某礦石碼頭重型裝卸機(jī)軌道焊接頭斷裂原因試驗(yàn)研究與分析

程林，原永泉，嚴(yán)加寶，趙吉剛

（1.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300452；2.營口港務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 營口 115007；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

碼頭裝卸機(jī)鋼軌斷裂情況在很多港口中多有發(fā)生，是具有較為普遍的技術(shù)共性難題，尤其是在運(yùn)行負(fù)荷更大的礦石碼頭中尤為突出[1-8]。東北某港區(qū)30 萬噸級礦石碼頭泊位全長762.97 m，碼頭結(jié)構(gòu)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(shè)置6 臺4 500 t/h抓斗門式裝卸機(jī)。軌道型號為QU120，材質(zhì)為U71Mn，錨固系統(tǒng)采用GANTREX 連續(xù)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(yùn)營以來，發(fā)現(xiàn)鋼軌在焊接接頭處先后出現(xiàn)數(shù)十處斷裂情況，鋼軌的多處斷裂給卸船機(jī)正常作業(yè)造成了極大的安全隱患。碼頭管理單位不得不多次進(jìn)行斷裂維修，但未從根本上解決斷裂情況的發(fā)生，斷裂情況呈現(xiàn)反復(fù)加重發(fā)展的趨勢。目前，我國港口設(shè)計規(guī)范中未對碼頭鋼軌有系統(tǒng)的設(shè)計和計算要求[9]，實(shí)際設(shè)計主要是參考建設(shè)部頒發(fā)的相關(guān)軌道選型圖集進(jìn)行設(shè)計[10]，存在設(shè)計條件和使用條件嚴(yán)重不符的情況?；诖?，本文擬制作設(shè)置1 頤1 實(shí)物模型，通過試驗(yàn)測試的方式開展碼頭重型鋼軌應(yīng)力試驗(yàn)研究，從鋼軌受力分布方面分析斷裂原因，提出針對性的設(shè)計和維修施工建議，為設(shè)計和施工提供參考。

1 現(xiàn)場調(diào)研分析

通過對該碼頭2 條重型鋼軌現(xiàn)狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)2 條鋼軌均存在鋼軌斷裂情況，但靠船側(cè)斷裂明顯較另一側(cè)嚴(yán)重，靠船側(cè)鋼軌共出現(xiàn)26 處斷裂，斷裂位置與碼頭結(jié)構(gòu)縫沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。從鋼軌斷裂形態(tài)可將破壞模式分為3 類，即彎曲型破壞、剪切型破壞和扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)作用下產(chǎn)生的彎曲型破壞。

經(jīng)過現(xiàn)場測量，卸船機(jī)正常工作狀態(tài)下軌道斷裂處最大位移高達(dá)11 mm，推斷位于軌道下方支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，即存在膠墊板失效、鋼墊板發(fā)生大變形、膠泥層壓潰破壞的情況。根據(jù)文獻(xiàn)[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(shè)備制作精度誤差、焊縫質(zhì)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(diǎn)處的真實(shí)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(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

為模擬現(xiàn)場軌道受力狀態(tài)，采用與現(xiàn)場相同軌道結(jié)構(gòu)形式，鋼軌型號為QU120，輪距為1.2 m。碼頭裝卸機(jī)軌道結(jié)構(gòu)自上而下主要包括鋼軌、橡膠墊板、承壓調(diào)平鋼板、膠泥找填充層、混凝土軌道梁。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計（mm）Fig.2 The design of test model(mm)

本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)采用雙點(diǎn)靜力加載模擬相鄰兩處輪壓的作用，兩個加載點(diǎn)距離1.2 m，試驗(yàn)共設(shè)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(diǎn)外側(cè)（工況一）、焊縫在其中一個加載點(diǎn)正下方（工況二）、焊縫在兩個加載點(diǎn)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(yù)留吊點(diǎn)，然后將錨固螺栓焊接到主筋，最后支模澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)成型?；炷辆哂谐跗趶?qiáng)度后，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(xì)部構(gòu)造完全參照碼頭現(xiàn)場實(shí)際情況，按1頤1等比例模擬。

圖3 各工況測點(diǎn)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(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定，測試其屈服強(qiáng)度fy、屈服應(yīng)變著y、極限強(qiáng)度fu、極限應(yīng)變著u 和彈性模量Es。鋼軌材性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 鋼軌材性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Material characteristic test results of steel rail

軌道梁混凝土強(qiáng)度為C40，EC=3.25伊104MPa。試驗(yàn)用橡膠墊板厚度為12 mm，彈性模量為10 MPa，試驗(yàn)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(diǎn)布置

試驗(yàn)加載裝置采用200 t 千斤頂，利用分配梁雙點(diǎn)加載到鋼軌上表面，模擬現(xiàn)場輪壓荷載，試驗(yàn)加載裝置如圖5 所示。試驗(yàn)方法為單調(diào)軸向加載，采用力控制。本工程作業(yè)工況設(shè)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(jìn)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(yàn)工況均進(jìn)行10 個循環(huán)加卸載測試。

