趙澤明，胡小剛，韋 凱，江萬(wàn)紅

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

彈性分開(kāi)式扣件因其安裝方便、性能可靠，被廣泛應(yīng)用于地鐵線路設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的有DTIII，DZIII，DTVI2型等。彈性分開(kāi)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(lèi)，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(biāo)對(duì)彈性墊板的靜力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，即通過(guò)測(cè)試彈性墊板在真實(shí)服役受力范圍內(nèi)(扣件正常安裝產(chǎn)生的彈性墊板初始?jí)毫ΟB加輪軌系統(tǒng)對(duì)扣件動(dòng)作用力形成的受力范圍)的等效靜剛度來(lái)評(píng)價(jià)彈性墊板的靜力性能。然而，彈性墊板多采用TPEE或橡膠類(lèi)高分子材料制成，其荷載-位移曲線具有較強(qiáng)的非線性特性，導(dǎo)致彈性墊板的靜剛度測(cè)試結(jié)果受測(cè)試荷載取值范圍影響很大。

彈性分開(kāi)式扣件其軌下彈性墊板和板下彈性墊板的靜剛度初始?jí)毫奢d分別由彈條扣壓力[1]及錨固螺栓對(duì)鐵墊板的預(yù)緊力決定。對(duì)于軌下彈性墊板靜剛度的測(cè)試，可借鑒TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第一部分:通用技術(shù)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(cè)試方法。但對(duì)于板下彈性墊板靜剛度的測(cè)試，尚無(wú)相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，若單純依照軌下彈性墊板靜剛度測(cè)試荷載范圍進(jìn)行測(cè)試，勢(shì)必由于靜剛度測(cè)試范圍選取不準(zhǔn)確造成測(cè)試結(jié)果同實(shí)際產(chǎn)生較大的差異。

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

1 錨固螺栓對(duì)板下彈性墊板初始預(yù)壓力計(jì)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(yù)埋套管組成，如圖1所示。

圖1 DZIII型扣件系統(tǒng)組裝示意

對(duì)于DZIII型扣件，板下彈性墊板初始預(yù)壓力主要由錨固螺栓緊固扭矩產(chǎn)生的預(yù)緊力提供。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，錨固螺栓緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系可簡(jiǎn)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(yù)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(xiàng)很小，故式(1)可簡(jiǎn)化為

式中:d為螺栓公稱(chēng)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(hào)為M30，材質(zhì)為45號(hào)鋼，其公稱(chēng)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(yù)埋套管安裝連接時(shí)涂有黃油，故考慮一定的潤(rùn)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(jì)算可得k＝0.143。因此在不同緊固扭矩作用下錨固螺栓的預(yù)緊力可由式(2)計(jì)算得到。

由于彈性分開(kāi)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(rèn)為板下彈性墊板受力均勻且初始預(yù)壓力為錨固螺栓預(yù)緊力的2倍。參考DZIII型扣件設(shè)計(jì)采用的扭矩值，分別計(jì)算不同扭矩下所產(chǎn)生的錨固螺栓預(yù)緊力及板下彈性墊板初始預(yù)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(yù)緊力及初始預(yù)壓力

由表1可知，錨固螺栓緊固扭矩產(chǎn)生的錨固螺栓預(yù)緊力與板下彈性墊板初始預(yù)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(dāng)緊固扭矩達(dá)到250 N·m時(shí)所產(chǎn)生的錨固螺栓預(yù)緊力與板下彈性墊板初始預(yù)壓力增加了67%。由此看出，錨固螺栓在不同緊固扭矩下對(duì)板下彈性墊板初始預(yù)壓力的影響很大。

2 板下彈性墊板靜剛度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次測(cè)試的試驗(yàn)對(duì)象為適用于DZIII型扣件系統(tǒng)的TPEE和橡膠類(lèi)板下彈性墊板，如圖2所示。

圖2 DZIII型板下彈性墊板

試驗(yàn)設(shè)備及配件主要有萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、DZIII型扣件鐵墊板、短鋼軌、支承鋼板、百分表等。

1)試驗(yàn)機(jī)。為上海華龍微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，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(zhǎng)度大于鐵板寬，約200 mm；

4)支承鋼板。長(zhǎng)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(yàn)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(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 板下彈性墊板試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方案

由于板下彈性墊板屬于高分子材料，具有很強(qiáng)的非線性特征，在剛度測(cè)試時(shí)其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與環(huán)境溫度、荷載頻率、預(yù)壓幅值緊密相關(guān)[7-8]。因此，在板下彈性墊板的靜剛度試驗(yàn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境溫度、加載速率等因素的影響[9]。

