新型地铁有螺栓扣件及配套调高结构设计

韩朝霞 王书卫

中国铁路设计集团有限公司，天津 300251

扣件是轨道系统的重要组成部分，其作用是保持钢轨在轨枕等轨下基础上的正确位置及钢轨与轨枕的可靠联结，同时提供一定的弹性。因此，扣件不仅要具备足够的强度和扣压力，还应具备良好的弹性、绝缘性能和一定的调整能力。地铁一般采用整体道床，扣件主要为弹性分开式、无挡肩扣件，可以分为有T形螺栓、无T形螺栓两大类［1］。

无T形螺栓扣件零部件少，结构简单，但由于采用e 型弹条直接扣压而无螺栓紧固，经常出现弹条滑退、折断，弹条塑性变形后扣压力不足等问题。有T 形螺栓扣件虽避免了无螺栓扣件的弊端，但是也存在零部件较多、维护工作量大、T形螺栓易松动等现象。随着城市地铁运营里程不断增加，轨道不均匀沉降发生的频率越来越高，尤其是地质条件不良的地区。对于地铁整体道床，采用扣件进行轨道调整是最方便最直接的方式，而传统的无T 形螺栓扣件及大部分有T 形螺栓扣件都存在着扣件调整量偏小、调高不便的问题。为解决上述问题，本文设计一种新型有螺栓扣件及配套的调高结构。

1 扣件系统选型

1.1 主要技术参数

参考国内城市轨道交通扣件系统的技术指标和应用情况，提出了新型有螺栓扣件的设计参数。

1）扣压力及防爬阻力

地铁常用扣件的单个弹条扣压力一般不小于8 ～11 kN。由于过大的扣压力会导致轨下弹性垫层的初始压缩量增大，损失减振弹性，地铁对弹条扣压力的要求小于高速铁路，但对扣件弹性要求较高。设计时取扣压力F= 9 kN。经计算，防爬阻力R= 24 kN/m，满足地铁无缝线路断缝要求［2］。

2）扣件刚度

根据理论及试验研究结果，综合考虑地铁扣件对整体道床钢轨位移、钢轨倾翻、轮轨相互作用力以及轨道弹性的影响，扣件节点垂直刚度在30 kN/mm左右为宜。GB 50157—2013《地铁设计规范》［3］规定，无砟道床节点垂直静刚度宜为20 ～40 kN/mm。设计时扣件节点垂直静刚度取20 ～40 kN/mm。

3）轨距及水平调整能力

根据城市轨道交通施工及运营经验，设计时取扣件轨距调整量不小于-20、16 mm，普通型扣件水平调整量不小于30 mm。

4）绝缘性能

扣件绝缘电阻不小于108Ω。

1.2 扣件结构设计

新型有螺栓扣件由铁垫板、轨下垫板（橡胶或热塑性弹性体）、绝缘缓冲垫板、锚固螺栓、弹簧垫圈、平垫块、T 形螺栓、螺母、平垫圈、轨距块、弹条、预埋套管、调高垫板等组成，见图1。

图1 新型扣件结构（单位：mm）

设计时首次将高速铁路扣件设计理念引入地铁，扣件弹条与锚固螺栓垂直线路方向直列布置，相比城市轨道交通传统有T 形螺栓扣件的错列式布置，钢轨两侧受力对称，内部应力减小，且减小扣件沿线路方向的宽度，利于特殊地段扣件间距的调整。

1.2.1 铁垫板

目前城市轨道交通扣件铁垫板厚度为15 mm 到20 mm 不等。通过有限元软件建模分析，15 mm 厚铁垫板在施加垂向和横向荷载作用下最大拉应力值为164 MPa，能够满足结构受力要求。为了节省材料用量同时保留足够的安全储备，铁垫板厚度选用15 mm。

铁垫板锚固螺栓孔及锚固螺栓平垫块设置锯齿形结构，增大扣件水平调整量，能够大大增强扣件保持轨距的能力，尤其是对于小半径曲线地段，扣件能够提供足够的轨距保持及调整能力。齿距为3 mm，且左右对称齿距相错1.5 mm，配合铁垫板的长圆形螺栓孔，实现轨距的灵活调整。

