螺纹道钉抗拔力对再生塑性复合轨枕的影响分析

段海滨,耿 浩,李成辉

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

再生塑性复合轨枕是由较为新型的轨枕材料制成的。在20世纪90年代美国铁路轴重增加，木枕损坏加速，木枕防腐剂对于环境污染的加重等因素致使轨枕生产商寻求新的轨枕材料[1]。再生塑性复合轨枕应是由废旧塑料、废轮胎、废油漆以及其他工业废渣等难以降解的高分子废弃物为原料，辅以化学添加剂与其他填充物(如玻璃纤维丝等)经挤压而成的[2]。再生塑性复合轨枕与木枕和混凝土枕相比，其绝缘、减振性能好，安装维护成本低，使用寿命长，综合性价比高[3]。这种轨枕在我国应用较少，只有在山西中南部路基段有过使用。中国公司对美国再生塑性复合轨枕知名生产商TieTek公司进行了全资收购，这将推动再生塑性复合轨枕在我国的使用。

扣件是铁路轨道结构的重要组成部分，它的基本作用是将钢轨固定在下部支承基础上[4]，一般对扣件要求有足够的纵横向阻力。它对防止钢轨爬行和保证列车运行的稳定性有重要作用。由于在轨道系统中扣件的使用量很大，因此合理设置扣件参数有着重要的技术和经济意义[5]。

由于再生塑性复合轨枕与木枕相似，因此可以使用木枕扣件系统。对于普通木枕扣件，是通过螺纹道钉与轨枕紧密结合在一起。因此扣件受到的纵横向力通过螺纹道钉传递到轨枕上。因此扣件的抗拔力成为扣件设计的一个重要因素。邢书珍通过样条函数理论和材料力学原理建立了钢轨节点位移的非线性方程组，以此来通过静力计算得到钢轨扣件的上拔力[5]。邢俊等对基于III型弹条的新型地铁扣件在受横向荷载与竖向荷载时螺栓和螺栓套管的强度进行了分析，并对螺栓尺寸进行了优化[6]。肖宏等对扣件的螺旋道钉建立了扩展有限元模型，分析了螺旋道钉裂纹的发展过程，认为道钉头部和螺杆结合位置存在较大的几何尺寸变化，存在应力集中，容易萌生裂纹，并给出了相应的建议[7]。唐小萍等研究了螺纹道钉因锚固剂结合力、螺纹道钉的锈蚀程度以及偏心度等3个因素对道钉抗拔力的影响，并结合试验数据得到了3种因素对抗拔力影响的表达式[8]。

以上研究大多注重的是扣件螺纹道钉的受力性能，但对于轨枕在提供抗拔力过程中的作用研究很少。原因可能是因为在实际使用过程中道钉容易破坏，另一方面道钉与轨枕并不直接结合而是通过锚固剂结合的，锚固剂结合力本身大小对螺纹道钉抗拔力有着非常重要的影响[9]。

国外在应用的再生塑性复合轨枕扣件使用的道钉一般有钩头道钉和螺纹道钉。由于在国外再生塑性复合轨枕主要是木枕的替代品，用于重载和轨道交通上，因此使用的是木枕扣件。文献[2]对两种道钉的抗拔力进行过比较，普通的钩头道钉抗拔力为15.6 kN，螺纹道钉为35.6 kN。文献[10]对道钉的施工工艺、加载速率以及温度变化因素对高密度聚乙烯轨枕道钉作用的影响进行了试验探究。

由于再生塑性复合轨枕主要成分是高分子材料，其性质不明，在我国还没有专门研发扣件系统，因此有必要通过试验数据得到轨枕材料性能，通过数值分析软件分析研究扣件螺纹道钉的抗拔力及对轨枕的影响，为后续试验和螺纹道钉设计提供一定的依据。

1 数值计算模型的建立

1.1 螺纹道钉介绍

螺纹道钉是扣件的重要部件，它将扣件固定在基础上，对其施加横向约束，并防止扣件上拔，设计安全系数比其他部件要高，一般取8.0[11]。螺栓采用10.9级高强螺栓，材料为钢制Q235，材料参数见表1，螺栓几何尺寸按照木枕用螺纹道钉设置如图1所示，为简化模型，螺栓螺纹简化为平行的环状沟槽，这样能够考虑荷载传递和应力集中，但忽略了螺纹的螺旋效应[12]。螺栓参数：内径16 mm，外径24 mm，螺距12.5 mm，螺纹个数10个。

表1 螺栓道钉材料属性

图1 木枕使用扣件螺栓(单位：mm)

1.2 再生塑性复合轨枕介绍

参照文献[13]得到轨枕材料在单向拉伸时的工程应力、应变曲线。由于工程应力、应变假设试件拉伸过程中横截面面积不变，长度变化按初始长度为标准。因此工程应力、应变依赖于初始几何构型，适用于小变形分析[14]。而本文研究轨枕产生塑性应变时的状态，属于大变形分析。因此材料属性应按照真实应力、应变定义。真实应力为试件拉伸过程中荷载除以瞬时横截面面积。真实应变为试件瞬时标定长度的变化速率[15]。假设试件体积不变时，工程应力、应变和真实应力、应变换算关系如下式表示

σtrue=σeng(1+εeng)

εln=ln(1+εeng)

