針對碼頭重型鋼軌的一種新型接頭設(shè)計與研究

顧津瑋，胡珅榕，王佳佳

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220；2.山東港口煙臺港集團(tuán)有限公司建設(shè)管理中心，山東煙臺 264000）

引言

碼頭貨物一般均為大宗貨物，對于岸橋、門機(jī)、裝卸船機(jī)等起重機(jī)的依賴性極大。為了能夠承載并導(dǎo)向起重機(jī)，碼頭往往采用重型鋼軌。通常，碼頭重軌由單根12 m 的標(biāo)準(zhǔn)長度軌道連接而成。軌道連接主要有兩種方式，焊接連接和可伸縮的軌道接頭。焊接方式是通過現(xiàn)場鋁熱焊或電弧焊工藝將兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)軌連成整體無縫鋼軌。由于季節(jié)性溫差導(dǎo)致的熱脹冷縮，鋼軌不能通長無縫鋪設(shè)，必須間隔設(shè)置可伸縮的軌道接頭以消除溫度變形的影響，同時也便于軌道的局部調(diào)整、檢修或更換。

目前常用的軌道接頭如圖1 所示，分為平接頭、斜接頭、L 型接頭、凸字型接頭等4 種型式。平接頭是最早的一種接頭型式，廣泛應(yīng)用于鐵路，軌道縫垂直于軌道軸線，兩側(cè)軌道通過鉆孔安裝螺栓和魚尾板進(jìn)行連接；為保證軌道的伸縮，一側(cè)軌道上為長型鉆孔。斜接頭是在平接頭基礎(chǔ)上演化而來的一種接頭型式，它是將軌道端部切成45°斜面，軌道縫45°斜交軌道軸線，兩側(cè)軌道同樣通過鉆孔安裝螺栓和魚尾板進(jìn)行連接，一側(cè)軌道上為長型鉆孔。L 型接頭是一種較新的接頭型式，它是在軌道端部沿軌道中心線切割一定長度，兩側(cè)L 型端頭相接，保證接頭沿軌道中心線能夠自由伸縮，另外在接頭兩側(cè)配備導(dǎo)向魚尾板，加強(qiáng)導(dǎo)向和強(qiáng)度。凸字型接頭是重型軌道相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中的一種接頭型式，它是在軌道端部一定范圍內(nèi)保留腹板部分，切除翼緣等其它部位；另設(shè)兩塊夾板，其強(qiáng)度高于鋼軌本體，高度與鋼軌相同；兩塊夾板和腹板通過鉆孔安裝螺栓連接在一起，頂部總寬度等于鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度；夾板兩端與軌道之間預(yù)留一定的縫隙，以保證接頭能夠伸縮。各種接頭型式因連接方式和工藝做法不同，其優(yōu)缺點也各不相同，具體詳見表1。

圖1 常用軌道接頭

表1 常用軌道接頭優(yōu)缺點

早期的碼頭軌道主要采用P 系列的鐵路鋼軌，接頭型式主要是平接頭或者斜接頭，基本可以滿足小型起重機(jī)的日常使用需求。隨著港口吞吐量的日益增長，運輸船舶趨于大型化，起重設(shè)備也隨之趨于大型化，承載能力更強(qiáng)的QU 系列重型鋼軌逐步取代了早期的P 系列鐵路鋼軌，軌道焊接連接配合設(shè)置L 型接頭逐漸成為主流，部分碼頭也選用凸字型接頭。

近年來，隨著碼頭使用年限的增加，全國各地的碼頭均出現(xiàn)軌道斷裂的現(xiàn)象，大型的集裝箱泊位和礦石泊位尤為嚴(yán)重，不僅對裝卸作業(yè)的效率造成不利影響，而且裝卸作業(yè)過程中的安全隱患極大。根據(jù)我國北方某碼頭現(xiàn)場鋼軌破壞情況統(tǒng)計，接頭處破壞約占軌道損傷的90 %，對碼頭作業(yè)造成嚴(yán)重的安全隱患。究其原因，一方面在于現(xiàn)場切割加工接頭時產(chǎn)生的加工誤差及加工缺陷，極易造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象；另一方面在于目前常用接頭的結(jié)構(gòu)型式導(dǎo)致接頭處往往是軌道承載能力比較薄弱的區(qū)域，相同荷載情況下更容易破壞。

