張東陽(yáng),汪 杰,陳 帥,劉學(xué)毅,楊榮山

(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,成都 610031)

無(wú)砟軌道整體性強(qiáng)，一般認(rèn)為應(yīng)該不存在線路失穩(wěn)問(wèn)題。但是當(dāng)溫度力過(guò)大、扣件工作狀態(tài)不良、鎖定軌溫降低時(shí)，軌條會(huì)發(fā)生碎彎[1-3]。隨著無(wú)砟軌道無(wú)縫線路應(yīng)用的推廣，在夏季高溫天氣出現(xiàn)鋼軌碎彎的現(xiàn)場(chǎng)病害也越發(fā)突出[4]。鋼軌碎彎與扣件的橫向阻力直接相關(guān)，但是扣件橫向阻力比較復(fù)雜，與扣件類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、生產(chǎn)工藝、施工質(zhì)量等密切相關(guān)，在以往用有限元方法對(duì)鋼軌變形和線路橫向穩(wěn)定性的研究中[5-11]，橫向剛度取值往往都是在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在以WJ-7型扣件為例，WJ-7型扣件是在原WJ-1、WJ-2型扣件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)而成的彈性分開(kāi)式無(wú)擋肩扣件系統(tǒng)[12-15]，主要應(yīng)用于CRTSI型板式無(wú)砟軌道。但是現(xiàn)行規(guī)范中并沒(méi)有規(guī)定其橫向剛度取值，更缺乏相關(guān)試驗(yàn)研究[16-19]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，WJ-7型扣件橫向力傳遞可分為3個(gè)階段，首先橫向力通過(guò)絕緣軌距擋塊傳至鐵墊板，通過(guò)板下摩擦傳至道床；橫向力增大，鐵墊板開(kāi)始滑動(dòng)；當(dāng)鐵墊板與錨固螺栓接觸時(shí)，橫向力由絕緣軌距擋塊經(jīng)鐵墊板和錨固螺栓傳至道床。文獻(xiàn)[11]在對(duì)鋼軌傾翻性能研究中以軌頭單位位移所需施加的橫向力表征鋼軌橫向剛度，在軌頭橫向力值為20～50 kN時(shí)，WJ-7型扣件約束下鋼軌節(jié)點(diǎn)橫向剛度為12.32 kN/mm，且在有垂向荷載作用時(shí)橫向剛度要大于無(wú)垂向荷載作用時(shí)的橫向剛度。這里用軌頭位移計(jì)算橫向剛度并不適用于軌條碎彎，根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]對(duì)軌條碎彎的描述，本文認(rèn)為扣件橫向剛度應(yīng)該以鐵墊板產(chǎn)生單位位移所需施加的橫向力表征。

為確定WJ-7型扣件在碎彎時(shí)橫向剛度，在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展WJ-7型扣件橫向力測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)鋼軌截面中性軸位置加載橫向力，測(cè)量鐵墊板和鋼軌截面不同高度位置的橫向位移。通過(guò)分析位移數(shù)據(jù)，了解鋼軌的變形規(guī)律并計(jì)算獲得扣件橫向剛度取值。本文的研究成果可為鋼軌碎彎驗(yàn)算提供參考。

1 測(cè)試方法

在西南交通大學(xué)鐵道實(shí)驗(yàn)室對(duì)WJ-7型常阻力扣件(橡膠墊板、W1型彈條)和小阻力扣件(復(fù)合墊板、X2型彈條)開(kāi)展橫向力測(cè)試試驗(yàn)。

鐵道實(shí)驗(yàn)大廳氣溫約為10 ℃，試驗(yàn)所用扣件來(lái)自成都高鐵工務(wù)段，狀態(tài)良好。將扣件和短鋼軌(長(zhǎng)0.6 m，60 kg/m)按照《WJ-7型扣件安裝說(shuō)明書》用扭矩扳手安裝在試驗(yàn)工裝臺(tái)上，其中W1型彈條安裝扭矩為120 N·m，X2型彈條安裝扭矩為80 N·m，錨固螺栓安裝扭矩300 N·m，扣件絕緣塊是9號(hào)絕緣塊?？奂惭b在短鋼軌的中間位置，鋼軌一側(cè)安裝液壓千斤頂，加載位置為扣件節(jié)點(diǎn)處鋼軌截面中性軸，另一側(cè)安裝4個(gè)百分表，分別測(cè)量扣件節(jié)點(diǎn)處鋼軌軌頭、軌腰、軌底和扣件鐵墊板的位移，具體的位置分別是軌頂面以下16 mm處，中性軸處(距軌底81 mm)，軌底處，鐵墊板板中處。測(cè)試示意和測(cè)試工裝分別如圖1、圖2所示。

圖1 橫向力測(cè)試示意

圖2 試驗(yàn)工裝

2 測(cè)試過(guò)程和誤差分析

在試驗(yàn)臺(tái)上，每次安裝1組扣件并測(cè)量，測(cè)量完畢后，卸載扣件并重新安裝測(cè)試。液壓千斤頂每次加載0.98 kN橫向力并讀數(shù)；當(dāng)加載力大于11.76 kN時(shí)，每次加載1.96 kN并讀數(shù)。正式試驗(yàn)開(kāi)展前，先進(jìn)行預(yù)加載，當(dāng)位移曲線持續(xù)表現(xiàn)為直線并結(jié)合液壓千斤頂加載噸位，確定常阻力扣件加載最值為41.16 kN，小阻力扣件加載最值為33.32 kN。正式試驗(yàn)中，常阻力和小阻力扣件各測(cè)8組數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)中誤差主要來(lái)源于以下4個(gè)方面。

