一種新型重型鋼軌接頭設計與力學性能試驗研究

程林，嚴加寶，黃明俊

（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.天津大學建筑工程學院，天津 300350；3.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

0 引言

作為碼頭門機支撐系統的“鋼軌”是聯系上部機械設備和下部碼頭結構的重要港口設施，公開文獻[1-4]的調查和報道顯示，碼頭連續無縫鋼軌損傷斷裂的情況較為普遍，而鋼軌在接頭處的傷損量占傷損總數的50%耀60%。由于接頭損傷斷裂產生的維修維護成本占到鋼軌維護總成本中的40%左右，筆者近年對碼頭鋼軌斷裂進行了一系列的相關試驗和分析研究[2-3]，鋼軌接頭作為連續無縫長軌中的“薄弱”部位，通過優化接頭結構形式和連接方式可以有效改善鋼軌斷裂的影響，降低日常維護的成本和設備運營的安全風險。

鋼軌伸縮縫接頭是根據鋼材熱脹冷縮和焊接工藝的影響確保長軌溫度變形而設置的一種接頭，是碼頭無縫鋼軌設計中的一種結構性接頭，接頭設置的間距受接頭形式、環境溫差等因素影響，現行設計圖集中給出的接頭形式主要有平接頭、斜接頭、Z字形接頭、凸字形接頭等接頭形式[5-6]，工程應用存在諸多利弊。本文結合工程實際需求和伸縮縫接頭力學行為分析，參考“保險絲”的理論概念[7-10]，研究提出一種力學性能好、可更換、易于安裝和拆卸的新型軌道接頭裝置，通過室內試驗與數值模擬分析的方式對其力學性能、結構尺寸、安裝方式進行研究和設計，確定和給出了接頭裝置結構設計的最優技術參數，為解決碼頭鋼軌接頭斷裂問題提出了一種有益的探索和解決方案。

1 新型軌道接頭設計

1.1 概念及工作原理

鋼軌伸縮縫接頭是釋放鋼軌溫度應力和變形的構造設計，同時也是保障輪壓荷載水平傳遞的過渡結構，是鋼軌受力的薄弱部位。為了達到減少維修工作面、便于拆卸與安裝、減少維修時間、降低維修成本的目的，將接頭設計成一種可更換的簡易裝置非常有必要。

美國學者率先提出保險絲節點概念[9-10]，文獻[7-8]將保險絲接頭的概念應用在建筑結構設計中。具體設計原理是：

1）設計過程中，基于受力分析，人為對易損傷位置進行承載力削弱，將結構物損傷集中于該節點處；

2）該保險絲節點可拆卸，作為易耗品進行更換，從而實現對結構主體保護，降低結構震后維修成本。

基于以上概念和思路，本研究提出了一種可拆卸的新型保險絲軌道接頭，如圖1所示。

圖1 新型保險絲軌道接頭組成Fig.1 Units parts of the new fuse rail joint

具體設計如下：

1）將易損傷接頭與長軌進行離散，采取螺栓+魚尾板形式進行連接，如圖2所示。

圖2 雙螺栓連接的新型保險絲軌道接頭設計詳圖Fig.2 Detail design draw of double bolts for the new fuse rail joint

2）短軌處采用“L”形接頭構造，短軌接頭與長軌之間的伸縮縫寬度A由式（1）確定：

式中：α為鋼軌線膨脹系數，按照鋼軌產品材料提供，如無，建議取值12伊10-6/益；L為設計長軌長度；Th為夏季軌道安裝地鋼軌最高溫度；Ta為安裝維修時當地氣溫下鋼軌溫度。