1.2.2 轨下垫板及铁垫板下垫板

橡塑垫板采用橡塑混合弹性体材料，静刚度一般不小于1 000 kN/mm。根据计算分析，铁垫板下垫板采用橡塑材质代替橡胶材质能显著降低铁垫板应力约40%。设计时铁垫板下采用5 mm 厚的橡塑垫板，既降低了铁垫板内部应力，又减少了部件耗材，同时还能降低扣件整体高度，提高扣件稳定性。

为满足扣件组装静刚度20 ～40 kN/mm 的要求，轨下垫板采用刚度较小的橡胶或热塑性弹性体材料。经检算，垫板厚度为 12 mm［4-5］。

1.2.3 弹条

国铁Ⅱ型弹条（专线3351）为有螺栓扣件弹条，且经过长期的运营实践，应用效果良好，弹条扣压力不小于10 kN，满足该扣件技术要求。考虑该弹条技术成熟，通用性好，造价较低［6-7］，因此采用Ⅱ型弹条。

2 扣件调高结构设计

2.1 调高量目标值

普通扣件的调高量按照城市轨道扣件常规设计，为30 mm，采用在轨下垫板下方或铁垫板下方加设调高垫板的方式来实现。调高扣件主要用于既有线隧道不均匀沉降地段，扣件的调高量目标值需要考虑限界余量、疏散平台适应性、接触网调整余量、扣件本身的安全性和稳定性、城轨地下线调高的实际需求。综合考虑，将调高扣件的调高量目标值定为70 mm。

2.2 调高结构设计方案

调高扣件通过调高垫板实现30 mm 的调高量，与普通扣件保持一致，更大的调高量需要通过扣件结构设计来实现。主要靠铁垫板来实现30 ～70 mm 的调高量，其他零部件与普通扣件一致。为尽量减少铁垫板的种类，设计调高量20 mm 和40 mm 两种铁垫板即可满足调高需求。扣件调高量与安装方案见表1。

表1 扣件调高量与安装方案 mm

2.2.1 调高型铁垫板结构的设计

铁垫板是调高扣件结构设计方案中的关键。在普通扣件的基础上，设计调高量20 mm 和40 mm 两种铁垫板，同时应满足扣件结构安全稳定、与普通扣件通用互换、便于安装拆卸、高性价比等要求。

调高型铁垫板（图2）通过增加承轨槽位置的厚度来实现调高，固定弹条的铁座随之加厚，保证弹条与钢轨的固定关系保持不变。为了保持锚固螺栓的良好受力状态，调高型铁垫板的锚固边与普通型铁垫板一致。承轨槽加厚部分底部进行分格镂空设计，保证扣件结构强度的同时尽量减少材料用量，降低造价。

图2 调高型铁垫板结构

2.2.2 调高铁座的设计及对轨距的影响

地铁一般设置1∶40的轨底坡，扣件调高后会对轨距产生影响。以最大调高量70 mm 来计算，单边轨距缩小1.75 mm，整体轨距缩小3.50 mm，本扣件轨距块的轨距调整量为-10、8 mm，扣件调高造成的轨距减小能够通过轨距块进行调整。因此，设计时弹条铁座及其与承轨面的相对关系与普通扣件一致。

3 受力分析

建立钢轨-扣件系统的有限元实体模型，其中含1 组扣件。建模时，在保证主体结构计算有效性的基础上做出了合理简化，主要包括：锚固螺栓与尼龙套管由铁垫板上的锚固力替代；弹条与T形螺栓、螺母简化为连接单元并赋予预加力；不影响计算结果的圆弧、倒角等细节适当简化。

根据各部件材料确定模型的材料属性，见表2。

表2 扣件各部件材料属性

对钢轨与轨距块、轨距块与铁垫板、钢轨与轨下垫板等部件之间建立接触，其中钢轨和轨距块以及轨距块与铁垫板之间设置摩擦接触，采用面接触单位，接触算法采用系统控制，对于其余没有相对位移的部件采用绑定约束处理。

