铁道建筑 ２０１５年第３期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３７ 文章编号：１００３—１９９５（２０１５）０３—００３７—０２ 高速铁路桥梁用弹性垫层结构刚度探讨 邓 娇，张文威，周 炜，齐西雷 （株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲４１２００７） 摘要：运用Ａｂａｑｕｓ软件对桥梁轨道板用弹性垫层进行仿真分析，在总体厚度及外形尺寸受到的条 件下，通过调整多层隔板橡胶结构中胶层的分布来调整系统的刚度，发现胶层厚度的分布越均匀，产品 的刚度越大。该方法在工程应用中具有实际意义。 关键词：桥梁轨道板 弹性垫层 形状系数 刚度 中图分类号：Ｕ２３８；Ｕ４４３．５文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１５．０３．１１ 随着我国高速列车速度的不断提高，减振产品已 外形尺寸及骨架件尺寸有严格的规定，如表１所示。 经应用到各个领域 。用于减振、降噪的橡胶制品，其 表１弹性垫层厚度尺寸 刚度是主要性能参数 。对于产品的刚度性能，一般通 名 称 尺寸／＇ｍｍ 过试验或计算的手段得到产品的静态刚度曲线 。 本文所涉及的弹性垫层属于铜陵长江大桥高速铁 总厚度 路项目，该项目使用常阻力扣件。钢轨伸缩或梁体伸 聚四氟乙烯板 缩时，钢轨与轨道板之间不提供相对位移，所有纵向位 钢板 移由轨道板与梁体之间相对滑动实现。 弹性垫层安装在梁体与线路轨道板之间，在提供 弹性垫层结构与桥梁板式橡胶支座结构相类似， 三项刚度的同时，其下平面减阻层能够实现轨道板在 因此根据ＪＴ／Ｔ ４—２００４《公路桥梁板式橡胶支座》标 梁体上的纵向移动，减少钢轨及桥体应力，保护线路和 准引入形状系数 参数。形状系数ｓ定义为：Ｓ＝有 桥梁安全。 效承载面积／单层橡胶层的侧面积 ，即 本文主要探讨通过调整多层隔板橡胶结构中胶层 Ｓ＝Ａ／（Ｃｔ） （１） 的分布来调整系统的刚度，寻找胶层分布方式与刚度 Ｅ＝５．４ＧＳ （２） 变化间的关系，迅速实现同类型产品不同的设计意图。 式中：ｓ为支座形状系数；Ａ为有效承压面积；Ｃ为单层 １产品结构特点 橡胶层的受力面周长；ｔ为单层橡胶层的厚度；Ｅ为实 际抗压弹性模量；Ｇ为剪切模量。 弹性垫层由聚四氟乙烯板、钢板、橡胶三部分组 根据上述对形状系数ｓ的定义及弹性垫层的特殊 成，如图１所示。 结构，假设聚四氟乙烯板刚度足够大，设弹性垫层由３ 层钢板和３层橡胶叠成，因此将橡胶近似地看成由两 ＼ １ ／ 弹簧串联而成，弹性垫层刚度为 １／ｋ＝１／ｋｌ＋１／ｋ２十１／ｋ３ （３） ｋ ＝尺／△ （４） 胶层２ 胶层３ ｊ 钢板 Ａ ＝Ｒｔｉ／（ＡＥ） （５） 图１ 弹性垫层模型 将（１）、式（２）、式（４）、式（５）分别代入式（３）可得 钢板与聚四氟乙烯板通过橡胶硫化在一起，为满 ＝５．４ＧＣ／［（１／Ｓ ） ＋（１／Ｓ２） ＋（１／Ｓ３） ］ （６） 足安装接口及强度要求，系统集成设计方对弹性垫层 式中：尺为垂向方向的压力；△为单层胶层的压缩量。 根据公式（６）可知，主要影响刚度的因素为５，ｃ。 