彈性分開式扣件板下彈性墊板靜剛度試驗及評價

趙澤明，胡小剛，韋 凱，江萬紅

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

彈性分開式扣件因其安裝方便、性能可靠，被廣泛應用于地鐵線路設計中，常見的有DTIII，DZIII，DTVI2型等。彈性分開式扣件系統(tǒng)一般采用雙層彈性墊板，包括軌下彈性墊板和鐵墊板下彈性墊板2類，扣件系統(tǒng)剛度也由軌下彈性墊板和板下彈性墊板共同決定。目前，鐵路系統(tǒng)中一般采用靜剛度指標對彈性墊板的靜力性能進行評價，即通過測試彈性墊板在真實服役受力范圍內(nèi)(扣件正常安裝產(chǎn)生的彈性墊板初始壓力疊加輪軌系統(tǒng)對扣件動作用力形成的受力范圍)的等效靜剛度來評價彈性墊板的靜力性能。然而，彈性墊板多采用TPEE或橡膠類高分子材料制成，其荷載-位移曲線具有較強的非線性特性，導致彈性墊板的靜剛度測試結(jié)果受測試荷載取值范圍影響很大。

彈性分開式扣件其軌下彈性墊板和板下彈性墊板的靜剛度初始壓力荷載分別由彈條扣壓力[1]及錨固螺栓對鐵墊板的預緊力決定。對于軌下彈性墊板靜剛度的測試，可借鑒TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第一部分:通用技術條件》[2]與GB/T 21527—2008《軌道交通扣件系統(tǒng)彈性墊板》[3]中靜剛度荷載范圍和測試方法。但對于板下彈性墊板靜剛度的測試，尚無相關的規(guī)范規(guī)定，若單純依照軌下彈性墊板靜剛度測試荷載范圍進行測試，勢必由于靜剛度測試范圍選取不準確造成測試結(jié)果同實際產(chǎn)生較大的差異。

基于此，本文以我國地鐵常用的DZIII型彈性分開式扣件為例，首先計算錨固螺栓在不同緊固扭矩作用下產(chǎn)生的初始預壓力，然后對TPEE和橡膠材質(zhì)的板下彈性墊板在不同初始預壓力作用下的靜剛度進行測試和評價。研究可為彈性分開式扣件板下彈性墊板靜剛度的測試及評價提供參考。

1 錨固螺栓對板下彈性墊板初始預壓力計算

DZIII型扣件系統(tǒng)主要由錨固螺栓、彈簧墊圈、e型彈條、絕緣軌距塊、軌下彈性墊板、鐵墊板、板下彈性墊板和定位于混凝土軌枕的預埋套管組成，如圖1所示。

圖1 DZIII型扣件系統(tǒng)組裝示意

對于DZIII型扣件，板下彈性墊板初始預壓力主要由錨固螺栓緊固扭矩產(chǎn)生的預緊力提供。根據(jù)參考文獻[5]，錨固螺栓緊固扭矩與預緊力的關系可簡化為

式中:M為錨固螺栓緊固扭矩，N·m；P為錨固螺栓軸向預緊力，kN；R為螺母承力面外半徑，mm；r為螺母承力面內(nèi)半徑，mm；d2為螺紋中徑，mm；β為螺紋半角，(°)；t為螺距，mm；f為螺母與被連接件支承面間的摩擦因數(shù)；f′為螺旋副間的摩擦因數(shù)。

由于式(1)中tf′項很小，故式(1)可簡化為

式中:d為螺栓公稱直徑，mm；k為錨固螺栓緊固扭矩系數(shù)，其值為

DZШ型扣件系統(tǒng)中，錨固螺栓型號為M30，材質(zhì)為45號鋼，其公稱直徑d＝30 mm，螺紋中徑d2＝27 mm，螺紋半角β＝30°/2，螺距t＝6 mm，螺母承力面外半徑R＝23 mm，螺母承力面內(nèi)半徑r＝15.5 mm。錨固螺栓與預埋套管安裝連接時涂有黃油，故考慮一定的潤滑性，取摩擦因數(shù)f＝f′＝0.1[6]。則錨固螺栓緊固扭矩系數(shù)由式(3)計算可得k＝0.143。因此在不同緊固扭矩作用下錨固螺栓的預緊力可由式(2)計算得到。

