輪重・横圧載荷によるレール継目部の発生応力

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(1)IV-248. 輪重・横圧載荷によるレール継目部の発生応力 ○ 鉄道総合技術研究所鉄道総合技術研究所鉄道総合技術研究所鉄道総合技術研究所. 正会員正会員正会員. 及川祐也阿部則次若月修片岡宏夫. １．はじめに定尺レールの疲労寿命を推定するためには、レール継目部の応力状態を明らかにする必要がある。レール継目部は軌道構造の弱点箇所であり、ボルト穴周辺に大きな応力が発生するために、ボルト穴を起点としたレールの損傷が起きやすい状態となっている。そこで、レール継目部に輪重および横圧を負荷した静的載荷試験を実施し、レール腹部のボルト穴周辺に発生する応力を調べた。また、有限要素法による解析結果と試験値を比較し、解析モデルの妥当性について検討した。２．静的載荷試験（１）試験概要１）載荷試験軌きょうは、図１に示すように、まくらぎ９本分の片側レールとした。各まくらぎをバラストマットを介して固定台に設置し、まくらぎ端部上面に同マットを載せアンカーボルトで図１試験軌きょう鉛直方向を拘束した。また、レール長さ方向と直角な水平方向表１試験軌きょうの諸元にも同マットを介して固定した。試験軌きょうの諸元を表１に項目諸元示す。試験は所定の緊締力が得られるように継目ボルトを緊締レール 50kgNレールし、油圧装置を用いて予備加振を行った後、レール端部から一般部 9形（50N用）締結装置 40mm の位置に輪重と横圧を載荷し、載荷側レールのボルト継目部継目用締結装置穴周辺の応力を測定した。輪重(P)は 75kN で一定とし、横圧(Q) 一般部 PCまくらぎ6号まくらぎは Q/P=0.0～0.8 となるように油圧装置の荷重載荷方向を設定継目部大判木まくらぎ軌道パッドばね定数 110MN/m した。応力測定位置は図２に示すようにボルト穴端から水平方まくらぎ支持ばね定数 57MN/m 向および 45°方向に 5mm 離れた位置とし、3 軸のひずみゲー継目ボルト緊締トルク 500N・m ジを貼り測定した。締結間隔 600mm （２）試験結果継目ボルト緊締時の各測定位置における最大主応力の軌間内側と外側の平均を図３に示す。緊締時の最大主応力は水平方向、45°方向ともに第２ボルト穴よりも第１ボルト穴周辺の方が大きく、各ボルト穴周辺においては 45°方向よりも水平方向位置の方が大きな値となっており、最大値は第１ボルト穴水平方向の測点 E で約 255N/mm2 であった。 300. 40mm. ：応力測定位置. 250 応力(N/mm ). 輪重. C. 45°. D. B 63.0mm. 2. 横圧 E G. 77.0mm. L N. F. 130.0mm. 第１ボルト穴. 図２. I M. 200 150 100 50 0. F*:軌間内側 B*:軌間外側. B E I L. C F M. D G N. 測定位置. 第２ボルト穴. 図３. ボルト穴周辺の応力測定位置. 緊締時のボルト穴周辺の最大主応力（軌間内側と外側の平均）. キーワード：レール継目部、ボルト穴周辺応力、静的載荷試験、有限要素法連絡先：〒185-8540 東京都国分寺市光町 2-8-38 TEL 042-573-7275 FAX 042-573-7432. -496-. 土木学会第56回年次学術講演会（平成13年10月）.

(2) 2. 応力変動(N/mm ). IV-248. Q/P：. P=75kN. 0.0. 0.4. 0.8. ＢＮ. ＦＮ. ＢＧ. 45°方向－１測定位置. ＦＧ. ＢＤ. ＦＤ. ＢＭ. ＦＭ. ＢＦ. 図４. ＦＦ. 水平方向位置. ＢＣ. ＦＣ. ＢＬ. ＦＬ. ＢI. ＦI. ＢＥ. ＦＥ. ＢＢ. ＦＢ. 60 40 20 0 -20 -40 -60. 45°方向－２. ボルト穴周辺の最大主応力変動の比較. 図４に輪重・横圧載荷時の緊締時からの最大主応力表２解析軌きょうの諸元の変動を示す。水平方向位置では、載荷点に最も近い項目単位諸元測点 B が軌間内外とも最大 20N/mm2 程度の応力変動弾性係数 N/mm2 2.06×105 レール、継目板ポアソン比 0.30 となっているが、その他の測点においては、10N/mm2 2 4 弾性係数 N/mm 4.0×10 以下の応力変動であった。45°方向の応力変動は、まくらぎポアソン比 0.25 ボルト穴の上方の測点 C、D では軌間内側で負（圧縮）、鉛直ばね定数 MN/m 57 軌間外側で正（引張）となっており、ボルト穴の下方 9.2 まくらぎ支持ばね＊水平ばね定数 MN/m では測点 M を除くと、軌間内側で正、軌間外側で負長手ばね定数 MN/m 3.6 となっている。ほぼすべての測定位置において 0.1（上向）鉛直ばね定数 MN/m 110（下向） Q/P=0.8 の時の応力変動が最も大きくなり、載荷点に軌道パッド水平ばね定数 MN/m 11 2 近い測点 C の軌間内側で-47N/mm であった。 MN/m. 鉛直ばね定数. MN/m. 水平ばね定数レール／継目板間摩擦係数. MN/m -. 締結装置. 11 6.5（上向） 0.6（下向） 65 0.22. ＊. まくらぎ半本あたり. FC（試験値） P=75kN BC（試験値） FG（試験値） BG（試験値）. FC（解析値） BC（解析値） FG（解析値） BG（解析値）. 60 2. 応力変動 (N/mm ). ３．応力解析（１）解析モデル１）解析モデルは輪重・横圧載荷試験と同様にまくらぎ９本分の片側レールとし、荷重についても載荷試験と同条件で与えた。解析軌きょうの諸元を表２に示す。まくらぎ支持ばねの鉛直および水平ばね定数は、まくらぎ単体の載荷試験によって、レール／継目板間摩擦係数は、レール継目部の引張試験によって求めた。また、軌道パッドと締結装置の鉛直ばねは非線形ばねとした。（２）解析結果載荷試験において最大主応力変動の大きかった第１ボルト穴 45°方向で載荷点に近い測点 C、G の試験値と解析値の比較を図５に示す。それぞれの測定位置において、Q/P の変化に対する応力変動の傾向はほぼ一致しているものの、試験値と解析値には誤差が見られ、特に圧縮側に変化する測点 G の軌間外側に関しては、全体的に大きな誤差がある。. 長手ばね定数. 40 20 0 -20 -40 -60 0.0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1.0. Q/P. 図５. 最大主応力変動の試験値と解析値の比較. ４．まとめ本研究では、レール継目部の輪重・横圧載荷試験を行い、ボルト穴周辺に作用する応力の傾向を把握した。また、有限要素法による応力解析の結果と試験値を比較すると、測定位置によっては大きな誤差があったが、応力変動の傾向については概ね一致していると考えられる。今後は解析モデルの精度を向上させ、列車条件、軌道条件に応じた列車通過時のレール継目部の応力変動を明らかにし、定尺レールの疲労寿命推定精度の向上を図る予定である。参考文献. １）片岡宏夫他：レール継目部の発生応力と疲労寿命推定，鉄道総研報告，Vol.15，No4，2001.4. -497-. 土木学会第56回年次学術講演会（平成13年10月）.

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