式中，σtrue为真实应力；σeng为工程应力；εln为真实应变；εeng为工程应变。

通过曲线拟合得到真实应力曲线如图2所示。假设应变0.006为材料弹性与塑性的分界点，当应变达到0.06时完全处于塑性状态。材料参数见表2。

表2 轨枕材料属性

图2 轨枕轴向拉伸应变-应力曲线

1.3 数值计算模型

利用有限元软件ANSYS建立1/4螺纹道钉+轨枕模型。假设轨枕各向同性，材料属性与加载速率无关。螺栓道钉与轨枕都采用实体单元模拟，几何尺寸按照宽度114 mm、高度178 mm围绕中心轴旋转得到。各材料属性见表1、表2。假设螺栓与轨枕之间接触良好没有相对滑动，螺栓与轨枕底部接触不约束。轨枕底部固定，轨枕与螺栓两侧施加对称约束，荷载垂直施加在螺栓上。按照第四强度理论进行分析。螺栓与轨枕有限元模型如图3所示。

图3 螺栓与轨枕有限元模型

引起扣件上拔力的原因有很多，有垂向荷载下钢轨的反弯，钢轨在横向力作用下引起的转动等。本文主要研究在较大的抗拔力下轨枕破坏时的行为，发现轨枕的薄弱点并提出相应的措施，因此荷载取较大值。根据文献[11]扣件抗拔力与作用到扣件上的垂向力、横向力、钢轨断面以及螺栓与轨底边缘距离均有关，假设钢轨垂向力和横向力相对轨底外侧上拔产生的杠杆作用以计算上拔力。假设轮轨横向力与垂向力之比取0.8，轮载P暂取115 kN，钢轨支座刚度D取60 kN/mm，钢轨按照CHN60轨计算，即EI=6.62×109kN·mm2，钢轨高度Hr=176 mm，宽度ω=150 mm，扣件节点间距a取540 mm，则作用在扣件上的垂向力

扣件上作用的横向力

FI=Fv×Q/p=35 kN

螺栓设计安全系数St要求取为8[11]，螺栓距轨底边缘距离db暂取75 mm，抗拔力计算示意见图4。

图4 抗拔力计算示意

则螺栓抗拔力Rp为

扣件一侧由2个螺栓固定，每一个螺栓的抗拔力为76 kN。模型为1/4模型则施加荷载为19 kN向上的力。对于作用在扣件上的横向力，一般由螺栓预紧力使扣件底部与轨枕产生足够的摩擦力而抵消。因此本文中对螺栓不再施加横向力。

2 计算结果分析

上拔力下轨枕的竖向位移云图如图5所示；螺栓顶部一点的位移和上拔力加载的关系如图6所示。

图5 上拔力下轨枕的竖向位移

图6 螺栓顶部位移与上拔力的关系

由图5可知：轨枕位移自下而上变大，最大位移在最上部，值为0.813 mm；上拔力在整个轨枕宽度范围内都有影响。

由图6可以看到螺栓抗拔力和螺栓位移基本呈线性关系，直线斜率为26 kN/mm。在直线后半段有变缓趋势，说明轨枕内部出现了塑性应变。

轨枕Von Mises应力如图7所示，螺栓与轨枕接触底部局部应力状态如图8所示。

图7 上拔力下轨枕的Von Mises应力

由图7可知：轨枕最大应力为14.5 MPa，已完全达到轨枕材料塑性状态；应力最大位置在螺栓与轨枕接触的底部，沿螺栓长度向上逐渐减小。

图8 轨枕与螺纹端部接触部分应力

由图8可知：在螺纹端部与轨枕接触的地方轨枕材料同样达到了塑性状态，而螺纹中间凹槽部分轨枕应力相对较小，仍处于弹性状态；同时轨枕沿螺纹端部接触部分应力较大，在螺纹端部有应力集中；继续施加荷载会在螺纹端部区域形成环形塑性区，最终导致轨枕受剪破坏，与实际相符。

将弹性应变以灰色显示，用彩色显示塑性应变如图9所示，轨枕塑性应变正面如图10所示。

图9 轨枕上拔力下的塑性应变

图10 轨枕塑性应变正面

从图9、图10可以看出：轨枕底部出现塑性状态较早，范围较大，越向上塑性区域越小，但同时与螺纹端部接触的轨枕材料均呈现塑性状态，这是由于螺纹端部较为尖锐，应力集中造成的，因此轨枕因螺栓抗拔出现破坏时从底部开始沿螺栓向上发展；当底部出现塑性状态后会减小轨枕的握钉力，导致螺纹道钉抗拔力不足。

3 结论

本文通过建立再生塑性复合轨枕与螺纹道钉模型，分析了在上拔力作用下轨枕的受力状态，得到主要结论如下。

(1)在上拔力作用下轨枕影响区域覆盖整个轨枕宽度，轨枕位移自螺栓与轨枕底部接触区域沿螺栓向上由大变小。

(2)在螺栓上拔过程中螺栓底部与轨枕接触部分以及螺纹端部与轨枕接触区域应力较大，最先达到轨枕材料弹性限值。螺纹凹槽部分轨枕应力较小，加大上拔力会使轨枕沿螺纹端部形成环形塑性区域最终导致破坏。

(3)螺栓底部与螺纹端部区域是轨枕容易产生塑性状态的区域，应将螺纹边缘进行磨圆处理以减小应力集中。

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