地鐵扣壓力及應(yīng)力分析

地鐵扣壓力及應(yīng)力分析

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，中國優(yōu)秀的鐵路動力類型也相繼誕生。典型的扣件類型有:DTⅢ2型扣件、DTⅥ型扣件、WJ-3彈條Ⅱ型分開式扣件等。WJ-3彈條Ⅱ型分開式扣件為無擋肩、分開式扣件。通過T形螺栓把鐵墊板和鋼軌扣連在一起且采用Ⅱ型彈條,并用錨固螺栓將混凝土基礎(chǔ)與鐵墊板聯(lián)接牢固。為抵抗列車荷載的振動沖擊作用,扣件設(shè)置兩層橡膠墊板構(gòu)成雙層減振結(jié)構(gòu)?？奂饕缮w形螺栓、T形螺母、平墊圈、Ⅱ型彈條、絕緣套管、鐵墊板、橡膠墊板、軌距塊、調(diào)高墊板、錨固螺栓和重型彈簧墊圈等組成。彈條Ⅱ型分開式扣件的彈條為?13mm國鐵Ⅱ型彈條,采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼60SiCrVA材料,抗拉強度為1760MPa,相比于Ⅰ型彈條,抗拉強度和屈服強度分別提高了36.6%和42.3%?；冖裥蛷棗l的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),對Ⅱ型彈條進行優(yōu)化設(shè)計,最終確定彈條的直徑與Ⅰ型扣件相同,仍為13mm。相較Ⅰ型彈條扣件,彈條Ⅱ型分開式扣件具有彈性強、扣壓力大、強度安全儲備大、殘余變形小等優(yōu)點,適用于地下線一般減振要求地段。該扣件目前已在深圳、天津地鐵設(shè)計中采用。由于螺栓的預(yù)緊作用,彈條本身存在著一定的應(yīng)力,在列車荷載作用下,彈條應(yīng)力分布不均,可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中造成彈條斷裂。在安裝T形螺栓時,以彈條中部前端下顎與絕緣塊剛好接觸為準(zhǔn),兩者的間隙不大于0.5mm,即預(yù)壓縮量不大于6mm。確認(rèn)軌距和軌向合適后,以90~115N·m的扭矩擰緊錨固螺栓。本文參考深圳地鐵一期,簡化建立彈條Ⅱ型分開式扣件計算模型,采用有限元法,分別計算分析在列車垂向振動、列車橫向力和壓緊位移作用下,Ⅱ型彈條的應(yīng)力分布規(guī)律與最大應(yīng)力,同時分析彈條彈性模量對扣壓力的影響。1橋上彈條斷裂我國地鐵扣件系統(tǒng)傷損病害主要體現(xiàn)為彈條斷裂、鐵墊板下緩沖墊破裂、扣件系統(tǒng)銹蝕、橡膠墊層竄出或失效、軌距擋塊破壞、扣件系統(tǒng)壓潰以及基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致的調(diào)整量超限等。對于前兩種病害如圖1所示。在深圳地鐵運營過程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有彈條扣件斷裂的現(xiàn)象產(chǎn)生。橋上彈條折斷在梁端較多,但梁跨中也有,隧道以及橋隧過渡段線路的直線、曲線地段彈條折斷均有發(fā)生。在彈條折斷處,彈條上方的鋼軌均伴有光帶異常,初步認(rèn)為彈條斷裂主要由于列車荷載作用并附加鋼軌波磨導(dǎo)致。在深圳地鐵一期上鋪設(shè)的WJ-3彈條Ⅱ型分開式扣件的橡膠墊板破損較為普遍,橡膠墊板沿鐵墊板板角開裂。圖1(b)為鐵墊板下緩沖橡膠墊破裂示意。由于絕緣橡膠墊材質(zhì)的抗老化性能較差且剛度較大,隨著膠墊老化,容許應(yīng)力降低,在列車荷載作用下超過其容許應(yīng)力而被壓裂;由于緊固鐵墊板的錨固螺栓扣壓力過大,在鐵墊板的板角區(qū)域?qū)δz墊形成45°的切向應(yīng)力,膠墊受力過大開裂。