一種新型鋼軌焊縫保護裝置的受力分析

蔡小培，高 亮，曲 村

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

1 研究背景

我國鐵路運輸向客運高速、貨運重載方向發展，對無縫線路質量要求越來越高。但鋼軌斷裂現象仍層出不窮，尤其是在鋁熱焊縫處［1～5］。目前，防止鋼軌斷裂已成為工務部門的一項重要工作。我國為預防鋁熱焊縫斷裂影響行車安全，大部分采用的是在焊縫附近的鋼軌打孔、兩邊擰上鼓包夾板進行加強。但是，這會使螺栓孔變成新的應力集中源，疲勞荷載使其周圍產生裂紋，更容易發生鋼軌斷裂現象。

針對鋼軌焊縫處易斷裂這一現象，北京鐵路局和北京華鐵安創軌道科貿有限公司研究開發了一種新型鋼軌焊縫保護裝置。該裝置的特點是不在鋼軌及夾板上打眼、不采用鼓包夾板，而是通過膠粘劑固定夾板和鋼軌來提高焊縫處的強度。該裝置可應用于傷損鋼軌、傷損焊縫處，有條件時可替換現有鼓包夾板，還可在未上道前將鋁熱焊縫進行提前粘結加固。

本文基于有限元方法建立了新型鋼軌焊縫保護裝置仿真分析模型，主要從靜力學方面對結構進行了分析與評估，并與無夾板焊縫、鼓包夾板進行了對比分析，從而為該種保護裝置的設計、應用提供理論依據。

2 保護裝置結構

新型鋼軌焊縫保護裝置由夾板、鎖定扣件結構、防松螺栓及膠粘劑等結構組成，如圖1所示。夾板材質為B7鋼或性能更優的其他鋼材。夾板尺寸與鋼軌軌腰相匹配，吸收了其他膠接絕緣夾板的優點［6～8］，并進行了優化設計。夾板高度為122 mm，厚度為42 mm，長度為1.0 m。夾板內側與鋼軌粘接，外側通過鎖定扣件及其橫向螺母固定。

圖1 新型鋼軌焊縫保護裝置

鎖定扣件下部托住夾板，減少夾板自重，增加和保持夾板的粘結強度長期有效。在軌撐擋墻上安裝4個M24的橫向防松螺栓，將粘結夾板頂住。橫向螺栓頂住夾板外面溝槽，擰緊扭矩為400～500 N·m，提高和保持夾板的夾緊力和粘結強度，且不因溫度變化而使其強度降低?？奂牡撞?，橫向插入軌底，以防止因橫向螺栓擰緊時鎖定扣件的上擋板外側面與夾板離縫。?

3 有限元分析模型

3.1 計算模型

在已有研究的基礎之上［9～10］，基于有限元理論建立了新型焊縫保護裝置仿真分析模型，如圖2所示。模型中，鋼軌、焊縫、夾板、鎖定結構選用實體單元進行模擬;軌下膠墊及扣件采用彈簧單元進行模擬。同時，為了減小計算分析工作量，鋼軌、夾板、鎖閉結構等建模時，在不影響仿真結果精度的前提下，結構幾何尺寸略有簡化。

圖2 新型保護裝置整體模型

此外，本文還建立了鼓包夾板焊縫、無夾板焊縫的有限元分析模型，以便進行對比分析，鼓包夾板模型如圖3所示。模型中，考慮了夾板、螺栓及焊接材料的實際特性，結構均用實體單元模擬。

圖3 鼓包夾板整體模型

3.2 設計參數

參考新型保護裝置的相關設計資料，并結合實際應用線路的特點，取以下參數進行計算，列于表1。

表1 主要計算參數

在進行準靜態計算時，列車垂向荷載為考慮了速度系數后的動輪載。對于SS8(22 t軸重)、動車組(16 t軸重)均按時速120 km進行修正，修正后的垂向荷載分別為186、135 kN;對于橫向荷載，統一取不利荷載50 kN進行計算分析。

4 結構受力與變形

SS8列車、動車組通過保護裝置時，焊縫處的位移和應力等計算結果列于表2，結構受力及位移云圖見圖4～圖7。

由表2可見，軸重、速度對鋼軌軌底垂向位移和動彎應力影響較大，對鎖定扣件結構的受力影響較小。隨著軸重的增大，鋼軌位移和動彎應力相應增大。豎向動荷載越大對軌道結構的受力和變形相對越不利。

