赵泽明，胡小刚，韦 凯，江万红

(1.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；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

弹性分开式扣件因其安装方便、性能可靠，被广泛应用于地铁线路设计中，常见的有DTIII，DZIII，DTVI2型等。弹性分开式扣件系统一般采用双层弹性垫板，包括轨下弹性垫板和铁垫板下弹性垫板2类，扣件系统刚度也由轨下弹性垫板和板下弹性垫板共同决定。目前，铁路系统中一般采用静刚度指标对弹性垫板的静力性能进行评价，即通过测试弹性垫板在真实服役受力范围内(扣件正常安装产生的弹性垫板初始压力叠加轮轨系统对扣件动作用力形成的受力范围)的等效静刚度来评价弹性垫板的静力性能。然而，弹性垫板多采用TPEE或橡胶类高分子材料制成，其荷载-位移曲线具有较强的非线性特性，导致弹性垫板的静刚度测试结果受测试荷载取值范围影响很大。

弹性分开式扣件其轨下弹性垫板和板下弹性垫板的静刚度初始压力荷载分别由弹条扣压力[1]及锚固螺栓对铁垫板的预紧力决定。对于轨下弹性垫板静刚度的测试，可借鉴TB/T 3395.1—2015《高速铁路扣件第一部分:通用技术条件》[2]与GB/T 21527—2008《轨道交通扣件系统弹性垫板》[3]中静刚度荷载范围和测试方法。但对于板下弹性垫板静刚度的测试，尚无相关的规范规定，若单纯依照轨下弹性垫板静刚度测试荷载范围进行测试，势必由于静刚度测试范围选取不准确造成测试结果同实际产生较大的差异。

基于此，本文以我国地铁常用的DZIII型弹性分开式扣件为例，首先计算锚固螺栓在不同紧固扭矩作用下产生的初始预压力，然后对TPEE和橡胶材质的板下弹性垫板在不同初始预压力作用下的静刚度进行测试和评价。研究可为弹性分开式扣件板下弹性垫板静刚度的测试及评价提供参考。

1 锚固螺栓对板下弹性垫板初始预压力计算

DZIII型扣件系统主要由锚固螺栓、弹簧垫圈、e型弹条、绝缘轨距块、轨下弹性垫板、铁垫板、板下弹性垫板和定位于混凝土轨枕的预埋套管组成，如图1所示。

图1 DZIII型扣件系统组装示意

对于DZIII型扣件，板下弹性垫板初始预压力主要由锚固螺栓紧固扭矩产生的预紧力提供。根据参考文献[5]，锚固螺栓紧固扭矩与预紧力的关系可简化为

式中:M为锚固螺栓紧固扭矩，N·m；P为锚固螺栓轴向预紧力，kN；R为螺母承力面外半径，mm；r为螺母承力面内半径，mm；d2为螺纹中径，mm；β为螺纹半角，(°)；t为螺距，mm；f为螺母与被连接件支承面间的摩擦因数；f′为螺旋副间的摩擦因数。

由于式(1)中tf′项很小，故式(1)可简化为

式中:d为螺栓公称直径，mm；k为锚固螺栓紧固扭矩系数，其值为

DZШ型扣件系统中，锚固螺栓型号为M30，材质为45号钢，其公称直径d＝30 mm，螺纹中径d2＝27 mm，螺纹半角β＝30°/2，螺距t＝6 mm，螺母承力面外半径R＝23 mm，螺母承力面内半径r＝15.5 mm。锚固螺栓与预埋套管安装连接时涂有黄油，故考虑一定的润滑性，取摩擦因数f＝f′＝0.1[6]。则锚固螺栓紧固扭矩系数由式(3)计算可得k＝0.143。因此在不同紧固扭矩作用下锚固螺栓的预紧力可由式(2)计算得到。

由于弹性分开式扣件系统由2颗锚固螺栓固定铁垫板，且铁垫板厚度较大不考虑弯曲变形，故可近似认为板下弹性垫板受力均匀且初始预压力为锚固螺栓预紧力的2倍。参考DZIII型扣件设计采用的扭矩值，分别计算不同扭矩下所产生的锚固螺栓预紧力及板下弹性垫板初始预压力，结果如表1所示。

表1 锚固螺栓在不同扭矩下产生的预紧力及初始预压力

由表1可知，锚固螺栓紧固扭矩产生的锚固螺栓预紧力与板下弹性垫板初始预压力随着紧固扭矩的增加而增加。与紧固扭矩为150 N·m相比，当紧固扭矩达到250 N·m时所产生的锚固螺栓预紧力与板下弹性垫板初始预压力增加了67%。由此看出，锚固螺栓在不同紧固扭矩下对板下弹性垫板初始预压力的影响很大。

2 板下弹性垫板静刚度试验

2.1 试验准备

本次测试的试验对象为适用于DZIII型扣件系统的TPEE和橡胶类板下弹性垫板，如图2所示。

图2 DZIII型板下弹性垫板

试验设备及配件主要有万能试验机、DZIII型扣件铁垫板、短钢轨、支承钢板、百分表等。

1)试验机。为上海华龙微机控制电液伺服万能试验机，最大可施加1 000 kN荷载，并可精确控制加载范围和速率。

2)DZIII型扣件系统铁垫板。

3)短钢轨。采用60 kg/m短钢轨，长度大于铁板宽，约200 mm；

4)支承钢板。长宽大于铁垫板，且厚度大于20 mm；

5)百分表。示值精度为0.01 mm；

将试验配件按短钢轨、铁垫板、砂纸(砂粒面朝下)、板下弹性垫板、砂纸(砂粒面朝上)、支承钢板等依次从上到下放置，试验装置如图3所示。

图3 板下弹性垫板试验装置

2.2 试验方案

由于板下弹性垫板属于高分子材料，具有很强的非线性特征，在刚度测试时其动态力学行为与环境温度、荷载频率、预压幅值紧密相关[7-8]。因此，在板下弹性垫板的静刚度试验中，应严格控制环境温度、加载速率等因素的影响[9]。