由于彈性分開式扣件系統(tǒng)由2顆錨固螺栓固定鐵墊板，且鐵墊板厚度較大不考慮彎曲變形，故可近似認為板下彈性墊板受力均勻且初始預壓力為錨固螺栓預緊力的2倍。參考DZIII型扣件設計采用的扭矩值，分別計算不同扭矩下所產(chǎn)生的錨固螺栓預緊力及板下彈性墊板初始預壓力，結(jié)果如表1所示。

表1 錨固螺栓在不同扭矩下產(chǎn)生的預緊力及初始預壓力

由表1可知，錨固螺栓緊固扭矩產(chǎn)生的錨固螺栓預緊力與板下彈性墊板初始預壓力隨著緊固扭矩的增加而增加。與緊固扭矩為150 N·m相比，當緊固扭矩達到250 N·m時所產(chǎn)生的錨固螺栓預緊力與板下彈性墊板初始預壓力增加了67%。由此看出，錨固螺栓在不同緊固扭矩下對板下彈性墊板初始預壓力的影響很大。

2 板下彈性墊板靜剛度試驗

2.1 試驗準備

本次測試的試驗對象為適用于DZIII型扣件系統(tǒng)的TPEE和橡膠類板下彈性墊板，如圖2所示。

圖2 DZIII型板下彈性墊板

試驗設備及配件主要有萬能試驗機、DZIII型扣件鐵墊板、短鋼軌、支承鋼板、百分表等。

1)試驗機。為上海華龍微機控制電液伺服萬能試驗機，最大可施加1 000 kN荷載，并可精確控制加載范圍和速率。

2)DZIII型扣件系統(tǒng)鐵墊板。

3)短鋼軌。采用60 kg/m短鋼軌，長度大于鐵板寬，約200 mm；

4)支承鋼板。長寬大于鐵墊板，且厚度大于20 mm；

5)百分表。示值精度為0.01 mm；

將試驗配件按短鋼軌、鐵墊板、砂紙(砂粒面朝下)、板下彈性墊板、砂紙(砂粒面朝上)、支承鋼板等依次從上到下放置，試驗裝置如圖3所示。

圖3 板下彈性墊板試驗裝置

2.2 試驗方案

由于板下彈性墊板屬于高分子材料，具有很強的非線性特征，在剛度測試時其動態(tài)力學行為與環(huán)境溫度、荷載頻率、預壓幅值緊密相關[7-8]。因此，在板下彈性墊板的靜剛度試驗中，應嚴格控制環(huán)境溫度、加載速率等因素的影響[9]。

具體測試時，首先將組裝好的試驗裝置放置于23±3℃環(huán)境中保持24 h；恒溫保持后，以5 kN/s的加載速率對試驗對象進行2次0～240 kN預加載以消除板下彈性墊板的Mullins效應[10]；完成預加載后進行正式加載，正式加載時以1 kN/s的加載速率進行，同時每隔10 kN設置1個加載點逐級加載至200 kN，每級荷載加載之后保持60 s，并記錄百分表讀數(shù)穩(wěn)定后板下彈性墊板的位移。

2.3 試驗結(jié)果

分別對TPEE和橡膠類板下彈性墊板的試樣A，B進行測試，2個百分表的測試結(jié)果如表2所示。

表2 板下彈性墊板靜力測試數(shù)據(jù)

取試樣A，B的位移平均值作為該類材料板下彈性墊板的位移，據(jù)此可作出板下彈性墊板的荷載-位移曲線，如圖4所示。

圖4 DZIII型板下彈性墊板荷載-位移曲線

從圖4測試結(jié)果可以看出，TPEE板下彈性墊板在20～120 kN荷載范圍內(nèi)荷載-位移曲線呈直線狀態(tài)，即具有較強的線性特征，當荷載高于120 kN時，其荷載-位移曲線斜率變大，體現(xiàn)出較強的非線性特征。然而，橡膠類板下彈性墊板在整個荷載范圍內(nèi)(10～200 kN)均呈現(xiàn)出較強的非線性特征，其荷載-位移曲線的切線剛度隨荷載增加而緩慢增大。

