城市轨道交通新型大调高量扣件系统设计研究

段玉振，王 敏，陈 鹏，陈应东

（1. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2. 北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；3. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037；4. 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031）

1 引言

城市轨道交通土建结构不均匀沉降是工程中常见病害，不均匀沉降大小受工程地质条件、施工工艺及施工质量等方面的影响。土建结构不均匀沉降导致轨道不平顺，严重时可影响行车安全。不均匀沉降较小时可通过轨道扣件调高来解决，但城市轨道交通常用无螺栓弹条扣件最大调高量为30 mm，若沉降量超过30 mm，常规扣件就无法满足调高需求。此类问题的常规处理方案是凿除部分或者凿除大部分道床后重新调整轨道标高及浇筑混凝土，但在线路运营期间采用此种方案特别困难，且施工繁琐、进度缓慢、造价较高。鉴于此，本文结合工程需求，研发了一种新型城市轨道交通用施工方便快捷的大调高量扣件系统。

2 设计参数及评价标准

2.1 结构部件及材料参数

新型大调高量扣件系统主要基于DTVI2-1型扣件进行设计。为保证能与已运营线路上的DTVI2-1型扣件互换，且尽量少地增加螺旋道钉受力，本设计主要对铁垫板轨底范围进行加厚，螺旋道钉处铁垫板不加厚，铁垫板加厚之后总厚度为68 mm，其余扣件系统的零部件与DTVI2-1型通用。扣件系统组装图见图1，主要部件材料属性见表1。

表1 扣件系统部件材料参数

图1 大调高量扣件系统组装图

2.2 静力计算荷载

本文重点研究螺旋道钉及铁垫板的受力状态，建模时将弹条简化为扣压力PK，并与列车垂向荷载PV一同施加在铁垫板与轨下胶垫接触面；列车横向荷载PH考虑最不利情形，将其施加在弹条座侧面。模型荷载如图2所示，图2中PL为弹条对弹条座的反力，P预紧为螺旋道钉固定铁垫板的预紧力，P摩擦为横向力作用下板下垫板对铁垫板的反力，P支撑为轨枕对扣件系统的垂向反力。

图2 荷载加载示意图

本文按最不利的A型车考虑，轴重取17 t。参照TB 10082-2017《铁路轨道设计规范》垂向荷载动力系数取2，横向荷载系数取0.8。计算可得垂向荷载PV值为170 kN，横向荷载PH值为68 kN。

其中根据DTVI2-1型扣件技术性能，弹条扣压力PK为5.3 kN，由静力平衡原理，弹条对弹条座的反力PL也为5.3 kN，方向竖直向上。

螺栓预紧力P预紧按照公式（1）计算：

式（1）中，d为螺栓的公称直径；T为预紧扭矩，取150 N · m。

由式（1）计算得到螺栓预紧力P预紧= 25 kN。

2.3 疲劳计算荷载

根据TB/T 3396.1～7-2015《高速铁路扣件系统试验方法》第4部分《组装疲劳性能试验》的要求，在如图3所示的加载位置和方向对钢轨轨头施加疲劳荷载P疲= 70 kN，加载角度为26°，由此计算得到钢轨横向疲劳荷载为PH= 70×sin26°= 31 kN，竖向疲劳荷载为PV= 70×cos26°= 63 kN。

图3 疲劳荷载加载示意图

2.4 评价标准及要求

新型大调高量扣系统的评价标准主要从静力标准与组装疲劳标准2方面考虑。静力标准主要分析螺旋道钉及铁垫板的受力，组装疲劳标准主要有节点刚度、钢轨横向位移、疲劳前后单边轨距扩张和轨底横向量等。具体指标如下。

（1）螺旋道钉采用45#钢，根据GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》，45#钢的抗拉屈服强度为355 MPa。

（2）加厚型铁垫板采用QT450-10球墨铸铁，根据规范GB/T 1348-2019《球墨铸铁件》，QT450-10球墨铸铁的抗拉屈服强度为310 MPa。

（3）扣件组装加载循环次数300万次后，所测扣件组装静刚度在25～35 kN/mm之间，所测扣件组装件钢轨动态横移量小于3 mm，疲劳前后单边轨距扩张和轨底横向量小于3 mm。300万次疲劳试验前后，扣件系统未产生破坏和开裂。

