新型地鐵有螺栓扣件及配套調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計

韓朝霞 王書衛(wèi)

中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251

扣件是軌道系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是保持鋼軌在軌枕等軌下基礎(chǔ)上的正確位置及鋼軌與軌枕的可靠聯(lián)結(jié)，同時提供一定的彈性。因此，扣件不僅要具備足夠的強度和扣壓力，還應(yīng)具備良好的彈性、絕緣性能和一定的調(diào)整能力。地鐵一般采用整體道床，扣件主要為彈性分開式、無擋肩扣件，可以分為有T形螺栓、無T形螺栓兩大類［1］。

無T形螺栓扣件零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，但由于采用e 型彈條直接扣壓而無螺栓緊固，經(jīng)常出現(xiàn)彈條滑退、折斷，彈條塑性變形后扣壓力不足等問題。有T 形螺栓扣件雖避免了無螺栓扣件的弊端，但是也存在零部件較多、維護工作量大、T形螺栓易松動等現(xiàn)象。隨著城市地鐵運營里程不斷增加，軌道不均勻沉降發(fā)生的頻率越來越高，尤其是地質(zhì)條件不良的地區(qū)。對于地鐵整體道床，采用扣件進行軌道調(diào)整是最方便最直接的方式，而傳統(tǒng)的無T 形螺栓扣件及大部分有T 形螺栓扣件都存在著扣件調(diào)整量偏小、調(diào)高不便的問題。為解決上述問題，本文設(shè)計一種新型有螺栓扣件及配套的調(diào)高結(jié)構(gòu)。

1 扣件系統(tǒng)選型

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

參考國內(nèi)城市軌道交通扣件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用情況，提出了新型有螺栓扣件的設(shè)計參數(shù)。

1）扣壓力及防爬阻力

地鐵常用扣件的單個彈條扣壓力一般不小于8 ～11 kN。由于過大的扣壓力會導(dǎo)致軌下彈性墊層的初始壓縮量增大，損失減振彈性，地鐵對彈條扣壓力的要求小于高速鐵路，但對扣件彈性要求較高。設(shè)計時取扣壓力F= 9 kN。經(jīng)計算，防爬阻力R= 24 kN/m，滿足地鐵無縫線路斷縫要求［2］。

2）扣件剛度

根據(jù)理論及試驗研究結(jié)果，綜合考慮地鐵扣件對整體道床鋼軌位移、鋼軌傾翻、輪軌相互作用力以及軌道彈性的影響，扣件節(jié)點垂直剛度在30 kN/mm左右為宜。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》［3］規(guī)定，無砟道床節(jié)點垂直靜剛度宜為20 ～40 kN/mm。設(shè)計時扣件節(jié)點垂直靜剛度取20 ～40 kN/mm。

3）軌距及水平調(diào)整能力

根據(jù)城市軌道交通施工及運營經(jīng)驗，設(shè)計時取扣件軌距調(diào)整量不小于-20、16 mm，普通型扣件水平調(diào)整量不小于30 mm。

4）絕緣性能

扣件絕緣電阻不小于108Ω。

1.2 扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型有螺栓扣件由鐵墊板、軌下墊板（橡膠或熱塑性彈性體）、絕緣緩沖墊板、錨固螺栓、彈簧墊圈、平墊塊、T 形螺栓、螺母、平墊圈、軌距塊、彈條、預(yù)埋套管、調(diào)高墊板等組成，見圖1。

圖1 新型扣件結(jié)構(gòu)（單位：mm）

設(shè)計時首次將高速鐵路扣件設(shè)計理念引入地鐵，扣件彈條與錨固螺栓垂直線路方向直列布置，相比城市軌道交通傳統(tǒng)有T 形螺栓扣件的錯列式布置，鋼軌兩側(cè)受力對稱，內(nèi)部應(yīng)力減小，且減小扣件沿線路方向的寬度，利于特殊地段扣件間距的調(diào)整。

1.2.1 鐵墊板

目前城市軌道交通扣件鐵墊板厚度為15 mm 到20 mm 不等。通過有限元軟件建模分析，15 mm 厚鐵墊板在施加垂向和橫向荷載作用下最大拉應(yīng)力值為164 MPa，能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求。為了節(jié)省材料用量同時保留足夠的安全儲備，鐵墊板厚度選用15 mm。

鐵墊板錨固螺栓孔及錨固螺栓平墊塊設(shè)置鋸齒形結(jié)構(gòu)，增大扣件水平調(diào)整量，能夠大大增強扣件保持軌距的能力，尤其是對于小半徑曲線地段，扣件能夠提供足夠的軌距保持及調(diào)整能力。齒距為3 mm，且左右對稱齒距相錯1.5 mm，配合鐵墊板的長圓形螺栓孔，實現(xiàn)軌距的靈活調(diào)整。

