磨光機打磨高出鋼軌斷面的焊縫，使其高低差和側向錯位不大于依1 mm，減少應力集中。

5）膠墊板是鋼軌支撐系的薄弱點，隨著損壞寬度的增加，焊縫處的應力水平會隨之增加，加速了鋼軌焊縫處發生破壞。建議應定期檢查膠墊板損壞情況，及時更換損壞、老化失效的膠墊板。