目前常用的軌道接頭如遇損壞維修，往往需要將接頭兩側(cè)相鄰的鋼軌全部拆除，更換新軌后重新焊接，不僅擾動面大，維修成本較高，而且維修時間較長，影響碼頭正常生產(chǎn)作業(yè)，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

1 新型軌道接頭的提出

為了解決目前軌道接頭的以上痛點，本文提出一種便于拆卸的新型軌道接頭設(shè)計并加以研究。接頭型式詳見圖2，其基本設(shè)計思路如下：

圖2 新型軌道接頭設(shè)計

1）將鋼軌中易損的接頭部位單獨設(shè)置短軌，獨立于長軌，二者采用魚尾板+螺栓的連接型式；

2）短軌處采用L 型構(gòu)造，短軌與長軌之間設(shè)置伸縮縫；

3）短軌與魚尾板采用穿孔塞焊連成整體，以便連接長軌；

4）根據(jù)螺栓數(shù)量不同，魚尾板長度相應(yīng)有所調(diào)整。

2 新型軌道接頭的優(yōu)點

該新型軌道接頭采用了模塊化設(shè)計的理念，在各方面超越了傳統(tǒng)接頭型式，具體有以下優(yōu)點：

1）短軌與魚尾板牢固連接，魚尾板采用加厚設(shè)計，可以保證接頭處的強(qiáng)度；

2）不會對長軌進(jìn)行異形切割，不損傷鋼軌，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中；

3）接頭受損后可以單獨更換接頭部位，不需要拆除附近的長軌；

4）維修作業(yè)集中于接頭部位，不需要采用大型吊裝設(shè)備及現(xiàn)場切割、焊接設(shè)備，擾動面小，對日常生產(chǎn)作業(yè)影響較??；

5）維修更換的作業(yè)時間大幅縮短，成本大幅減低；

6）在保證軌道連續(xù)性的前提下，可根據(jù)季節(jié)性溫差更換不同長度的接頭，適應(yīng)伸縮的能力大幅提高。

3 新型軌道接頭的尺寸細(xì)化設(shè)計

根據(jù)以上新型軌道接頭的設(shè)計思路，以我國北方某碼頭鋼軌維修改造設(shè)計為例，采用大型有限元計算軟件建立數(shù)值分析模型進(jìn)行靜力學(xué)性能分析研究，進(jìn)而對接頭的各部位尺寸進(jìn)行細(xì)化設(shè)計。

常用的有限元分析軟件有ABAQUS、ANSYS、Patran/Nastran、Hypermesh 等，其中，ABAQUS 以其強(qiáng)大的非線性力學(xué)處理和求解分析能力被國際上廣泛應(yīng)用，其針對包含多種不同材料的非線性組合問題，有著令人滿意的軟件計算分析能力。因此，本研究采用非線性有限元分析軟件ABAQUS 對新型軌道接頭的靜力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

軌道原設(shè)計斷面如圖3 所示。重型鋼軌采用QU120 規(guī)格，鋼軌下方鋪設(shè)膠墊板，膠墊板放置在鋼墊板上，鋼墊板下方灌注膠泥。

圖3 某碼頭軌道原設(shè)計斷面

伸縮縫位置往往是軌道接頭的最不利位置，因此，在數(shù)模研究中均針對伸縮縫處進(jìn)行，并施加100t輪壓荷載。新型軌道接頭的細(xì)部尺寸主要分為：短軌長度、魚尾板厚度、螺栓個數(shù)及膠墊板構(gòu)造，本文計算采用各尺寸參數(shù)如表2 所示。

表2 有限元模型參數(shù)分析統(tǒng)計

3.1 短軌長度

分別采用100 mm 短軌、300 mm 短軌進(jìn)行有限元分析。通過對各自的短軌、長軌端部應(yīng)力分布進(jìn)行分析對比可知，當(dāng)采用100 mm 短軌時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在短軌與魚尾板相接的軌頭上側(cè)，為464.2 MPa；當(dāng)采用300 mm 短軌時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在魚尾板與短軌相接的軌腰下側(cè)，為639.0 MPa。采用100 mm 短軌的最大應(yīng)力比采用300 mm 短軌時降低了27.4 %，因此，減小短軌長度有助于減小軌道接頭處的應(yīng)力值。

