扣件系统为轨道结构提供一定的弹性并保持轨道几何形位,对保证轨道的稳定性、安全性至关重要。近年来,隧道地铁线路运量的不断提升以及行车间隔的不断缩小等原因,扣件系统疲劳伤损问题日益严重,威胁行车安全,制约运输效率。本文基于静动态受力和频谱特性对扣件系统疲劳伤损机理进行系统研究,揭示弹条的断裂原因,并预测弹条的疲劳寿命,最后提出优化设计方案。主要工作和结论如下：1.按照实物设计尺寸建立地铁扣件系统精细化有限元模型,采用非线性接触理论和非线性笛卡尔(Nonlinear Cartesian)弹簧方法处理接触关系和边界条件,选用第四强度理论(Mises准则)作为弹条强度的控制评价指标。2.系统研究了弹条在各种安装状态下的静态受力分布特征,从应力应变角度揭示弹条断裂原因。当后拱与铁垫板支座之间距离过小时,后拱内侧产生较大的集中应力引起疲劳损坏,即弹条弹程和中肢插入深度不当是引起弹条断裂的重要原因。3.建立弹条—铁垫板有限元动力分析模型,对弹条自然和服役状态下的振动特性进行时频分析,探讨其断裂机理,并进行了弹条力学指标和波磨测试试验,揭示弹条固有频率、振型和波磨通过频率之间的内在联系。频域分析表明,在外界一定频率激扰作用下,会引发弹条共振,增大其振动幅度,进而使后拱拉压应力、扭矩增大(结合模态振型),弹条疲劳受损折断。通过对试验测试进行频谱分析可知,测试段的波磨通过频率与弹条自然和服役状态的前两阶共振频率(808Hz～812Hz、869Hz/410Hz～420Hz、530Hz)一致,研究认为,地铁线路中钢轨波磨病害是引起弹条共振疲劳伤损的主要激扰源。4.通过编辑ABAQUS/FE-SAFE模块,研究了弹条在列车循环荷载作用下的疲劳性能,对弹条疲劳寿命进行了预测。研究表明,在后拱与铁垫板距离d=1.5mm以及d=3mm、h=14mm各工况下,弹条疲劳寿命均低于500万次,尤其是d=1.5mm、h=14mm时,扣件系统理论正常工作时间仅为8个月。因此,中肢插入深度和弹程的错误匹配和不合理安装是造成弹条断裂的重要原因。5.根据研究结论,对弹条进行了科学的优化设计。安装时弹程应控制在10mm～12mm之间,后拱与铁垫板支座距离应控制在3mm～9mm之间；根据波磨波长的大小,改变铁垫板和扣件系统零部件质量或橡胶垫板刚度kt值,或改变行车速度,避免弹条共振现象。6.建立车辆—轨道—隧道空间耦合动力分析模型,从宏观上探讨了扣件伤损对轨道结构和行车安全的动力影响机理。研究表明,扣件系统的失效会增大轨道结构的动力响应,尤其引起相邻两侧各4组范围的扣件支反力发生突变,威胁行车安全性和稳定性。