表2 列車通過時焊縫處的計算結果

設置新型焊縫保護裝置后，焊縫處鋼軌軌頭受到較大的壓應力，軌底部分受到較大的拉應力，如圖4所示。列車車輪荷載作用于焊縫正上方時，鋼軌動彎應力在軌底邊緣處達到最大，為86.2 MPa。鋼軌動態彎曲應力遠小于焊縫強度允許值。

圖4 鋼軌軌底動彎應力

圖5所示為保護夾板的動態彎曲應力。列車荷載作用下，夾板下緣受到拉力作用，上緣受到壓應力的作用。荷載作用區域，應力較大，其余部分應力較小。最大應力77.2 MPa，遠小于夾板材料的容許應力值。夾板與鋼軌的變形協調性較好，消除了接頭起拱、打螺栓孔造成應力集中等人為因素導致的隱患，使得夾板受力情況得到優化。

圖5 夾板拉應力局部圖

圖6和圖7所示為鎖定扣件立板的應力分布云圖。立板的橫向及垂向應力都很小，最大值也小于10 MPa，能夠滿足結構強度的要求。應力分布較均勻，螺栓孔處基本沒有應力集中現象。鎖定扣件立板彎折處有一定的應力集中，設計時應注意此處的加強。

此外，還分析了立板設置2個橫向螺栓時的各項指標:鋼軌垂、橫向位移，軌底動彎應力與設置4個螺栓時基本相同，鎖定扣件的底板應力、橫豎向應力則有大幅度的增加，但均在容許應力范圍內。設置4個螺栓時，鎖定扣件結構立板和底板應力要比設置有2個螺栓時降低約60%。但考慮到鎖定扣件的應力均遠遠小于材料的容許應力，設置2個或4個螺栓均能滿足要求。

圖6 鎖閉結構橫向應力

圖7 鎖閉結構垂向應力

5 與其他焊縫的對比

以傳統的SS8列車為例，對采用無夾板焊縫(普通焊縫)、新型保護裝置、鼓包夾板的3種情況分別進行計算分析和對比。

5.1 鋼軌位移

圖8和圖9所示為不同焊縫條件下，鋼軌焊縫處的垂向位移、橫向位移對比圖。采用保護裝置后，鋼軌位移比無夾板焊縫時垂向位移減小0.183 mm，降幅11.34%，橫向位移減小0.271 mm，降幅17.62%;采用鼓包夾板比無夾板時垂向位移減小0.144 mm，降幅8.93%，橫向位移減小0.243 mm，降幅15.80%?？梢姡捎眯滦捅Ｗo裝置與鼓包夾板、普通焊縫相比，能夠有效地減小焊縫處的垂、橫向位移。

圖8 鋼軌焊縫處的垂向位移

圖9 鋼軌焊縫處的橫向位移

5.2 軌底應力

列車荷載作用下，焊縫處鋼軌軌底的動彎應力對比如圖10所示。采用安全裝置和鼓包夾板均可明顯減小軌底動彎應力。采用保護裝置比無夾板焊縫時的動彎應力減小34.8 MPa，降幅28.76%;采用鼓包夾板比無夾板焊縫時的鋼軌動彎應力減小34.3 MPa，降幅28.35%。可見，新型保護裝置與鼓包夾板對于減小焊縫軌底動彎應力效果相近。

圖10 焊縫處軌底動彎應力對比

通過分析可見，新型鋼軌焊縫保護裝置可有效地減小焊縫處的受力與變形，有利于減少和避免無縫線路鋼軌焊縫斷裂。

5.3 夾板應力

列車荷載作用下，鼓包夾板的應力分布如圖11所示。鼓包夾板的最大應力位于鼓包和直線段結合處，應力為87.9 MPa。對于夾板，鼓包魚尾板在鼓包起拱處和螺栓孔處有應力集中，且其應力最值比保護裝置夾板的最值大10.7 MPa。相對于鼓包夾板，保護裝置夾板發生斷裂的可能性較小。

圖11 鼓包夾板應力分布

6 結論

(1)設置新型保護裝置時，焊縫處鋼軌及輔助結構的整體剛度增大，鋼軌垂向、橫向位移較無夾板焊縫、設置鼓包夾板情形均有所減小。

(2)采用新型保護裝置可有效減小焊縫處軌底動彎應力，加強焊縫處的軌道結構，對防止無縫線路鋼軌在焊縫處發生斷裂有明顯效果。

(3)新型保護裝置夾板和傳統的鼓包夾板相比，消除了接頭起拱、打螺栓孔等造成應力集中的人為因素導致的隱患，使得夾板受力情況得到優化。

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