3.2 魚尾板厚度

分別采用加厚魚尾板（61 mm）、標(biāo)準(zhǔn)魚尾板（27 mm 厚）進(jìn)行有限元分析。通過對各自的短軌、長軌端部應(yīng)力分布進(jìn)行分析對比可知，當(dāng)采用加厚魚尾板（61 mm）時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在魚尾板與短軌相接的軌腰下側(cè)，為629.7 MPa；當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)魚尾板（27 mm 厚）時，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在魚尾板與短軌相接的軌腰下側(cè)，為639.0 MPa。采用加厚魚尾板（61 mm）的最大應(yīng)力比采用標(biāo)準(zhǔn)魚尾板（27 mm 厚）時降低了1.5 %，因此，加厚魚尾板有助于減小軌道接頭處的應(yīng)力值。

3.3 螺栓個數(shù)

分別采用單螺栓、雙螺栓進(jìn)行有限元分析，同時對魚尾板的長度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過對各自的短軌、長軌端部應(yīng)力分布進(jìn)行分析對比可知，當(dāng)采用單螺栓時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在短軌與魚尾板相接的軌頭上側(cè)，為573.8 MPa；當(dāng)采用雙螺栓時，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在短軌與魚尾板相接的軌頭上側(cè)，為547.8 MPa。采用雙螺栓時的最大應(yīng)力比采用單螺栓時降低了4.6 %。

另外，通過有限元計算結(jié)果可得荷載-撓度曲線，如圖4 所示。由圖4 可知，采用單螺栓時的接頭處最大豎向位移為0.9 mm，而采用雙螺栓時的接頭處最大豎向位移為0.66 mm，后者比前者降低了26.7 %。

圖4 單/雙螺栓接頭的荷載-撓度曲線對比

因此，實際工程設(shè)計中，宜優(yōu)先選擇雙螺栓結(jié)構(gòu)的新型軌道接頭。

3.4 膠墊板構(gòu)造優(yōu)化

分別采用普通膠墊板（8 mm 橡膠）、內(nèi)設(shè)單層加強(qiáng)鋼板的膠墊板（從上至下分為3 層，分別為4 mm 橡膠+1 mm 鋼板+4 mm 橡膠）進(jìn)行有限元分析。通過對各自的軌道應(yīng)力分布進(jìn)行分析對比可知，當(dāng)在普通膠墊板中設(shè)置單層加強(qiáng)鋼板后，上部鋼軌中出現(xiàn)的最大應(yīng)力從174.7 MPa 降至149.5 MPa，降幅達(dá)到14.5 %。因此，內(nèi)設(shè)單層加強(qiáng)鋼板的膠墊板有助于減小上部鋼軌的應(yīng)力值。

4 結(jié)語

本文提出一種新型軌道接頭設(shè)計，在目前碼頭重型鋼軌的傳統(tǒng)軌道接頭的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了針對性的改進(jìn)。通過數(shù)值模型分析計算，對新型接頭的主要尺寸進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計，主要結(jié)論為：短軌長度宜短不宜長，結(jié)合工程實際情況，建議取 150～200 mm；魚尾板厚度宜加厚，建議取60 mm；短軌與長軌之間宜采用雙螺栓連接；膠墊板宜選擇內(nèi)設(shè)單層鋼板的加強(qiáng)膠墊板。

在我國北方某碼頭工程現(xiàn)場，已實地實施了此新型軌道接頭的試驗段，目前軌道損壞或斷裂的頻率降低，運行狀況改善明顯。未來在新型軌道接頭的實際工程應(yīng)用中，建議增加健康監(jiān)測及附加荷載測量裝置，進(jìn)行長期監(jiān)測，為碼頭軌道的日常運營維護(hù)及進(jìn)一步的深化研究提供相關(guān)平臺與基礎(chǔ)。同時，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)可與研究結(jié)論進(jìn)行對比分析，從而對新型軌道接頭進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

新型軌道接頭的基礎(chǔ)研究表明其具有可靠性與實用性，但其廣泛應(yīng)用還需要發(fā)展相應(yīng)的工程標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝及工法，應(yīng)在未來研究中進(jìn)一步開展。