豎向荷載和彈條扣壓力對WJ-8扣件縱向阻力影響試驗研究

涂勤明,曾志平,李 平,林志華

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司, 廣州 510010； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075)

無縫線路是鐵路技術(shù)進步的重要標(biāo)志[1-2]，是軌道結(jié)構(gòu)近百年來最突出的改進與創(chuàng)新，也是當(dāng)今世界高速、重載鐵路以及城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的最佳選擇[3]。隨著列車運行速度不斷提高，對軌道平順性和穩(wěn)定性要求越來越苛刻，無縫線路技術(shù)面臨前所未有的挑戰(zhàn)[4-6]。

扣件阻力特性是無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)[7-9]，不少學(xué)者已做了相關(guān)的研究。楊艷麗[10]開展了WJ-7、WJ-8型常阻力及小阻力扣件的縱向阻力現(xiàn)場測試，確定了其扣件縱向阻力的設(shè)計取值；曾真，等[11]通過有載下扣件阻力試驗驗證，完善了橋上無縫線路扣件縱向阻力取值計算理論；郭成滿，楊榮山[12]對WJ-8型小阻力扣件開展不同軌下膠墊滑出量條件下的扣件縱向阻力試驗，測試5種不同軌下膠墊滑出量時扣件縱向阻力-位移關(guān)系，得出5種不同軌下膠墊滑出量時扣件縱向阻力雙線性表達式。然而目前關(guān)于豎向荷載和彈條扣壓力對扣件縱向阻力特性影響的研究則鮮見報道。

以WJ-8型扣件為研究對象，因其彈條扣壓力由螺栓的扭矩決定，且螺栓扭矩相比彈條扣壓力能更方便、更準(zhǔn)確地獲得，故使用扭矩這一指標(biāo)表示彈條扣壓力，開展不同扭矩和豎向荷載下扣件縱向阻力-位移試驗[13-14]，從而得到不同工況下扣件縱向阻力-位移結(jié)果。首先，通過反力架對鋼軌施加豎向荷載，同時以拉力方式牽引鋼軌運動，通過設(shè)置不同扭矩和豎向荷載，開展扣件縱向阻力-位移試驗，利用數(shù)據(jù)采集軟件記錄系統(tǒng)拉力和鋼軌位移數(shù)據(jù)；然后，通過數(shù)據(jù)分析，獲得不同扭矩及豎向荷載對扣件縱向阻力-位移的影響規(guī)律，并推導(dǎo)扣件縱向阻力與扭矩、豎向荷載的關(guān)系表達式。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗原理

列車軸重按170 kN考慮，即單輪重為85 kN，按照1.5倍疲勞作用系數(shù)[15]以及0.4倍荷載分配系數(shù)[16-17]，分配到單組扣件的最大荷載約為51 kN。本試驗采用最大豎向荷載60 kN，可以實現(xiàn)模擬列車作用下的扣件縱向阻力特性。

1.2 試驗方法

試驗工裝如圖1所示，試驗系統(tǒng)的施力組件為對稱布置在鋼軌兩側(cè)的兩套千斤頂及施加豎向力的反力裝置，縱向位移組件為位移傳感器，用電腦控制整套系統(tǒng)，實時記錄力值及位移值。豎向加載千斤頂與試驗鋼軌接觸處，采用軸承過渡，并進行充分潤滑，以減小其對試驗結(jié)果的影響。試驗開始前先后調(diào)整扭矩、并利用千斤頂施加到設(shè)定的豎向荷載，試驗開始時先接通電源，打開電腦，啟動數(shù)據(jù)采集軟件，設(shè)置縱向加載速率、采集頻率、左位移量和右位移量等參數(shù)，然后啟動采集系統(tǒng)。加載時施力組件先一邊工作后另一邊工作，通過進油管和出油管的工作使千斤頂開始加載，進而拉動鋼軌開始縱向移動。鋼軌運動速率取決于軟件預(yù)先設(shè)定的縱向加載速率，當(dāng)達到系統(tǒng)設(shè)置的位移量值時，該邊施力組件停止工作，另一側(cè)施力組件開始工作，同樣通過進油管和出油管的工作使另一側(cè)千斤頂開始加載，進而拉動鋼軌開始向另一側(cè)縱向移動，當(dāng)達到系統(tǒng)設(shè)置的位移量值時，施力組件停止工作，當(dāng)鋼軌運動回到初始位置時設(shè)定為一周期加載運動，如此反復(fù)加載。試驗過程中保持穩(wěn)定豎向荷載在設(shè)定的數(shù)值左右。當(dāng)采集到一定程度數(shù)據(jù)后停止系統(tǒng)，此后改變扭矩及豎向荷載繼續(xù)進行試驗。