作用在单个扣件的垂向力（枕上压力）FV=0.5ψ ω［8］。其中：ψ为速度系数，取1.5；ω为名义轮重，取 0.5P（P为轮重）。运行速度100 km/h 的地铁A 型、B型车轴重分别为16、14 t。计算时取轴重较大的A型车，即P=80 kN，则FV= 0.5 × 1.5 × 80 = 60 kN。

对于大半径曲线，横向水平力FH=0.4FV=0.4×60 = 24 kN；对于小半径曲线，FH=0.6FV=0.6×60 =36 kN。

结合实测数据，考虑地铁正线线路最小半径曲线影响，计算时横向水平力取36 kN，垂向力取60 kN。

3.1 铁垫板结构强度

根据有限元计算结果，在上述荷载作用下，铁垫板上表面受压，下表面受拉，最大拉、压应力分别为104.8、156.5 MPa，满足球墨铸铁（QT450-10）抗拉强度450 MPa、抗压强度700 MPa 的要求［9］。分别检算无调高垫板和加设30 mm 调高垫板两种工况下调高型铁垫板的应力，结果见图3。可知：无调高垫板和加设30 mm 调高垫板的铁垫板最大应力分别为153.4、163.4 MPa，铁垫板结构强度满足要求。

图3 铁垫板应力（单位：MPa）

3.2 扣件系统抗倾覆性能

扣件系统的抗倾覆能力，对于轨道结构尤其是小半径曲线地段具有重要意义。在列车过曲线段时，钢轨在列车横向荷载作用下产生较大的横向偏转。

考虑本扣件系统存在轨下调高的情形，设置轨下调高垫板10 mm 的计算工况。计算分析无调高垫板、板下调高30 mm、轨下调高10 mm+板下调高20 mm 三种有限元模型的轨头横向位移，结果见图4。可知：无调高垫板和板下调高30 mm 工况下，扣件系统钢轨轨头横向位移接近，约0.68 mm；轨下调高10 mm+板下调高20 mm 工况的最大横向位移与前两种情况相差不大，约0.89 mm。扣件系统满足抗倾覆要求［10］。

图4 轨头横向位移（单位：mm）

3.3 螺栓强度分析

进行螺栓强度分析时，选取调高量70 mm 的最不利工况，检算扣件锚固螺栓的受力情况，结果见图5。可知：锚固螺栓最大应力为167.9 MPa，小于螺栓采用的Q235A钢的屈服强度［11］，满足强度要求。

图5 螺栓应力（单位：MPa）

4 试制及试验

根据设计方案，分别对普通型和调高型扣件进行试制，验证其工艺可行性，并在厂内进行试组装，对各尺寸公差配合进行验证。经过试组装验证，各部件密贴性良好。

按照TB/T 3396.4—2015《高速铁路扣件系统试验方法第4 部分：组装疲劳性能试验》［12］的测试要求和方法，对该扣件进行室内组装疲劳试验。测试组装疲劳试验后的扣件状态、轨距扩张、刚度变化。

如图6所示，进行室内组装疲劳试验时，用扣件将两根钢轨固定在一根轨枕上，对组装系统施加循环荷载，从最小荷载9 kN 到最大荷载70 kN，加载频率3 ～5 Hz。经过3×106次荷载循环后，普通型及调高型扣件轨距扩张量均为4 mm，能够满足相关标准要求；扣件静刚度由29.0 kN/mm 变为31.5 kN/mm，能够满足GB 50157—2013的要求，扣件各部件未见伤损。

图6 室内组装疲劳试验

5 结语

本文所述弹性分开式有螺栓扣件及其配套调高结构适用于铺设60 kg/m 钢轨的地铁新建线路及既有线不均匀沉降地段。通过对铁垫板、螺栓等关键零部件以及扣件稳定性进行力学检算，并进行产品试制和室内试验，验证了该扣件具有足够的强度、稳定性和耐久性，满足地铁扣件的应用和调高需求，调高型和普通型扣件零部件通用，养护维修方便，具有较好的推广应用价值。