随着我国轨道交通的大规模建设并投入运营,关于扣件弹条断裂的安全性报道也不断见诸。扣件系统作为铁路轨道结构中至关重要的连接件,弹条失效一方面会对钢轨稳定性带来影响,另一方面由于异常荷载作用所诱发的弹条折断飞溅砸车等问题给行车安全带来极大的隐患。显然,传统的铁路扣件弹条疲劳设计方法只能满足正常寿命期内的疲劳断裂问题(即铁路列车正常疲劳荷载引起的弹条断裂),不能很好地反映因钢轨波磨造成的异常高频断裂问题(即铁路列车异常高频冲击荷载作用下弹条的失稳断裂)。为了探究特殊荷载条件下铁路轨道扣件系统的疲劳失效评判标准,本文首先依据实际现场测试的钢轨波磨统计数据特征,并基于地铁车辆-轨道耦合三维空间动力学模型,分析列车正常疲劳荷载及异常高频冲击荷载作用下轨道扣件系统边界的位移与加速度等荷载模式;然后建立反映弹条材料/几何非线性和各部件间接触非线性的扣件系统三维有限元模型,探究分析服役状态下扣件弹条的静/动态受载模式及其异常断裂的影响因素;最后基于临界平面的多轴疲劳理论寿命预测方法与线性疲劳损伤累计理论,通过分析列车长期荷载作用下扣件弹条疲劳裂纹萌生机理,继而预测异常荷载条件下扣件弹条疲劳裂纹萌生寿命。本研究成果以期对铁路扣件弹条安全维护提供合理科学的理论与试验依据,主要研究结论如下:(1)通过对比分析列车正常疲劳荷载及异常高频冲击荷载作用下轨道扣件系统边界的荷载模式发现,钢轨波磨能显著增加钢轨垂、横向振动加速度及轮轨随机动态荷载,其增加幅度随着列车运营速度的提高而显著增加,且曲线地段的钢轨横向振动加速度较直线段而言变化更明显;钢轨波磨对轮轨准静态荷载与钢轨垂、横向位移影响不大。从频域角度来看,轮轨系统激振频率主频主要受钢轨波磨波长与列车运营速度的影响,根据本文现场运营情况,钢轨波磨诱发的主要通过频率在833 Hz左右。(2)根据现场失效弹条的疲劳脆性破坏特征以及有限元分析发现扣件弹条断口处主要承受最大拉剪应力的复合受载模式,故采用最大主应力准则能更好地评价扣件弹条疲劳裂纹的受载机理。就DT-III型弹条而言,扣件弹条扣压力主要与安装弹程相关,弹条中肢插入深度与弹性垫板刚度对扣压力影响较小;但安装弹程与中肢插入深度过大均会导致弹条后拱小圆弧内侧表面出现应力集中而发生早期的伤损裂纹。(3)影响扣件弹条服役状态下的固有频率的主要因素是安装弹程,其次是弹性垫板刚度,而弹条中肢插入深度对固有频率影响不大;实际运营状态下扣件弹条的固有频率受地铁列车通过时钢轨动态位移的的影响,根据本文现场运营情况,扣件弹条动态固有频率约为738～882 Hz,在钢轨波磨诱发的动态荷载作用下易发生共振现象;钢轨波磨虽然对弹条动态固有频率影响较小,但其诱发的异常振动加速度惯性力效应可能会导致弹条发生异常断裂飞溅问题。(4)扣件弹条疲劳裂纹萌生寿命受扣压力与振动加速度影响较大,尤其是弹条共振条件下振动加速度引起的惯性力效应是诱发弹条初始疲劳裂纹萌生继而发生异常断裂的主要原因之一。