CRTSⅡ型板式无砟轨道张拉锁件静态力学性能研究

李永娟，王贺郑，苗同臣

(郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001)

CRTSⅡ型板式无砟轨道相邻轨道板间的纵向连接件称作张拉锁件，由张拉锁、螺母、钢垫圈及绝缘垫片组成，其构造如图1所示。它不仅能方便地调节轨道板间的张拉力，而且具有良好的绝缘性能，已广泛应用于高速铁路无砟轨道的铺设中。张拉锁件力学性能的好坏，质量是否过关，对无砟轨道质量起着至关重要的作用。

图1 张拉锁件构造示意

随着高速铁路的快速发展，近几年关于各种无砟轨道技术和施工等方面的研究也在国内外特别是我国普遍展开，研究主要集中在各种无砟轨道的技术改进和设计要求及轨道板力学性能方面［1-3］，而专门针对张拉锁件的力学性能方面的研究目前还很少。就目前查阅的文献来看，对无砟轨道张拉锁件的研究只有文献［4］，该文献用试验的方法测试张拉锁件的疲劳性能，同时测试了其绝缘性。本文将数值计算和试验结果进行对比分析，对张拉锁件的静态力学性能进行比较全面的研究。

1 张拉锁数值分析

1.1 张拉锁材料参数

张拉锁材料采用QT500-7球墨铸铁，材料参数如表1所示，其它性能指标遵循标准［5］的规定。

表1 张拉锁材料参数

1.2 有限元数值模型

本文利用ANSYS软件进行数值建模和有限元分析。由于张拉锁结构复杂，形状不规则，在建模过程中进行一些近似处理。选用Solid45单元对实体模型进行自由网格划分，最终的有限元模型节点数为27 880个，单元数为129 246个。材料属性选用各项同性的线弹性材料。

根据张拉锁件工作的实际情况，通过简化，对张拉锁放置绝缘垫片处一端施加位移约束，另一端施加拉力。参考标准［5］的试验要求，对张拉锁施加160 kN的拉力，在数值分析时，拉力换算成张拉锁两端的面荷载74.23 MPa。图2为张拉锁的ANSYS计算模型。

1.3 计算结果分析

第一强度理论又称为最大拉应力理论，表述材料发生断裂由最大拉应力引起，即当最大拉应力达到某一极限值时材料发生断裂。

在简单的拉伸试验中，3个主应力有2个是0，最大主应力就是试件横截面上该点的应力，当这个应力达到材料的强度极限σb时，试件就发生断裂。因此，材料的破坏条件为σ1=σb，考虑安全系数以后的强度条件为σ1≤［σ］，这里的σ1必须为拉应力。

图2 张拉锁的ANSYS计算模型

由于张拉锁件只承受拉力，且会产生脆性断裂，因此运用第一强度理论作为破坏准则。

图3为张拉锁第一主应力的应力云图，图4为等效应力云图。从图3和图4可以看出，应力最大位置发生在张拉座和张拉筋的过渡部位，这个部位就是可能发生断裂破坏的危险点，这个节点所在的截面就是危险截面。另外，在张拉座和张拉筋的过渡部位以及张拉槽顶部存在明显的应力集中，因此，张拉锁的破坏很有可能是由应力集中引起的。

图3 第一主应力的应力云图(单位:MPa)

图4 等效应力云图(单位:MPa)

2 张拉锁力学性能试验

根据客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道张拉锁件暂行技术条件的条款［5］，张拉锁应具有可靠的承载能力，最小承载能力不得低于160 kN。

图5为张拉锁件拉力试验示意图。具体试验步骤为:在外形尺寸、外观质量检验合格的产品中抽取试验用零件，按图6组装张拉锁件，拉力机上、下端夹头将试件两端精轧螺纹钢筋夹紧，然后以不大于2 kN/s速率加载。图6为正在拉伸试验中的张拉锁。

图5 拉力试验示意(单位:mm)

图6 张拉锁拉伸试验

根据标准［5］的要求，张拉锁件进行拉力试验时，在拉力为160 kN条件下，张拉锁、螺母、钢垫圈及绝缘垫片不得有裂纹或其他失效，否则为不合格。试验操作时加载至断裂破坏，记下破坏荷载，观察断口位置和断口特征。

图7(a)为大部分张拉锁拉断时出现的破坏情况，这与数值分析的结果相吻合。出现如图7(b)中的破坏主要是由于通过精轧螺纹钢筋作用于张拉锁面上的力不均匀造成的，而在数值分析时是在张拉锁施加均匀的面力。

经过多厂家多批次的张拉锁拉力破坏试验，合格率均在98%以上，大部分破坏荷载在180～190 kN，个别达到200 kN。这个破坏值明显小于材料的抗拉强度，从而验证了张拉锁的破坏主要是由应力集中引起的。

图7 张拉锁的两种破坏情况

试验过程中有时候会出现钢垫圈断裂或变形，伴随这种情况，还会出现螺纹钢筋变弯的现象。这是由于钢垫圈的硬度太大或太小，这种情况将影响张拉锁的受力方式，不满足标准［5］的加载要求，必须停止试验，更换符合标准［5］要求的合格钢垫圈，然后重新试验。

3 结论

1)本文经过适当的简化处理，对张拉锁这样一个复杂的构件成功建模，并进行数值分析，为后续更加深入的研究提供参考。

2)在试验过程中应注意张拉锁件的安装，以免钢筋比张拉锁先破坏，影响试验的继续加载。

3)通过静态分析发现，张拉锁的应力集中处就在张拉筋和张拉座之间的衔接部分，此处最有可能产生断裂。

4)通过分析得出张拉锁破坏主要是由应力集中引起的，减小应力集中能有效地增强张拉锁的抗拉强度，建议在容易断裂的过渡部分进行改造，让其更加圆滑，避免出现应力集中现象，还可以对此处张拉筋进行局部加厚。

5)为缓解应力集中使受力状况更均匀，可以考虑加厚绝缘垫片或者增加张拉槽内钢垫圈的柔韧性。

［1］朱高明.国内外无砟轨道的研究与应用综述［J］.铁道工程学报，2008(7):28-30.

［2］胡根友.CRTSⅡ型板式无砟轨道施工质量通病和应对措施探讨［J］.铁道建筑，2013(2):97-99.

［3］王可用.高速铁路CRTSⅡ型板无砟轨道底座板施工质量控制技术［J］.铁道建筑，2013(4):128-130.

［4］高怡斐，刘涛，张善业，等.客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道张拉锁件疲劳和绝缘性能测试［J］.冶金分析，2010，30(增刊):1339-1341.

［5］中华人民共和国铁道部.科技基［2009］135号 客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道张拉锁件暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2009.