圖1 試驗工裝

測試豎向荷載作用下常阻力扣件縱向阻力特性時，設(shè)置有100，130，160，190，220 N·m不同扭矩工況以及0，10，20，30，40，45，50，55，60 kN不同豎向荷載工況；測試豎向荷載作用下小阻力扣件縱向阻力特性時，設(shè)置有70，90，110，130，150 N·m不同扭矩工況以及0，10，20，30，40，45，50，55，60 kN不同豎向荷載工況[18]。

2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)束后，根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)可以得到不同工況下的扣件縱向阻力-位移關(guān)系圖。160 N·m扭矩下常阻力扣件不同豎向荷載的縱向阻力-位移關(guān)系如圖2所示，130 N·m扭矩下小阻力扣件不同豎向荷載縱向阻力-位移關(guān)系如圖3所示。由于試驗工況較多，僅列出此兩種扭矩時不同豎向荷載情況下的扣件縱向阻力-位移關(guān)系圖。

圖2 160 N·m扭矩下常阻力扣件不同豎向荷載的位移-扣件縱向阻力關(guān)系曲線

圖3 130 N·m扭矩下小阻力扣件不同豎向荷載的位移-扣件縱向阻力關(guān)系曲線

由圖2和圖3可以看出，扣件縱向阻力剛開始隨著位移增長而增長，最后趨于平穩(wěn)，達到扣件滑移阻力。在同一扭矩下，隨著豎向荷載增加，扣件縱向阻力逐漸增大，即扣件縱向阻力與豎向荷載有關(guān)，因而有載下扣件縱向阻力不能粗略的取為無載情況下的1.55倍[19]，應(yīng)根據(jù)不同豎向荷載而取對應(yīng)的縱向阻力。根據(jù)曲線斜率變化，可以發(fā)現(xiàn)，在同一扭矩時不同荷載作用下，扣件縱向阻力-位移曲線的初始段斜率基本保持不變，即扣件縱向阻力增長速度與豎向荷載大小的關(guān)系不明顯。

2.1 冪指函數(shù)擬合公式

綜合試驗數(shù)據(jù)，將不同扭矩和豎向荷載下扣件縱向阻力與位移關(guān)系按冪指函數(shù)形式r=a·(1-e-bx^c)[19]擬合，并整理各函數(shù)公式如表1和表2所示。不同扭矩和豎向荷載下扣件縱向阻力-位移關(guān)系曲線擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，擬合度均較高，準(zhǔn)確性較好。

表1 不同扭矩和豎向荷載下常阻力扣件縱向阻力-位移關(guān)系

表2 不同扭矩和豎向荷載下小阻力扣件縱向阻力-位移關(guān)系

對于表1和表2中擬合公式r=a·(1-e-bx^c)，將不同工況下擬合公式中的參數(shù)a，b，c與扭矩T和豎向荷載F進行分析，建立起函數(shù)關(guān)系[20]，整理得到無載情況下參數(shù)a，b，c與扭矩T的函數(shù)關(guān)系(表3)，以及有載情況下不同扭矩時參數(shù)a，b，c與豎向荷載F的函數(shù)關(guān)系(表4)。