1.2.2 軌下墊板及鐵墊板下墊板

橡塑墊板采用橡塑混合彈性體材料，靜剛度一般不小于1 000 kN/mm。根據(jù)計算分析，鐵墊板下墊板采用橡塑材質(zhì)代替橡膠材質(zhì)能顯著降低鐵墊板應(yīng)力約40%。設(shè)計時鐵墊板下采用5 mm 厚的橡塑墊板，既降低了鐵墊板內(nèi)部應(yīng)力，又減少了部件耗材，同時還能降低扣件整體高度，提高扣件穩(wěn)定性。

為滿足扣件組裝靜剛度20 ～40 kN/mm 的要求，軌下墊板采用剛度較小的橡膠或熱塑性彈性體材料。經(jīng)檢算，墊板厚度為 12 mm［4-5］。

1.2.3 彈條

國鐵Ⅱ型彈條（專線3351）為有螺栓扣件彈條，且經(jīng)過長期的運營實踐，應(yīng)用效果良好，彈條扣壓力不小于10 kN，滿足該扣件技術(shù)要求。考慮該彈條技術(shù)成熟，通用性好，造價較低［6-7］，因此采用Ⅱ型彈條。

2 扣件調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 調(diào)高量目標(biāo)值

普通扣件的調(diào)高量按照城市軌道扣件常規(guī)設(shè)計，為30 mm，采用在軌下墊板下方或鐵墊板下方加設(shè)調(diào)高墊板的方式來實現(xiàn)。調(diào)高扣件主要用于既有線隧道不均勻沉降地段，扣件的調(diào)高量目標(biāo)值需要考慮限界余量、疏散平臺適應(yīng)性、接觸網(wǎng)調(diào)整余量、扣件本身的安全性和穩(wěn)定性、城軌地下線調(diào)高的實際需求。綜合考慮，將調(diào)高扣件的調(diào)高量目標(biāo)值定為70 mm。

2.2 調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

調(diào)高扣件通過調(diào)高墊板實現(xiàn)30 mm 的調(diào)高量，與普通扣件保持一致，更大的調(diào)高量需要通過扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。主要靠鐵墊板來實現(xiàn)30 ～70 mm 的調(diào)高量，其他零部件與普通扣件一致。為盡量減少鐵墊板的種類，設(shè)計調(diào)高量20 mm 和40 mm 兩種鐵墊板即可滿足調(diào)高需求?？奂{(diào)高量與安裝方案見表1。

表1 扣件調(diào)高量與安裝方案 mm

2.2.1 調(diào)高型鐵墊板結(jié)構(gòu)的設(shè)計

鐵墊板是調(diào)高扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的關(guān)鍵。在普通扣件的基礎(chǔ)上，設(shè)計調(diào)高量20 mm 和40 mm 兩種鐵墊板，同時應(yīng)滿足扣件結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、與普通扣件通用互換、便于安裝拆卸、高性價比等要求。

調(diào)高型鐵墊板（圖2）通過增加承軌槽位置的厚度來實現(xiàn)調(diào)高，固定彈條的鐵座隨之加厚，保證彈條與鋼軌的固定關(guān)系保持不變。為了保持錨固螺栓的良好受力狀態(tài)，調(diào)高型鐵墊板的錨固邊與普通型鐵墊板一致。承軌槽加厚部分底部進行分格鏤空設(shè)計，保證扣件結(jié)構(gòu)強度的同時盡量減少材料用量，降低造價。

圖2 調(diào)高型鐵墊板結(jié)構(gòu)

2.2.2 調(diào)高鐵座的設(shè)計及對軌距的影響

地鐵一般設(shè)置1∶40的軌底坡，扣件調(diào)高后會對軌距產(chǎn)生影響。以最大調(diào)高量70 mm 來計算，單邊軌距縮小1.75 mm，整體軌距縮小3.50 mm，本扣件軌距塊的軌距調(diào)整量為-10、8 mm，扣件調(diào)高造成的軌距減小能夠通過軌距塊進行調(diào)整。因此，設(shè)計時彈條鐵座及其與承軌面的相對關(guān)系與普通扣件一致。

3 受力分析

建立鋼軌-扣件系統(tǒng)的有限元實體模型，其中含1 組扣件。建模時，在保證主體結(jié)構(gòu)計算有效性的基礎(chǔ)上做出了合理簡化，主要包括：錨固螺栓與尼龍?zhí)坠苡设F墊板上的錨固力替代；彈條與T形螺栓、螺母簡化為連接單元并賦予預(yù)加力；不影響計算結(jié)果的圓弧、倒角等細節(jié)適當(dāng)簡化。

根據(jù)各部件材料確定模型的材料屬性，見表2。

表2 扣件各部件材料屬性

對鋼軌與軌距塊、軌距塊與鐵墊板、鋼軌與軌下墊板等部件之間建立接觸，其中鋼軌和軌距塊以及軌距塊與鐵墊板之間設(shè)置摩擦接觸，采用面接觸單位，接觸算法采用系統(tǒng)控制，對于其余沒有相對位移的部件采用綁定約束處理。