3）短軌與魚尾板進行焊接，保證兩者的完整性且方便連接于長軌。

基于上述設計思路，采用雙螺栓連接方式的軌道新型接頭設計如圖2所示。

1.2 接頭模型設計制作

基于上述原理與初步設計，本研究制作了保險絲新型軌道接頭物理模型，具體制作過程主要包含以下幾個步驟：

1）從鋼軌母材上切割制作短軌，滿足短軌與長軌母材連續性，同時在短軌軌腰處預留塞焊焊接孔洞。

2）將短軌與連接魚尾板進行塞焊焊接及邊緣角焊縫連接，將魚尾板與短軌焊接前，在魚尾板中心預留螺栓孔，以備與長軌進行螺栓連接。

3）將焊接完成后的短軌及魚尾板與長軌進行連接，本項目試驗采用20 mm的伸縮縫。

2 新型軌道接頭力學性能試驗

2.1 試驗裝置

試驗基座完全按照實際碼頭工程設計制作足尺寸模型，具體試驗設置參見文獻[2]所述，典型試驗裝置如圖3所示。

圖3 接頭測試試驗裝置示意圖Fig.3 Test model for the new rail joint

2.2 試驗方案

為了研究軌道接頭范圍內不同位置處的變形和應變響應，采用單輪加載的方式將輪壓荷載施加于接頭中心處（A）、螺栓處（B）、伸縮縫處（C）、螺栓中間（D）處、接頭外（E），5種不同加載工況如圖4所示。加載裝置采用200 t千斤頂，試驗加載采用分級加載（0 t—50 t—0 t—75 t—0 t—100 t）模擬單輪壓荷載，每級荷載持續5 min并進行3個加載卸載循環試驗。

圖4 試驗加載工況設置示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram of test loading condition setting（mm）

試驗中在各加載點對應位置軌身斷面處設置應變測點，每個測點布設7組應變片，其中在軌腰處布設5組，2組應變片用于量測鋼軌剪切應變，在上翼緣和下翼緣分別布設1組水平應變片，并沿軌道長度方向布置位移計。

2.3 試驗結果

2.3.1 荷載-撓度性能

試驗測試了單輪加載方式5種工況的撓度數據，其中A工況輪壓作用下的荷載-撓度曲線如圖5所示，輪壓作用下軌道接頭鋼軌變形包絡圖如圖6所示。

圖5 A工況輪壓作用的荷載-撓度變形圖Fig.5 Load-deflection deformation curves under wheel pressure of testing cases A

圖6 A工況輪壓作用的軌道接頭鋼軌變形包絡圖Fig.6 Envelope diagram of rail deformation of rail joint under wheel pressure of testing cases A

由各工況下荷載-撓度試驗曲線分析可得出：

1）每條荷載-撓度曲線均呈現出兩個工作階段，荷載撓度曲線的初期剛度明顯小于第二階段剛度。在加載初期（荷載20~30 t），荷載-撓度曲線呈現出明顯的幾何非線性，曲線剛度明顯隨鋼軌位移增加而變大，這一階段荷載-撓度曲線受膠墊板彈性模量及剛度等參數影響較大。

2）隨著輪壓增大，不同加載點處荷載-撓度曲線呈現出線性行為。在荷載-撓度曲線第二階段，主要由鋼軌彎曲及剪切變形引起，而此時鋼軌仍處于彈性工作狀態。

由各工況下鋼軌變形包絡曲線分析可得出：

1）輪壓作用于接頭伸縮縫處時，軌道接頭撓度遠大于接頭其它位置。說明輪壓作用在伸縮縫處產生最不利變形。

2）輪壓作用于接頭中心線處輪壓作用影響范圍最廣，作用于接頭伸縮縫處次之，作用于其余位置時，輪壓影響范圍接近。輪壓作用影響范圍為820~1 200 mm，新型軌道接頭一側的軌道撓度遠大于長軌一側輪壓影響范圍。

2.3.2 荷載-應變曲線

試驗測試了5種工況的鋼軌軌身應變數據，其中A工況的荷載-應變曲線如圖7所示。

圖7 A工況輪壓作用軌道接頭鋼軌軌身應變圖Fig.7 Strain diagram of rail body of rail joint under wheel pressure of testing cases A

通過各工況下荷載-應變試驗曲線統計分析可以得出：

1）100 t輪壓作用于軌道接頭接縫處呈現出最大軌頭受壓及軌底受拉應力，分別為762滋著和-536滋著。表明，接縫處為新型軌道接頭最為薄弱處，最易損傷。在輪壓50 t及100 t作用下，鋼軌接頭最大拉壓應變值均遠小于鋼軌屈服應變，可見新型接頭將由疲勞荷載主導其破壞模式。

2）100 t輪壓作用于新型軌道接頭中心線處，呈現出第二大軌頭及軌底拉壓應變。軌頭及軌底最大壓、拉應變分別為612滋著及-285滋著。表明，輪壓作用于接頭中心線處時為設計次最不利位置。

3）100 t輪壓作用于長軌不同位置時，長軌不同截面最大壓、拉應變差別不大，數值均小于400滋著，遠小于作用于接縫處拉壓應變。

3 基于有限元分析的新型軌道接頭尺寸優化設計

為了驗證和補充物理模型試驗的試驗數據，采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對新型軌道接頭建立精細化有限元模型，考慮鋼軌、膠墊板、鋼板、軌道膠泥、扣板系統的影響和約束作用，分析在100 t輪壓荷載作用于接頭伸縮縫處的受力狀態，并優化設計短軌接頭長度，螺栓個數，魚尾板厚度及底部膠墊寬度。