表3 無載情況下擬合公式參數(shù)a，b，c與扭矩T的函數(shù)關(guān)系

由表3可知，在無載情況下擬合系數(shù)a，b，c與扭矩T呈線性關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，擬合度均較高，準(zhǔn)確性較好。因此無載情況下，常阻力和小阻力扣件縱向阻力公式分別如式(1)和式(2)所示。

r(x)=(0.098T-0.450 1)×

(1-e-(-0.009 6T+2.327)x∧(-0.021 2T+1.508 3))

(1)

r(x)=(0.101 7T-0.766 9)×

(1-e-(-0.009 7T+1.847)x∧(-0.003 55T+1.676 3))

(2)

由表4可知，在有載情況下不同扭矩時擬合系數(shù)a，b，c與豎向荷載F建立函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，擬合結(jié)果較準(zhǔn)確。因此有載情況下，對于特定扭矩時，通過查詢表4，可以求解出任意豎向荷載下的扣件縱向阻力與位移關(guān)系曲線，可為無縫線路設(shè)計與維修提供參考。

表4 有載情況下不同扭矩時擬合公式參數(shù)a，b，c與豎向荷載F的函數(shù)關(guān)系

2.2 極限滑移阻力-豎向荷載關(guān)系研究

對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到不同豎向荷載作用下對應(yīng)不同扭矩的扣件縱向阻力-位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到不同扭矩下常阻力扣件的滑移阻力-豎向荷載的關(guān)系，如圖4所示，不同扭矩下小阻力扣件的滑移阻力-豎向荷載的關(guān)系如圖5所示。

圖4 常阻力扣件不同扭矩下滑移阻力-豎向荷載關(guān)系曲線

圖5 小阻力扣件不同扭矩下滑移阻力-豎向荷載關(guān)系曲線

從圖4、圖5可知，不同扭矩下扣件的滑移阻力隨著豎向荷載變化而有較大的變化。隨著豎向荷載增加，扣件滑移阻力隨之增大；在同一豎向荷載作用下隨著扭矩的變化，扣件的滑移阻力有較大的變化。

由圖4可知，無載下常阻力扣件在100 N·m扭矩下對應(yīng)滑移阻力為9.24 kN。隨著扭矩增加，扣件相應(yīng)的滑移阻力依次增加，直至增加到220 N·m扭矩對應(yīng)滑移阻力的20.24 kN，滑移阻力變化11 kN，增加119%；隨著豎向荷載增加，常阻力扣件的滑移阻力依次增大，且在同一豎向荷載下扭矩的不斷增加，扣件的滑移阻力也隨之增大。直到60 kN豎向荷載作用下，常阻力扣件在100 N·m扭矩下對應(yīng)滑移阻力為48.34 kN，相比無載下同一扭矩的滑移阻力增加395.3%；隨著扭矩增加，扣件相應(yīng)的滑移阻力同樣依次增加，直至增加到220 N·m扭矩對應(yīng)滑移阻力的54.22 kN，滑移阻力變化5.88 kN，相比無載下變化量減小46.5%。

同樣地，由圖5可知，無載下小阻力扣件在70 N·m扭矩下對應(yīng)滑移阻力為6.58 kN。隨著扭矩增加，扣件相應(yīng)的滑移阻力依次增加，直至增加到150 N·m扭矩對應(yīng)滑移阻力的12.77 kN，滑移阻力變化6.19 kN，增加94.1%；隨著豎向荷載增加，小阻力扣件的滑移阻力也是依次增大，且在同一豎向荷載下扭矩的不斷增加，扣件的滑移阻力也隨之增大。直到60 kN豎向荷載作用下，小阻力扣件在70 N·m扭矩下對應(yīng)滑移阻力為32.11 kN，相比無載下同一扭矩的滑移阻力增大388%，隨著扭矩增加，扣件相應(yīng)的滑移阻力同樣依次增加，直至增加到150 N·m扭矩對應(yīng)滑移阻力的36.02 kN，滑移阻力變化3.91 kN，相比無載下變化量減小36.8%。綜上可知，無論是常阻力扣件還是小阻力扣件，扭矩及豎向荷載兩個因素對于扣件縱向阻力影響均較明顯，整體上隨扭矩及豎向荷載的增加而增大，且不同扭矩下扣件滑移阻力與豎向荷載基本成線性關(guān)系，即隨豎向荷載增加而呈線性遞增。