由于扣件發(fā)生彈條折斷病害較為普遍且扣件系統(tǒng)彈條斷裂機理尚不明確,因此,采用靜力分析研究和探索扣件系統(tǒng)彈條折斷機理。2模型和計算參數(shù)2.1彈條型分開式扣件的建立從扣件減振與彈性的角度出發(fā),無論扣件系統(tǒng)采用何種結(jié)構(gòu)形式,都主要由扣壓件與彈性墊層構(gòu)成。為探尋和描述扣件系統(tǒng)的性能,針對彈條Ⅱ型分開式扣件應(yīng)分開考慮扣壓件和彈性墊層的影響?？蹓杭仨毐３直匾目蹓毫?扣壓力由Ⅱ型彈條和T形螺栓提供。T形螺栓對Ⅱ型彈條施加預(yù)緊力作用,Ⅱ型彈條作用于軌距塊直接提供扣壓力作用。彈性墊層為扣件提供減振和彈性。因此簡化T形螺栓為垂向預(yù)緊力,彈性墊層為剛度合理的彈簧,Ⅱ型彈條為具有各項同性、塑性、大變形和大應(yīng)變性質(zhì)的實體,具體簡化和模擬內(nèi)容如下。在簡化建立彈條Ⅱ型分開式扣件空間模型時,將除ω形彈條外的其他部件例如:前肢彎下的軌距塊和后肢彎下的鐵墊板,近似處理為剛體模型,用以約束彈條的前肢彎和后肢彎。中肢前端下顎下部的軌距塊和彈性橡膠墊則考慮為非線性彈簧作用,ω形彈條則考慮為實體模型。2.2單元模擬并賦予計算參數(shù)運用有限元法通過ANSYS計算軟件進行模擬計算,如圖2所示。模型主要包括ω形彈條、軌距塊、鐵墊板、軌下橡膠墊板及鐵墊板下橡膠墊板,對ω形彈條采用實體建模,通過solid45單元模擬并賦予計算參數(shù)彈性模量為2.06×105MPa,泊松比0.3。軌距塊和鐵墊板用于約束彈條的前肢彎和后肢彎下顎,軌下橡膠墊板及鐵墊板下橡膠墊板用COMBIN39單元模擬,扣壓力(單個)為10kN,彈程10mm,調(diào)高量軌下10mm,鐵墊板下15mm,總計可調(diào)25mm。軌距調(diào)整量是靠不同尺寸的絕緣軌距塊實現(xiàn),調(diào)整量為-8mm,+4mm,承受最大橫向力(疲勞)50kN,預(yù)緊力取為115kN。3計算不同負(fù)荷下軸的力分布3.1垂向振動的應(yīng)力由于列車荷載的作用,鋼軌及扣件系統(tǒng)均會產(chǎn)生振動,為計算振動對彈條產(chǎn)生的附加力,將扣件系統(tǒng)的垂向振動作為外荷載施加于扣件靜力學(xué)模型上,振動分別取為向上位移0.64、0.87mm和1.01mm。經(jīng)計算應(yīng)力云圖如圖3所示,彈條附加力如表1所示。在彈條中肢前端施加向上振動時,彈條應(yīng)力主要集中在前肢彎處和后肢彎處,隨著垂向振動增大,彈條前肢彎附加拉應(yīng)力和彈條后肢彎附加壓應(yīng)力增大。但是,在垂向振動荷載作用下,最大彈條附加應(yīng)力值為356MPa。單純從附加應(yīng)力方面考慮,列車荷載并不會引起彈條的破壞。3.2列車橫向力作用下彈條應(yīng)力分布分析扣件系統(tǒng)在列車橫向力作用下的影響時,分別考慮加載垂向振動1.01mm和未加載垂向振動,橫向荷載分別取40、50、60kN,施加于前肢彎和中肢前端。在列車橫向力作用下,彈條應(yīng)力分布如圖4所示。在列車橫向力、垂向振動1.01mm以及安裝過程中的預(yù)緊力作用下,彈條本身處于受力狀態(tài)且受力較大。在橫向力作用下,彈條前肢產(chǎn)生向上位移,右彈條后肢受壓應(yīng)力作用,前肢受拉應(yīng)力作用。隨著列車橫向力增大,前肢向上位移和右彈條后肢壓應(yīng)力和前肢拉應(yīng)力繼續(xù)增大。