3 新型大调高量扣件计算分析

3.1 静力计算分析

采用ABAQUS有限元软件进行计算，铁垫板、螺旋道钉、垫圈、套筒、混凝土轨枕均采用实体单元进行模拟，调高垫板采用弹簧单元模拟。有限元计算得到的调高80 mm扣件螺旋道钉应力云图如图4所示，铁垫板应力云图如图5所示。

图4 螺旋道钉应力云图（单位：Pa）

图5 铁垫板应力云图（单位：Pa）

表2给出了3种调高扣件螺旋道钉、铁垫板强度检算结果，表2结果表明螺旋道钉、铁垫板等受应力幅值均未达到各自的屈服强度，满足强度要求。

表2 扣件系统静力计算结果

3.2 疲劳计算分析

应用FE-SAFE软件对扣件系统的标准组装、调高30 mm和调高80 mm这3种状态进行疲劳损伤分析。在ABAQUS中分析结构在外部载荷下的响应，将应力应变的时程结果文件导入FE-SAFE中，获取疲劳载荷谱，设置疲劳算法、材料疲劳参数，结合损伤累计准则，计算得出疲劳分析结果文件，并将其导入ABAQUS软件中进行查看。本文计算得出的疲劳分析结果主要有疲劳强度因子与疲劳寿命。

疲劳荷载谱采用正弦加载，加载频率4 Hz，循环荷载次数500万次。由此，计算出疲劳强度因子FOS，若疲劳强度因子FOS大于1，则表明在500万次疲劳加载下部件未有疲劳损伤破坏，否则部件产生疲劳损伤破坏；疲劳荷载谱不限制循环500万次数时将得出疲劳寿命。

图6、图7、表3、表4分别给出了螺旋道钉、铁垫板疲劳强度因子云图，以及螺旋道钉、铁垫板疲劳寿命。由图6、图7、表3、表4可知，新型大调高量扣件系统螺旋道钉、铁垫板的疲劳强度因子均大于1，螺旋道钉、铁垫板的疲劳寿命分别为8.51×106次和1×107次，满足TB/T 3396.1～7-2015《高速铁路扣件系统试验方法》第4部分《组装疲劳性能试验》所要求的3×106次的要求。

图6 螺旋道钉疲劳强度因子云图

图7 铁垫板疲劳强度因子云图

表3 扣件系统疲劳强度因子

表4 扣件系统疲劳寿命

4 试验分析

4.1 室内试验

新型大调高量扣件设计及计算分析完成后，进行了相关室内试验，室内试验主要是疲劳性能及组装静刚度的测试，如图8所示，扣件组装静刚度、组装疲劳性能检测结果如表5所示。

图8 室内疲劳性能试验

表5 扣件系统组装静刚度、组装疲劳性能试验结果

4.2 实验段试验

为验证研发的城市轨道交通用新大调高量扣件系统的各方面性能，建立城市轨道交通用新大调高量扣件系统试验段，试验段现场如图9所示。试铺效果证明了城市轨道交通用新大调高量扣件系统施工速度快、劳动强度小、轨距保持能力可靠、轨道动态及静态几何尺寸满足规范要求。

图9 新型大调高量扣件试验段

5 结语

城市轨道交通新型大调高量扣件系统的设计及应用是针对城市轨道交通工程运营后土建结构不均匀沉降较大，常规轨道扣件系统调高量已无法满足其调高要求问题，并结合工程现场需求设计及研发的。此扣件系统调高量由原来的30 mm提升至80 mm，可替代常规凿除道床重新浇筑城轨台或道床的方案，在加快运营线路的施工改造、快速调整轨道几何尺寸等多方面具有一定优势，目前已在最大不均匀沉降量达70 mm处的线路上应用，效果良好。该大调高量扣件系统的研发可为后续解决土建结构不均匀沉降较大的问题提供借鉴和参考。