2.3 扣件縱向阻力滯回效應(yīng)特性

在溫度變化、列車制動等作用下，梁軌之間必然會產(chǎn)生往復(fù)運動，因此在考慮加載歷史時，扣件縱向阻力必然會經(jīng)歷不斷加載、卸載的過程，即滯回效應(yīng)。當(dāng)扣件縱向阻力采用雙線性模型時，其滯回效應(yīng)曲線如圖6所示[21]。實際情況中，扣件縱向阻力應(yīng)為曲線，采用冪指數(shù)型函數(shù)進行擬合滯回曲線更符合真實情況。

圖6 扣件縱向阻力滯回效應(yīng)模型(雙線性)

本次試驗所測的滯回效應(yīng)曲線分為3個環(huán)節(jié)，以無載情況下常阻力扣件160 N·m扭矩下縱向阻力-位移曲線為例，如圖7所示。鋼軌在第一環(huán)節(jié)從初始位移為0的位置開始運動到正位移最大處，扣件縱向阻力也從0增加至滑移阻力rm，即OA段。在第二環(huán)節(jié)中，鋼軌反向運動，從正位移最大處運動到負(fù)位移最大處，扣件縱向阻力先在極短的位移內(nèi)從滑移阻力rm降到0，即AB段，隨后扣件縱向阻力從0反向增加至滑移阻力-rm，即BC段。第三環(huán)節(jié)中，鋼軌從負(fù)位移最大處回到初始位置再運動到正位移最大處，即CDA段。第三環(huán)節(jié)的扣件縱向阻力-位移曲線與第二環(huán)節(jié)所得的扣件縱向阻力曲線互為反對稱。3個環(huán)節(jié)運動形成的曲線連接形成閉合環(huán)。由此可知，扣件縱向阻力-位移曲線存在滯回效應(yīng)。

圖7 無載情況下160 N·m扭矩扣件縱向阻力滯回效應(yīng)曲線

由2.1節(jié)可知，扣件縱向阻力采用冪指數(shù)型函數(shù)r=a·(1-e-bx^c)擬合，假設(shè)ABCD四點坐標(biāo)分別為(u，rm)，(u0，0)，(-u，-rm)，(-u0，0)，根據(jù)ABCD四點坐標(biāo)，可以推導(dǎo)出整個閉合環(huán)的函數(shù)公式如下

(3)

3 結(jié)論

(1)扣件滑移之前，其縱向阻力-位移關(guān)系受豎向荷載的影響不顯著。

(2)根據(jù)不同豎向荷載和扭矩作用下扣件縱向阻力-位移試驗結(jié)果，可分別擬合不同工況下扣件縱向阻力-位移冪指函數(shù)曲線。

(3)扣件滑移阻力隨豎向荷載的增加而線性遞增，且豎向荷載越大，扣件滑移阻力隨扭矩增加而增加的幅度減小。有載下的縱向阻力不能粗略取為無載情況下的某一固定倍數(shù)，應(yīng)根據(jù)不同扭矩和豎向荷載而取對應(yīng)的縱向阻力。

(4)扣件縱向阻力-位移曲線存在滯回效應(yīng)特性，整個閉合環(huán)的函數(shù)表達式采用冪指數(shù)型函數(shù)擬合得到。