韓朝霞 王書衛(wèi)

中國鐵路設計集團有限公司，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上的正確位置及鋼軌與軌枕的可靠聯(lián)結，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，還應具備良好的彈性、絕緣性能和一定的調整能力。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，結構簡單，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整量偏小、調高不便的問題。為解決上述問題，本文設計一種新型有螺栓扣件及配套的調高結構。

1 扣件系統(tǒng)選型

1.1 主要技術參數(shù)

參考國內城市軌道交通扣件系統(tǒng)的技術指標和應用情況，提出了新型有螺栓扣件的設計參數(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。設計時扣件節(jié)點垂直靜剛度取20 ～40 kN/mm。

3）軌距及水平調整能力

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

4）絕緣性能

扣件絕緣電阻不小于108Ω。

1.2 扣件結構設計

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、預埋套管、調高墊板等組成，見圖1。

圖1 新型扣件結構（單位：mm）

設計時首次將高速鐵路扣件設計理念引入地鐵，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，鋼軌兩側受力對稱，內部應力減小，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力值為164 MPa，能夠滿足結構受力要求。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置鋸齒形結構，增大扣件水平調整量，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代替橡膠材質能顯著降低鐵墊板應力約40%。設計時鐵墊板下采用5 mm 厚的橡塑墊板，既降低了鐵墊板內部應力，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，應用效果良好，彈條扣壓力不小于10 kN，滿足該扣件技術要求?？紤]該彈條技術成熟，通用性好，造價較低［6-7］，因此采用Ⅱ型彈條。

2 扣件調高結構設計

2.1 調高量目標值

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

2.2 調高結構設計方案

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

表1 扣件調高量與安裝方案 mm

2.2.1 調高型鐵墊板結構的設計

鐵墊板是調高扣件結構設計方案中的關鍵。在普通扣件的基礎上，設計調高量20 mm 和40 mm 兩種鐵墊板，同時應滿足扣件結構安全穩(wěn)定、與普通扣件通用互換、便于安裝拆卸、高性價比等要求。

調高型鐵墊板（圖2）通過增加承軌槽位置的厚度來實現(xiàn)調高，固定彈條的鐵座隨之加厚，保證彈條與鋼軌的固定關系保持不變。為了保持錨固螺栓的良好受力狀態(tài)，調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計，保證扣件結構強度的同時盡量減少材料用量，降低造價。

圖2 調高型鐵墊板結構

2.2.2 調高鐵座的設計及對軌距的影響

地鐵一般設置1∶40的軌底坡，扣件調高后會對軌距產(chǎn)生影響。以最大調高量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整量為-10、8 mm，扣件調高造成的軌距減小能夠通過軌距塊進行調整。因此，設計時彈條鐵座及其與承軌面的相對關系與普通扣件一致。

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，在保證主體結構計算有效性的基礎上做出了合理簡化，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加力；不影響計算結果的圓弧、倒角等細節(jié)適當簡化。

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 鐵墊板結構強度

根據(jù)有限元計算結果，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］。分別檢算無調高墊板和加設30 mm 調高墊板兩種工況下調高型鐵墊板的應力，結果見圖3。可知：無調高墊板和加設30 mm 調高墊板的鐵墊板最大應力分別為153.4、163.4 MPa，鐵墊板結構強度滿足要求。

圖3 鐵墊板應力（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，對于軌道結構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。

考慮本扣件系統(tǒng)存在軌下調高的情形，設置軌下調高墊板10 mm 的計算工況。計算分析無調高墊板、板下調高30 mm、軌下調高10 mm+板下調高20 mm 三種有限元模型的軌頭橫向位移，結果見圖4?？芍簾o調高墊板和板下調高30 mm 工況下，扣件系統(tǒng)鋼軌軌頭橫向位移接近，約0.68 mm；軌下調高10 mm+板下調高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，選取調高量70 mm 的最不利工況，檢算扣件錨固螺栓的受力情況，結果見圖5?？芍哄^固螺栓最大應力為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 螺栓應力（單位：MPa）

4 試制及試驗

根據(jù)設計方案，分別對普通型和調高型扣件進行試制，驗證其工藝可行性，并在廠內進行試組裝，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，普通型及調高型扣件軌距擴張量均為4 mm，能夠滿足相關標準要求；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 室內組裝疲勞試驗

5 結語

本文所述彈性分開式有螺栓扣件及其配套調高結構適用于鋪設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、螺栓等關鍵零部件以及扣件穩(wěn)定性進行力學檢算，并進行產(chǎn)品試制和室內試驗，驗證了該扣件具有足夠的強度、穩(wěn)定性和耐久性，滿足地鐵扣件的應用和調高需求，調高型和普通型扣件零部件通用，養(yǎng)護維修方便，具有較好的推廣應用價值。