城市軌道交通新型大調(diào)高量扣件系統(tǒng)設(shè)計研究

段玉振，王 敏，陳 鵬，陳應(yīng)東

（1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室，北京 100037；4. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031）

1 引言

城市軌道交通土建結(jié)構(gòu)不均勻沉降是工程中常見病害，不均勻沉降大小受工程地質(zhì)條件、施工工藝及施工質(zhì)量等方面的影響。土建結(jié)構(gòu)不均勻沉降導(dǎo)致軌道不平順，嚴(yán)重時可影響行車安全。不均勻沉降較小時可通過軌道扣件調(diào)高來解決，但城市軌道交通常用無螺栓彈條扣件最大調(diào)高量為30 mm，若沉降量超過30 mm，常規(guī)扣件就無法滿足調(diào)高需求。此類問題的常規(guī)處理方案是鑿除部分或者鑿除大部分道床后重新調(diào)整軌道標(biāo)高及澆筑混凝土，但在線路運營期間采用此種方案特別困難，且施工繁瑣、進(jìn)度緩慢、造價較高。鑒于此，本文結(jié)合工程需求，研發(fā)了一種新型城市軌道交通用施工方便快捷的大調(diào)高量扣件系統(tǒng)。

2 設(shè)計參數(shù)及評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 結(jié)構(gòu)部件及材料參數(shù)

新型大調(diào)高量扣件系統(tǒng)主要基于DTVI2-1型扣件進(jìn)行設(shè)計。為保證能與已運營線路上的DTVI2-1型扣件互換，且盡量少地增加螺旋道釘受力，本設(shè)計主要對鐵墊板軌底范圍進(jìn)行加厚，螺旋道釘處鐵墊板不加厚，鐵墊板加厚之后總厚度為68 mm，其余扣件系統(tǒng)的零部件與DTVI2-1型通用。扣件系統(tǒng)組裝圖見圖1，主要部件材料屬性見表1。

表1 扣件系統(tǒng)部件材料參數(shù)

圖1 大調(diào)高量扣件系統(tǒng)組裝圖

2.2 靜力計算荷載

本文重點研究螺旋道釘及鐵墊板的受力狀態(tài)，建模時將彈條簡化為扣壓力PK，并與列車垂向荷載PV一同施加在鐵墊板與軌下膠墊接觸面；列車橫向荷載PH考慮最不利情形，將其施加在彈條座側(cè)面。模型荷載如圖2所示，圖2中PL為彈條對彈條座的反力，P預(yù)緊為螺旋道釘固定鐵墊板的預(yù)緊力，P摩擦為橫向力作用下板下墊板對鐵墊板的反力，P支撐為軌枕對扣件系統(tǒng)的垂向反力。

圖2 荷載加載示意圖

本文按最不利的A型車考慮，軸重取17 t。參照TB 10082-2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》垂向荷載動力系數(shù)取2，橫向荷載系數(shù)取0.8。計算可得垂向荷載PV值為170 kN，橫向荷載PH值為68 kN。

其中根據(jù)DTVI2-1型扣件技術(shù)性能，彈條扣壓力PK為5.3 kN，由靜力平衡原理，彈條對彈條座的反力PL也為5.3 kN，方向豎直向上。

螺栓預(yù)緊力P預(yù)緊按照公式（1）計算：

式（1）中，d為螺栓的公稱直徑；T為預(yù)緊扭矩，取150 N · m。

由式（1）計算得到螺栓預(yù)緊力P預(yù)緊= 25 kN。

2.3 疲勞計算荷載

根據(jù)TB/T 3396.1～7-2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法》第4部分《組裝疲勞性能試驗》的要求，在如圖3所示的加載位置和方向?qū)︿撥壾夘^施加疲勞荷載P疲= 70 kN，加載角度為26°，由此計算得到鋼軌橫向疲勞荷載為PH= 70×sin26°= 31 kN，豎向疲勞荷載為PV= 70×cos26°= 63 kN。

圖3 疲勞荷載加載示意圖

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)及要求

新型大調(diào)高量扣系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)主要從靜力標(biāo)準(zhǔn)與組裝疲勞標(biāo)準(zhǔn)2方面考慮。靜力標(biāo)準(zhǔn)主要分析螺旋道釘及鐵墊板的受力，組裝疲勞標(biāo)準(zhǔn)主要有節(jié)點剛度、鋼軌橫向位移、疲勞前后單邊軌距擴張和軌底橫向量等。具體指標(biāo)如下。

（1）螺旋道釘采用45#鋼，根據(jù)GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，45#鋼的抗拉屈服強度為355 MPa。

（2）加厚型鐵墊板采用QT450-10球墨鑄鐵，根據(jù)規(guī)范GB/T 1348-2019《球墨鑄鐵件》，QT450-10球墨鑄鐵的抗拉屈服強度為310 MPa。

（3）扣件組裝加載循環(huán)次數(shù)300萬次后，所測扣件組裝靜剛度在25～35 kN/mm之間，所測扣件組裝件鋼軌動態(tài)橫移量小于3 mm，疲勞前后單邊軌距擴張和軌底橫向量小于3 mm。300萬次疲勞試驗前后，扣件系統(tǒng)未產(chǎn)生破壞和開裂。