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

試驗(yàn)過程中需要測量的物理量包括力、軌道位移和軌道應(yīng)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(cè)關(guān)鍵位置布置應(yīng)變片，測量鋼軌應(yīng)變。各工況變形、應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖3 所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線

圖6 給出試驗(yàn)得到的部分荷載-位移曲線。

圖6 不同工況典型測點(diǎn)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(diǎn)、工況二H 點(diǎn)和工況三I 點(diǎn)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(xiàn)象分析可知：當(dāng)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(yàn)中混凝土軌道梁底座平整度存在一定制作誤差，該誤差導(dǎo)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(xiàn)四邊形地面三邊支撐現(xiàn)象，從而引起結(jié)構(gòu)在初始階段剛度較低，在四邊全面壓實(shí)后，結(jié)構(gòu)達(dá)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(yīng)力狀態(tài)而改變。

3）鋼軌構(gòu)件制作過程構(gòu)件尺寸誤差。

4）鋼材、焊縫等材料強(qiáng)度的離散性。

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

由圖6 中工況一J 點(diǎn)、工況二B 點(diǎn)和工況三J點(diǎn)可以看出，鋼軌位移呈現(xiàn)正負(fù)交替，說明軌道被翹起，這就是“曲弓波”效應(yīng)。“曲弓波”效應(yīng)會導(dǎo)致扣板螺栓松動，甚至是損壞，進(jìn)而致使鋼軌在正負(fù)位移反復(fù)作用下發(fā)生折斷。

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

3.2.1 破壞模式

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

圖7 鋼軌翼緣荷載-應(yīng)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(yīng)變最大達(dá)到-731 滋著；工況二8-7（焊縫處）鋼軌下翼緣受拉應(yīng)變最大達(dá)到1 429 滋著。由材性試驗(yàn)可知屈服應(yīng)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(tài)，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(yīng)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(yīng)變曲線，根據(jù)圖3（a）、（b）測點(diǎn)布設(shè)，工況一焊縫測點(diǎn)對應(yīng)1 位置，母材測點(diǎn)為與其對稱的6 位置；工況二焊縫測點(diǎn)對應(yīng)8 位置，母材測點(diǎn)為與其對稱的11 位置。從圖8可以明顯看出焊縫處產(chǎn)生了應(yīng)力集中情況，焊縫處應(yīng)變較對稱母材處更大。如取試驗(yàn)荷載900 kN時，對應(yīng)工況二中焊縫處上、下翼緣應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分別增加271%及445%。

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

應(yīng)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(xiàn)凹坑，或者是焊縫上有超標(biāo)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(xiàn)場斷裂處焊縫斷面質(zhì)量看，本工程采用的人工電弧焊質(zhì)量普遍較差，在長期承受車輪反復(fù)碾壓的高應(yīng)力作用時，焊縫處首先發(fā)生破壞，導(dǎo)致鋼軌斷裂破壞多出現(xiàn)在焊縫處。

3.2.3 膠墊板損壞寬度對軌道應(yīng)變影響

工況二（加載點(diǎn)在焊縫處）在進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)時，調(diào)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(yīng)變水平的影響規(guī)律。獲得在3 個位置處不同墊板損壞寬度下的荷載-應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變的影響不大。

以上對位移數(shù)據(jù)的分析，可見鋼軌下膠墊板會首先被壓壞，而焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象會使焊縫下的膠墊板最先發(fā)生破壞。隨著膠墊板損壞程度的不斷增加，鋼軌的應(yīng)變會越來越大，進(jìn)而加速了鋼軌的破壞。

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

4 結(jié)論與建議

通過對位移數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論：

1）由荷載位移曲線分析可知：在裝卸機(jī)正常運(yùn)行時，鋼軌下的膠墊板由于剛度較小，會首先被破壞，進(jìn)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(yīng)下會導(dǎo)致扣板螺栓松動，甚至是損壞，進(jìn)而致使鋼軌在正負(fù)位移反復(fù)作用下發(fā)生折斷。

3）鋼軌在設(shè)計輪壓作用下，處于彈性狀態(tài)，沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象。焊縫處應(yīng)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(fā)生破壞。建議：淤提高現(xiàn)場焊接水平，提高焊縫質(zhì)量，建議采用質(zhì)量更可靠的鋁熱焊接工藝；于打磨處理：用角向磨光機(jī)打磨高出鋼軌斷面的焊縫，使其高低差和側(cè)向錯位不大于依1 mm，減少應(yīng)力集中。

5）膠墊板是鋼軌支撐系的薄弱點(diǎn)，隨著損壞寬度的增加，焊縫處的應(yīng)力水平會隨之增加，加速了鋼軌焊縫處發(fā)生破壞。建議應(yīng)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。