3.1 短軌長度影響

數值模擬分析了不同長度短軌下對于保險絲軌道接頭受力性能的影響，結果表明：100 t輪壓下，短軌長度100 mm和300 mm時接頭處的最大應力值為464 MPa和639 MPa，同時對比分析了短軌長度為120 mm、140 mm、160 mm和180 mm時接頭模型應力云圖，發現隨著短軌長度的減小接頭應力值也隨著減小，考慮伸縮縫的設置安裝經濟性，本新型保險絲軌道接頭中的短軌長度建議取值為150~180 mm。

3.2 螺栓個數影響

數值模擬分析了單個和2個連接螺栓下對于保險絲軌道接頭受力性能的影響，結果表明：100 t輪壓下，接頭處的雙螺栓軌道接頭較單螺栓時軌道接頭上翼緣的最大主壓應力和下翼緣的最大主拉應力值變化幅值均低于3%，但雙螺栓相較于單螺栓軌道接頭在輪壓作用位置處的最大豎向位移減少了約14%，分析結果表明采用雙螺栓軌道接頭對于軌道的變形約束有顯著改善，新型接頭優先采用雙螺栓連接方式。

3.3 魚尾板厚度影響

數值模擬分析了27 mm、60 mm不同魚尾板厚度對于保險絲軌道接頭受力性能的影響，結果表明：60 mm加厚魚尾板能夠有效降低新型軌道接頭的最大主壓應力值，相較于27 mm厚的魚尾板，有效降幅達到14%。可見，在考慮魚尾板受形狀限制的前提下，厚度設計成60 mm可以有效提高其抗彎剛度，且不產生接頭下翼緣與加厚魚尾板接觸位置的應力值顯著增幅。

3.4 接頭范圍內膠墊板寬度的影響

膠墊板作為鋼軌向下傳遞荷載的過渡層，其剛度、厚度、寬度都對應力傳遞和擴散有明顯影響。數值模擬重點分析了接頭處180~270 mm不同寬度膠墊板對于軌道接頭受力性能的影響，從數值分析結果看，膠墊板可有效緩解膠泥局部壓應力集中。當對底部180 mm膠墊加寬處理到280 mm時，100 t輪壓荷載作用于軌道接頭上翼緣的最大主壓應力值降幅23.5%，而膠墊下的條形鋼墊板的應力值由144 MPa增加到166 MPa。可見，較鋼墊板受力影響而言，增加接頭處下部膠墊板寬度可以顯著降低接頭處短軌應力值，建議采用局部加寬膠墊板。

4 結語

根據新型保險絲軌道接頭的部件設計及室內靜力性能試驗研究，并通過有限元模擬優化新型保險絲軌道接頭參數，主要得到以下結論：

1）輪壓作用于接頭伸縮縫處時，軌道接頭撓度遠大于接頭其他位置。輪壓作用于接頭中心線處輪壓傳遞范圍最廣，輪壓有效作用區間為1 200 mm；作用于接頭伸縮縫處次之；作用于其余位置時，輪壓傳播范圍較接近。基于試驗研究結果，新型軌道接頭處膠墊板宜采取彈性模量為長軌膠墊3倍以上的支撐膠墊，以保證其使用壽命。

2）接縫處為新型軌道接頭最為薄弱處，最易損傷。新型軌道接頭是由疲勞荷載主導其破壞模式。因此，在軌道新型接頭制作及加工過程中，在接縫處的焊接及切割處，應需打磨，以免造成局部應力集中。

3）提出新型保險絲軌道接頭的尺寸優化建議：減小短軌長度有助于降低長軌應力值，設計時宜采用180 mm；加厚魚尾板截面厚度，增大了接頭處的抗彎剛度，宜選用厚度為60 mm魚尾板即與底部QU120鋼軌保持同一垂直線處；接頭與長軌的連接方式中優先考慮雙螺栓；宜加寬接頭范圍內膠墊板寬度，可以有效降低上部長軌上翼緣應力值，從而延長使用壽命。

本研究提出的一種新型軌道接頭裝置具有力學性能好、可更換、易于安裝和拆卸的特性，在解決碼頭鋼軌接頭斷裂問題上進行了積極的探索，為了驗證和完善細部設計和工程適用性，后續將進一步開展工程使用測試和優化。