加載時彈條最大壓應(yīng)力為727.8MPa,拉應(yīng)力為169.6MPa。單純從應(yīng)力方面考慮,列車橫向力并不會引起彈條的破壞。列車橫向力作用下,彈條所受最大應(yīng)力如表2所示。3.3壓緊位移對彈條應(yīng)力的影響在螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的預(yù)壓縮量和列車荷載作用下彈條會產(chǎn)生較大的壓緊位移,過大的壓緊位移可能導(dǎo)致彈條局部應(yīng)力集中且超過其強度極限而折斷。當(dāng)預(yù)壓縮量超過5mm時,列車荷載作用下的彈條壓緊位移6mm≤h≤10.5mm。為研究壓緊位移對彈條應(yīng)力影響,取壓緊位移值分別為10.5、10、9.0mm的條件下,彈條應(yīng)力分布如圖5所示,彈條最大應(yīng)力值如表3所示。在最大壓緊位移10.5mm下,在彈條后肢彎位置有最大拉應(yīng)力1886.9MPa,已超過60SiCrVA材料的屈服極限1760MPa并接近強度極限,如果附加鋼軌波磨影響,彈條后肢彎位置可能發(fā)生折斷損傷,結(jié)果與WJ-3彈條Ⅱ型分開式扣件在深圳地鐵一期使用過程中塑性應(yīng)變疲勞斷裂的情況相符。隨著壓緊位移的增大,彈條最大應(yīng)力增幅明顯,分析列車垂向振動、列車橫向力和壓緊位移作用下的彈條應(yīng)力分布和最大應(yīng)力值可知,壓緊位移對彈條中的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力的影響更為顯著。因此,在地鐵運營時應(yīng)控制彈條的壓緊位移,在保證對鋼軌扣壓力的前提下,減小預(yù)壓縮量,使壓緊位移不超過9mm。從而降低列車運行時彈條內(nèi)部的整體應(yīng)力水平和局部位置上的最大應(yīng)力,提高彈條使用壽命和列車的運行安全系數(shù).4彈性模量對彈條下下肢扣壓力的影響在彈條中肢前端施加10mm的位移荷載,分析彈條在8種不同彈性模量下的扣壓力變化規(guī)律。由表4可知,在中肢前端位移量達(dá)到彈程10mm時,隨著彈性模量的增大,彈條中肢前端下顎扣壓力增幅明顯。雖然在彈條局部區(qū)域材料產(chǎn)生塑性變形,但是扣壓力與彈性模量的關(guān)系仍可近似為線性。圖6為在彈條中肢前端施加5mm的位移荷載時,彈條彈性模量與扣壓力關(guān)系。5相較受載力影響的彈條應(yīng)力分布針對深圳地鐵一期采用的WJ-3型扣件內(nèi)的ω形彈條的應(yīng)力分布特性進行研究,基于ω形彈條結(jié)構(gòu)和有限元方法,分析不同荷載工況對彈條應(yīng)力分布的影響,得出3種荷載對彈條的應(yīng)力影響規(guī)律,提出彈條的壓緊位移限值,可為地鐵扣件的傷損養(yǎng)護維修指標(biāo)制定提供一定的參考。結(jié)論如下。(1)相較列車橫向力和垂向振動對彈條整體應(yīng)力的影響,使彈條應(yīng)力分布不均,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的列車橫向力對彈條的危害性更大。(2)由于螺栓的預(yù)緊作用,彈條本身存在著一定的應(yīng)力,在垂向振動和列車橫向力作用下,彈條內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力偏大,如果附加鋼軌波磨影響,彈條可能會發(fā)生疲勞斷裂。(3)在同一中肢前端位移,