(1)扣件安裝誤差

在安裝扣件時(shí)，錨固螺栓安裝扭矩取300 N·m，要求彈條中部前端下顎與絕緣塊剛好接觸且兩者間隙不大于0.5 mm，絕緣塊與鐵墊板擋肩縫隙不大于1 mm等，在手工安裝過(guò)程中精度難以控制。

(2)液壓千斤頂加載位置偏差

液壓千斤頂加載頭的正確位置是扣件節(jié)點(diǎn)位置的鋼軌截面中性軸，本試驗(yàn)中采用的60 kg/m鋼軌截面中性軸位置距軌底高度為81.23 mm。在試驗(yàn)前對(duì)鋼軌加載位置標(biāo)記和安裝千斤頂加載頭過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)位置偏差。另外，加載過(guò)程中鋼軌發(fā)生偏轉(zhuǎn)，加載頭位置會(huì)發(fā)生輕微滑移。

(3)百分表測(cè)量頭的位置偏移

本試驗(yàn)中安裝的百分表在鋼軌偏轉(zhuǎn)后，百分表測(cè)量頭難免發(fā)生滑移，尤其是軌腰和軌頭橫移量相對(duì)較大的位置。

(4)人工讀數(shù)誤差

讀數(shù)時(shí)，視線應(yīng)與表盤面垂直，不能斜視。由于試驗(yàn)工裝空間結(jié)構(gòu)的局限性，讀數(shù)時(shí)往往需要斜視。

為減小測(cè)量誤差，我們只取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中均勻性較好的5組數(shù)據(jù)分析。

3 數(shù)據(jù)分析

取均勻性較好的5組位移數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還是比較離散，但位移曲線形狀和規(guī)律基本相同。

3.1 WJ-7型常阻力扣件橫向阻力

常阻力扣件橫向阻力-位移曲線、扣件橫向阻力-平均位移曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 常阻力扣件橫向阻力-位移曲線

圖4 常阻力扣件橫向阻力-平均位移曲線

分析可以得出以下結(jié)論：①鐵墊板的位移很小，橫向力加載最值為41.16 kN，鐵墊板位移僅為0.279 mm，位移與橫向力呈線性關(guān)系，其位移曲線斜率即扣件橫向剛度在143.7～162.1 kN/mm；②軌頭、軌腰、軌底位移曲線比較類似，前段是二次拋物線，后段近乎直線。

去除鐵墊板的位移后，位移曲線如圖5、圖6所示，在橫向力為5.88 kN時(shí)，軌底位移為1.177 mm，軌頭位移為2.015 mm，軌頭位移是軌底位移的1.7倍，鋼軌發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)[1]中絕緣塊剛度取300 kN/mm，那么絕緣塊的壓縮變形可以忽略，絕緣塊與鐵墊板擋肩之間縫隙的閉合和鋼軌偏轉(zhuǎn)的共同作用形成了二次拋物線，后段直線是鋼軌偏轉(zhuǎn)的結(jié)果。

對(duì)軌頭位移曲線擬合可得：

對(duì)軌腰位移曲線擬合可得：

對(duì)軌底位移曲線擬合可得：

圖5 常阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線前段

圖6 常阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線

3.2 WJ-7型小阻力扣件橫向阻力

小阻力扣件橫向阻力-位移曲線、扣件橫向阻力-平均位移曲線如圖7、圖8所示。

圖7 小阻力扣件橫向阻力-位移曲線

圖8 小阻力扣件橫向阻力-平均位移曲線

分析可以得出以下結(jié)論：(1)橫向力加載到最大值33.32 kN時(shí)，鐵墊板位移為0.239 mm，位移與橫向力呈線性關(guān)系，橫向剛度取值范圍為130.2～138.9 kN/mm；(2)軌頭、軌腰、軌底位移曲線前段是二次拋物線，后段近乎直線。

去除鐵墊板的位移后，位移曲線如圖9、圖10所示。橫向力為3.92 kN時(shí)，軌底位移為1.27 mm，軌頭位移為1.83 mm，軌頭位移是軌底位移的1.44倍，鋼軌發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)。橫向力為2.94～3.92 kN，3個(gè)位移值都出現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)，同樣根據(jù)文獻(xiàn)[1] 忽略絕緣塊的壓縮變形，認(rèn)為位移的跳躍式增長(zhǎng)是絕緣塊與鐵墊板擋肩之間的縫隙閉合造成的，后段直線是鋼軌偏轉(zhuǎn)的結(jié)果。

對(duì)軌頭位移曲線擬合可得：

對(duì)軌腰位移曲線擬合可得：

對(duì)軌底位移曲線擬合可得：

圖9 小阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線前段

圖10 小阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)WJ-7型常阻力扣件和小阻力扣件的橫向阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

(1)鋼軌軌頭、軌腰、軌底位移曲線由二次拋物線和直線兩部分組成。橫向力初加載時(shí)位移曲線為二次拋物線，這是絕緣塊與鐵墊板擋肩之間縫隙閉合和鋼軌偏轉(zhuǎn)共同作用的結(jié)果，后段直線是因?yàn)殇撥壠D(zhuǎn)。

(2)在橫向力作用下，鐵墊板的位移呈線性增長(zhǎng)；常阻力扣件橫向剛度在143.7～162.1 kN/mm，小阻力扣件橫向剛度在130.2～138.9 kN/mm。