扣件板下彈性墊板靜剛度KSTA計算公式為

式中:F1，F(xiàn)2分別為靜剛度計算選取荷載范圍的2個荷載節(jié)點的值，kN；D1，D2分別為荷載F1，F(xiàn)2對應的位移值，mm。

列車通過時輪軌沖擊產(chǎn)生的扣件動作用力一般可達到50 kN，因此，F(xiàn)2可在F1的基礎上疊加50 kN進行確定。

基于表2測試數(shù)據(jù)，計算不同初始荷載F1下板下彈性墊板等效靜剛度，結(jié)果如表3和圖5所示。

表3 板下彈性墊板靜剛度

圖5 板下彈性墊板靜剛度隨荷載F1變化關系

根據(jù)表3及圖5測試結(jié)果可以看出:TPEE板下彈性墊板靜剛度在F1為20～70 kN范圍內(nèi)幾乎保持穩(wěn)定，而在荷載F1為70～130 kN范圍內(nèi)逐漸增加，相比F1為20 kN時，F(xiàn)1為130 kN時所對應的靜剛度增加了1.66倍。而橡膠類板下彈性墊板靜剛度在荷載F1為20～130 kN范圍內(nèi)增長較快，相比F1為20 kN時，F(xiàn)1為130 kN時所對應的靜剛度增加了2.48倍。

3 緊固扭矩對板下彈性墊板靜剛度的影響分析與評價

根據(jù)表 1 計算結(jié)果，分別選取 70，80，95，105，115 kN作為荷載F1，對板下彈性墊板的靜剛度重新進行測試，分別用于評價錨固螺栓緊固扭矩為150，175，200，225，250 N·m時，板下彈性墊板在真實服役狀態(tài)下的靜剛度。

本次測試時，以5 kN/s的加載速率對板下彈性墊板進行2次預加載后，以1 kN/s的加載速率進行正式加載，正式加載期間只在板下彈性墊板靜剛度的荷載節(jié)點F1，F(xiàn)2的位置進行荷載保持，并記錄板下彈性墊板的位移，并對板下彈性墊板的靜剛度進行計算。計算結(jié)果如表4和圖6所示。

表4 不同緊固扭矩下板下彈性墊板靜剛度

圖6 板下墊板靜剛度隨緊固扭矩變化關系

由表4及圖6可以看出，不同緊固扭矩對板下彈性墊板靜剛度影響較大。與緊固扭矩為150 N·m相比，當緊固扭矩達到250 N·m時，TPEE和橡膠板下彈性墊板的靜剛度分別增加了78%和90%。因此，對于彈性分開式扣件，板下彈性墊板靜剛度的測試和評價應考慮錨固螺栓不同緊固扭矩的影響。

4 結(jié)論

本文研究了錨固螺栓不同緊固扭矩對彈性分開式扣件系統(tǒng)板下彈性墊板靜剛度的影響，并分別對TPEE和橡膠類板下彈性墊板進行靜剛度測試和評價，結(jié)論如下:

1)彈性分開式扣件系統(tǒng)錨固螺栓緊固扭矩對板下彈性墊板初始預壓力影響較大。錨固螺栓緊固扭矩為150，200，250 N·m時，板下彈性墊板的初始預壓力分別為69.94，93.24，116.54 kN。 緊固扭矩為 250 N·m 時所產(chǎn)生的板下彈性墊板初始預壓力約為緊固扭矩為150 N·m時的1.67倍。

2)板下彈性墊板靜剛度測試結(jié)果同荷載取值范圍密切相關，且同初始預壓力呈現(xiàn)正相關關系。對于TPEE板下彈性墊板材料線性特征較強，當初始荷載在一定范圍內(nèi)(20～70 kN)，靜剛度幾乎保持穩(wěn)定，當初始荷載超出70 kN時，靜剛度明顯增大。而橡膠類板下彈性墊板荷載-位移曲線在整個荷載范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出較強的非線性特征，靜剛度也隨初始荷載的增大而穩(wěn)步增大。

3)彈性分開式扣件板下彈性墊板的靜剛度受錨固螺栓緊固扭矩影響很大。當緊固扭矩為250 N·m時，TPEE和橡膠類板下彈性墊板的靜剛度分別約為緊固扭矩為150 N·m時的1.78倍和1.9倍。因此，建議板下彈性墊板靜剛度應根據(jù)扣件系統(tǒng)正常服役狀態(tài)下錨固螺栓緊固扭矩引起的初始預壓力進行測試和評價。