收稿日期：２０１４—０４－２５；修回日期：２０１４—１２－１５ 但是当外形尺寸固定，胶层厚度将是主要影响刚度的 作者简介：邓娇（１９７７一），女，湖南宁乡人，高级工程师。 因素。文献［３］主要介绍了形状系数与弹性模量的关 ３８ 铁道建筑 系，本文则研究不改变产品外形及骨架件尺寸，通过调 整形状系数来寻找垂向刚度变化趋势。 弹性垫层结构对称，并且受力均匀，因此采用四分 之一的对称结构进行数值仿真分析以提高计算速度。 模型网格采用结构和非结构化网格结合的划分方法， 对整个计算区域采用分块划分网格的原则，模型单元 ３ 试验验证 为了进一步验证仿真的结果，根据３种不同工况， 采用天然橡胶为材料，生产３种产品进行试验。 垂向静刚度试验设备为ＩＮＳＴＲＯＮ８８０２试验机，产 品置于两块钢板之间且钢板的厚度≥４０ ｍｍ。上钢板 数约６．１万，如图２所示。 图２计算模型网格 ２计算结果与分析 刚度计算载荷取弹性垫层实际应用载荷８０～２００ ｋＮ，计算工况下胶层具体参数如表２所示。 表２弹性垫层计算工况 ｍｍ ３种计算工况下刚度曲线如图３所示。横坐标为 力，纵坐标为位移。｜ｊ｝ ，后 ， ，分别表示工况１，２，３的 刚度曲线。由刚度曲线可知，胶层厚度分布越均匀，刚 度越最大。主要是因为当胶层分布越均匀时，橡胶所 发生变形的面积相对较少，因此胶层分布不均匀就是 增加橡胶的变形面积。 图３ ３种工况刚度曲线 安装６０钢轨，加载０～２００ ｋＮ的力，记录８０ ｋＮ和２００ ｋＮ垂向位移，并计算静刚度。该试验数据与分析结果 对比如表３所示。试验结果与分析结果相差约８％， 说明分析相对较为准确。当弹性垫层外形尺寸不变 时，调整胶层厚度，可以调节产品刚度。 表３弹性垫层测试刚度 ４ 结论 本文通过对弹性垫层的仿真分析与试验相对比得 到如下结论： １）调节形状系数可以调整产品的应变和承载力。 ２）胶层厚度分布越均匀，产品的刚度越大。 ３）本文运用Ａｂａｑｕｓ软件对弹性垫层作仿真分析， 在模型与材料参数准确的基础上，可以得到较高的计 算精度，可在同类结构产品设计中推广。 ４）弹性垫层的结构与桥梁板式橡胶支座相类似， 但应用实际工况不同。完全应用桥梁支座的规定是否 合适，通过本文的分析可为弹性垫层的技术规定提供 理论依据。 参 考 文 献 ［１］黄友剑，赵熙雍，李金卫．橡胶产品在城市轨道交通中的应 用［Ｊ］．橡胶科技市场，２００４（２０）：１１—１３． ［２］张亚新．压缩型橡胶元件的研制报告［Ｒ］．株洲：株洲时代 集团，２００７． ［３］刘建勋，黄友剑，张亚新．高铁大变形橡胶止挡非线性刚度 特性曲线计算精度分析［Ｊ］．计算机辅助工程，２０１１，２０ （１）：１３２—１３５． ［４］中华人民共和国交通部．ＪＴ／Ｔ ４—２００４ 公路桥梁板式橡 胶支座［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４． ［５］黄跃平，胥明．板式橡胶支座胶层厚度不均匀对力学性能的 影响［Ｊ］．世界橡胶工业，２００６，３３（２）：３７—４２． ［６］蔡文锋，王平，赵伟．关于橡胶垫板刚度计算方法的研究 ［Ｊ］．铁道建筑，２００８（４）：８３—８５． （责任审编赵其文）