具体测试时，首先将组装好的试验装置放置于23±3℃环境中保持24 h；恒温保持后，以5 kN/s的加载速率对试验对象进行2次0～240 kN预加载以消除板下弹性垫板的Mullins效应[10]；完成预加载后进行正式加载，正式加载时以1 kN/s的加载速率进行，同时每隔10 kN设置1个加载点逐级加载至200 kN，每级荷载加载之后保持60 s，并记录百分表读数稳定后板下弹性垫板的位移。

2.3 试验结果

分别对TPEE和橡胶类板下弹性垫板的试样A，B进行测试，2个百分表的测试结果如表2所示。

表2 板下弹性垫板静力测试数据

取试样A，B的位移平均值作为该类材料板下弹性垫板的位移，据此可作出板下弹性垫板的荷载-位移曲线，如图4所示。

图4 DZIII型板下弹性垫板荷载-位移曲线

从图4测试结果可以看出，TPEE板下弹性垫板在20～120 kN荷载范围内荷载-位移曲线呈直线状态，即具有较强的线性特征，当荷载高于120 kN时，其荷载-位移曲线斜率变大，体现出较强的非线性特征。然而，橡胶类板下弹性垫板在整个荷载范围内(10～200 kN)均呈现出较强的非线性特征，其荷载-位移曲线的切线刚度随荷载增加而缓慢增大。

扣件板下弹性垫板静刚度KSTA计算公式为

式中:F1，F2分别为静刚度计算选取荷载范围的2个荷载节点的值，kN；D1，D2分别为荷载F1，F2对应的位移值，mm。

列车通过时轮轨冲击产生的扣件动作用力一般可达到50 kN，因此，F2可在F1的基础上叠加50 kN进行确定。

基于表2测试数据，计算不同初始荷载F1下板下弹性垫板等效静刚度，结果如表3和图5所示。

表3 板下弹性垫板静刚度

图5 板下弹性垫板静刚度随荷载F1变化关系

根据表3及图5测试结果可以看出:TPEE板下弹性垫板静刚度在F1为20～70 kN范围内几乎保持稳定，而在荷载F1为70～130 kN范围内逐渐增加，相比F1为20 kN时，F1为130 kN时所对应的静刚度增加了1.66倍。而橡胶类板下弹性垫板静刚度在荷载F1为20～130 kN范围内增长较快，相比F1为20 kN时，F1为130 kN时所对应的静刚度增加了2.48倍。

3 紧固扭矩对板下弹性垫板静刚度的影响分析与评价

根据表 1 计算结果，分别选取 70，80，95，105，115 kN作为荷载F1，对板下弹性垫板的静刚度重新进行测试，分别用于评价锚固螺栓紧固扭矩为150，175，200，225，250 N·m时，板下弹性垫板在真实服役状态下的静刚度。

本次测试时，以5 kN/s的加载速率对板下弹性垫板进行2次预加载后，以1 kN/s的加载速率进行正式加载，正式加载期间只在板下弹性垫板静刚度的荷载节点F1，F2的位置进行荷载保持，并记录板下弹性垫板的位移，并对板下弹性垫板的静刚度进行计算。计算结果如表4和图6所示。

表4 不同紧固扭矩下板下弹性垫板静刚度

图6 板下垫板静刚度随紧固扭矩变化关系

由表4及图6可以看出，不同紧固扭矩对板下弹性垫板静刚度影响较大。与紧固扭矩为150 N·m相比，当紧固扭矩达到250 N·m时，TPEE和橡胶板下弹性垫板的静刚度分别增加了78%和90%。因此，对于弹性分开式扣件，板下弹性垫板静刚度的测试和评价应考虑锚固螺栓不同紧固扭矩的影响。

4 结论

本文研究了锚固螺栓不同紧固扭矩对弹性分开式扣件系统板下弹性垫板静刚度的影响，并分别对TPEE和橡胶类板下弹性垫板进行静刚度测试和评价，结论如下:

1)弹性分开式扣件系统锚固螺栓紧固扭矩对板下弹性垫板初始预压力影响较大。锚固螺栓紧固扭矩为150，200，250 N·m时，板下弹性垫板的初始预压力分别为69.94，93.24，116.54 kN。 紧固扭矩为 250 N·m 时所产生的板下弹性垫板初始预压力约为紧固扭矩为150 N·m时的1.67倍。

2)板下弹性垫板静刚度测试结果同荷载取值范围密切相关，且同初始预压力呈现正相关关系。对于TPEE板下弹性垫板材料线性特征较强，当初始荷载在一定范围内(20～70 kN)，静刚度几乎保持稳定，当初始荷载超出70 kN时，静刚度明显增大。而橡胶类板下弹性垫板荷载-位移曲线在整个荷载范围内均呈现出较强的非线性特征，静刚度也随初始荷载的增大而稳步增大。

3)弹性分开式扣件板下弹性垫板的静刚度受锚固螺栓紧固扭矩影响很大。当紧固扭矩为250 N·m时，TPEE和橡胶类板下弹性垫板的静刚度分别约为紧固扭矩为150 N·m时的1.78倍和1.9倍。因此，建议板下弹性垫板静刚度应根据扣件系统正常服役状态下锚固螺栓紧固扭矩引起的初始预压力进行测试和评价。