具體測(cè)試時(shí)，首先將組裝好的試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行2次0～240 kN預(yù)加載以消除板下彈性墊板的Mullins效應(yīng)[10]；完成預(yù)加載后進(jìn)行正式加載，正式加載時(shí)以1 kN/s的加載速率進(jìn)行，同時(shí)每隔10 kN設(shè)置1個(gè)加載點(diǎn)逐級(jí)加載至200 kN，每級(jí)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(yàn)結(jié)果

分別對(duì)TPEE和橡膠類(lèi)板下彈性墊板的試樣A，B進(jìn)行測(cè)試，2個(gè)百分表的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 板下彈性墊板靜力測(cè)試數(shù)據(jù)

取試樣A，B的位移平均值作為該類(lèi)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(cè)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(qiáng)的線性特征，當(dāng)荷載高于120 kN時(shí)，其荷載-位移曲線斜率變大，體現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特征。然而，橡膠類(lèi)板下彈性墊板在整個(gè)荷載范圍內(nèi)(10～200 kN)均呈現(xiàn)出較強(qiáng)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(jì)算公式為

式中:F1，F(xiàn)2分別為靜剛度計(jì)算選取荷載范圍的2個(gè)荷載節(jié)點(diǎn)的值，kN；D1，D2分別為荷載F1，F(xiàn)2對(duì)應(yīng)的位移值，mm。

列車(chē)通過(guò)時(shí)輪軌沖擊產(chǎn)生的扣件動(dòng)作用力一般可達(dá)到50 kN，因此，F(xiàn)2可在F1的基礎(chǔ)上疊加50 kN進(jìn)行確定。

基于表2測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)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(guān)系

根據(jù)表3及圖5測(cè)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(shí)，F(xiàn)1為130 kN時(shí)所對(duì)應(yīng)的靜剛度增加了1.66倍。而橡膠類(lèi)板下彈性墊板靜剛度在荷載F1為20～130 kN范圍內(nèi)增長(zhǎng)較快，相比F1為20 kN時(shí)，F(xiàn)1為130 kN時(shí)所對(duì)應(yīng)的靜剛度增加了2.48倍。

3 緊固扭矩對(duì)板下彈性墊板靜剛度的影響分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)表 1 計(jì)算結(jié)果，分別選取 70，80，95，105，115 kN作為荷載F1，對(duì)板下彈性墊板的靜剛度重新進(jìn)行測(cè)試，分別用于評(píng)價(jià)錨固螺栓緊固扭矩為150，175，200，225，250 N·m時(shí)，板下彈性墊板在真實(shí)服役狀態(tài)下的靜剛度。

本次測(cè)試時(shí)，以5 kN/s的加載速率對(duì)板下彈性墊板進(jìn)行2次預(yù)加載后，以1 kN/s的加載速率進(jìn)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(diǎn)F1，F(xiàn)2的位置進(jìn)行荷載保持，并記錄板下彈性墊板的位移，并對(duì)板下彈性墊板的靜剛度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)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(guān)系

由表4及圖6可以看出，不同緊固扭矩對(duì)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(dāng)緊固扭矩達(dá)到250 N·m時(shí)，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(duì)于彈性分開(kāi)式扣件，板下彈性墊板靜剛度的測(cè)試和評(píng)價(jià)應(yīng)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(duì)彈性分開(kāi)式扣件系統(tǒng)板下彈性墊板靜剛度的影響，并分別對(duì)TPEE和橡膠類(lèi)板下彈性墊板進(jìn)行靜剛度測(cè)試和評(píng)價(jià)，結(jié)論如下:

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

2)板下彈性墊板靜剛度測(cè)試結(jié)果同荷載取值范圍密切相關(guān)，且同初始預(yù)壓力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于TPEE板下彈性墊板材料線性特征較強(qiáng)，當(dāng)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(dāng)初始荷載超出70 kN時(shí)，靜剛度明顯增大。而橡膠類(lèi)板下彈性墊板荷載-位移曲線在整個(gè)荷載范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出較強(qiáng)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(kāi)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(dāng)緊固扭矩為250 N·m時(shí)，TPEE和橡膠類(lèi)板下彈性墊板的靜剛度分別約為緊固扭矩為150 N·m時(shí)的1.78倍和1.9倍。因此，建議板下彈性墊板靜剛度應(yīng)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(yù)壓力進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。