3 新型大調(diào)高量扣件計算分析

3.1 靜力計算分析

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行計算，鐵墊板、螺旋道釘、墊圈、套筒、混凝土軌枕均采用實體單元進(jìn)行模擬，調(diào)高墊板采用彈簧單元模擬。有限元計算得到的調(diào)高80 mm扣件螺旋道釘應(yīng)力云圖如圖4所示，鐵墊板應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 螺旋道釘應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖5 鐵墊板應(yīng)力云圖（單位：Pa）

表2給出了3種調(diào)高扣件螺旋道釘、鐵墊板強度檢算結(jié)果，表2結(jié)果表明螺旋道釘、鐵墊板等受應(yīng)力幅值均未達(dá)到各自的屈服強度，滿足強度要求。

表2 扣件系統(tǒng)靜力計算結(jié)果

3.2 疲勞計算分析

應(yīng)用FE-SAFE軟件對扣件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)組裝、調(diào)高30 mm和調(diào)高80 mm這3種狀態(tài)進(jìn)行疲勞損傷分析。在ABAQUS中分析結(jié)構(gòu)在外部載荷下的響應(yīng)，將應(yīng)力應(yīng)變的時程結(jié)果文件導(dǎo)入FE-SAFE中，獲取疲勞載荷譜，設(shè)置疲勞算法、材料疲勞參數(shù)，結(jié)合損傷累計準(zhǔn)則，計算得出疲勞分析結(jié)果文件，并將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行查看。本文計算得出的疲勞分析結(jié)果主要有疲勞強度因子與疲勞壽命。

疲勞荷載譜采用正弦加載，加載頻率4 Hz，循環(huán)荷載次數(shù)500萬次。由此，計算出疲勞強度因子FOS，若疲勞強度因子FOS大于1，則表明在500萬次疲勞加載下部件未有疲勞損傷破壞，否則部件產(chǎn)生疲勞損傷破壞；疲勞荷載譜不限制循環(huán)500萬次數(shù)時將得出疲勞壽命。

圖6、圖7、表3、表4分別給出了螺旋道釘、鐵墊板疲勞強度因子云圖，以及螺旋道釘、鐵墊板疲勞壽命。由圖6、圖7、表3、表4可知，新型大調(diào)高量扣件系統(tǒng)螺旋道釘、鐵墊板的疲勞強度因子均大于1，螺旋道釘、鐵墊板的疲勞壽命分別為8.51×106次和1×107次，滿足TB/T 3396.1～7-2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法》第4部分《組裝疲勞性能試驗》所要求的3×106次的要求。

圖6 螺旋道釘疲勞強度因子云圖

圖7 鐵墊板疲勞強度因子云圖

表3 扣件系統(tǒng)疲勞強度因子

表4 扣件系統(tǒng)疲勞壽命

4 試驗分析

4.1 室內(nèi)試驗

新型大調(diào)高量扣件設(shè)計及計算分析完成后，進(jìn)行了相關(guān)室內(nèi)試驗，室內(nèi)試驗主要是疲勞性能及組裝靜剛度的測試，如圖8所示，扣件組裝靜剛度、組裝疲勞性能檢測結(jié)果如表5所示。

圖8 室內(nèi)疲勞性能試驗

表5 扣件系統(tǒng)組裝靜剛度、組裝疲勞性能試驗結(jié)果

4.2 實驗段試驗

為驗證研發(fā)的城市軌道交通用新大調(diào)高量扣件系統(tǒng)的各方面性能，建立城市軌道交通用新大調(diào)高量扣件系統(tǒng)試驗段，試驗段現(xiàn)場如圖9所示。試鋪效果證明了城市軌道交通用新大調(diào)高量扣件系統(tǒng)施工速度快、勞動強度小、軌距保持能力可靠、軌道動態(tài)及靜態(tài)幾何尺寸滿足規(guī)范要求。

圖9 新型大調(diào)高量扣件試驗段

5 結(jié)語

城市軌道交通新型大調(diào)高量扣件系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用是針對城市軌道交通工程運營后土建結(jié)構(gòu)不均勻沉降較大，常規(guī)軌道扣件系統(tǒng)調(diào)高量已無法滿足其調(diào)高要求問題，并結(jié)合工程現(xiàn)場需求設(shè)計及研發(fā)的。此扣件系統(tǒng)調(diào)高量由原來的30 mm提升至80 mm，可替代常規(guī)鑿除道床重新澆筑城軌臺或道床的方案，在加快運營線路的施工改造、快速調(diào)整軌道幾何尺寸等多方面具有一定優(yōu)勢，目前已在最大不均勻沉降量達(dá)70 mm處的線路上應(yīng)用，效果良好。該大調(diào)高量扣件系統(tǒng)的研發(fā)可為后續(xù)解決土建結(jié)構(gòu)不均勻沉降較大的問題提供借鑒和參考。