作用在單個扣件的垂向力（枕上壓力）FV=0.5ψ ω［8］。其中：ψ為速度系數(shù)，取1.5；ω為名義輪重，取 0.5P（P為輪重）。運行速度100 km/h 的地鐵A 型、B型車軸重分別為16、14 t。計算時取軸重較大的A型車，即P=80 kN，則FV= 0.5 × 1.5 × 80 = 60 kN。

對于大半徑曲線，橫向水平力FH=0.4FV=0.4×60 = 24 kN；對于小半徑曲線，F(xiàn)H=0.6FV=0.6×60 =36 kN。

結(jié)合實測數(shù)據(jù)，考慮地鐵正線線路最小半徑曲線影響，計算時橫向水平力取36 kN，垂向力取60 kN。

3.1 鐵墊板結(jié)構(gòu)強度

根據(jù)有限元計算結(jié)果，在上述荷載作用下，鐵墊板上表面受壓，下表面受拉，最大拉、壓應(yīng)力分別為104.8、156.5 MPa，滿足球墨鑄鐵（QT450-10）抗拉強度450 MPa、抗壓強度700 MPa 的要求［9］。分別檢算無調(diào)高墊板和加設(shè)30 mm 調(diào)高墊板兩種工況下調(diào)高型鐵墊板的應(yīng)力，結(jié)果見圖3。可知：無調(diào)高墊板和加設(shè)30 mm 調(diào)高墊板的鐵墊板最大應(yīng)力分別為153.4、163.4 MPa，鐵墊板結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖3 鐵墊板應(yīng)力（單位：MPa）

3.2 扣件系統(tǒng)抗傾覆性能

扣件系統(tǒng)的抗傾覆能力，對于軌道結(jié)構(gòu)尤其是小半徑曲線地段具有重要意義。在列車過曲線段時，鋼軌在列車橫向荷載作用下產(chǎn)生較大的橫向偏轉(zhuǎn)。

考慮本扣件系統(tǒng)存在軌下調(diào)高的情形，設(shè)置軌下調(diào)高墊板10 mm 的計算工況。計算分析無調(diào)高墊板、板下調(diào)高30 mm、軌下調(diào)高10 mm+板下調(diào)高20 mm 三種有限元模型的軌頭橫向位移，結(jié)果見圖4。可知：無調(diào)高墊板和板下調(diào)高30 mm 工況下，扣件系統(tǒng)鋼軌軌頭橫向位移接近，約0.68 mm；軌下調(diào)高10 mm+板下調(diào)高20 mm 工況的最大橫向位移與前兩種情況相差不大，約0.89 mm?？奂到y(tǒng)滿足抗傾覆要求［10］。

圖4 軌頭橫向位移（單位：mm）

3.3 螺栓強度分析

進行螺栓強度分析時，選取調(diào)高量70 mm 的最不利工況，檢算扣件錨固螺栓的受力情況，結(jié)果見圖5?？芍哄^固螺栓最大應(yīng)力為167.9 MPa，小于螺栓采用的Q235A鋼的屈服強度［11］，滿足強度要求。

圖5 螺栓應(yīng)力（單位：MPa）

4 試制及試驗

根據(jù)設(shè)計方案，分別對普通型和調(diào)高型扣件進行試制，驗證其工藝可行性，并在廠內(nèi)進行試組裝，對各尺寸公差配合進行驗證。經(jīng)過試組裝驗證，各部件密貼性良好。

按照TB/T 3396.4—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》［12］的測試要求和方法，對該扣件進行室內(nèi)組裝疲勞試驗。測試組裝疲勞試驗后的扣件狀態(tài)、軌距擴張、剛度變化。

如圖6所示，進行室內(nèi)組裝疲勞試驗時，用扣件將兩根鋼軌固定在一根軌枕上，對組裝系統(tǒng)施加循環(huán)荷載，從最小荷載9 kN 到最大荷載70 kN，加載頻率3 ～5 Hz。經(jīng)過3×106次荷載循環(huán)后，普通型及調(diào)高型扣件軌距擴張量均為4 mm，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；扣件靜剛度由29.0 kN/mm 變?yōu)?1.5 kN/mm，能夠滿足GB 50157—2013的要求，扣件各部件未見傷損。

圖6 室內(nèi)組裝疲勞試驗

5 結(jié)語

本文所述彈性分開式有螺栓扣件及其配套調(diào)高結(jié)構(gòu)適用于鋪設(shè)60 kg/m 鋼軌的地鐵新建線路及既有線不均勻沉降地段。通過對鐵墊板、螺栓等關(guān)鍵零部件以及扣件穩(wěn)定性進行力學(xué)檢算，并進行產(chǎn)品試制和室內(nèi)試驗，驗證了該扣件具有足夠的強度、穩(wěn)定性和耐久性，滿足地鐵扣件的應(yīng)用和調(diào)高需求，調(diào)高型和普通型扣件零部件通用，養(yǎng)護維修方便，具有較好的推廣應(yīng)用價值。