橋上縱連板式無砟軌道系統關鍵技術試驗研究

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橋上縱連板式無砟軌道系統關鍵技術試驗研究

郭建光

(滬昆鐵路客運專線江西有限責任公司，江西 南昌 410075)

橋上縱連板式無砟軌道(CRTSⅡ型板式無砟軌道)系統由鋼軌、扣件、縱向連續的軌道板和底座板、滑動層、梁體、高強度擠塑板、側向擋塊等部件組成。該型軌道除在橋梁固定支座處采用剪力齒槽與梁體固結外，底座板下部均采用摩阻系數極小的滑動層與梁體隔離，軌道與橋梁形成一種復雜的疊合梁體系，多種荷載作用下，軌道各層結構之間、軌道與橋梁間均存在著非線性相互作用，其工作狀態極為復雜。由于理論研究不充分、設計與運營經驗不足，隨著服役期的延長，橋上縱連板式無砟軌道已出現不同程度的劣化現象(尤以砂漿層離縫現象最為突出)，已成為影響橋上縱連板式無砟軌道工作性能和服役品質的關鍵問題。砂漿層離縫現象的誘因可總結為無砟軌道非線性溫度變形、砂漿層界面黏結力不足、列車動力作用下的疲勞損傷等[1]。針對橋上縱連板式無砟軌道的薄弱環節，課題組在中國鐵路總公司的支持下，聯合中南大學等單位，結合滬昆客專綜合試驗段，開展了以下試驗研究：1)無砟軌道結構非線性溫度場測試；2)砂漿層界面約束性能測試；3)列車作用下無砟軌道動力響應測試。

1無砟軌道非線性溫度場測試

在太陽輻射的作用下，軌道板、底座板和橋梁結構間相互遮擋，軌道板、底座板在豎向和橫向上存在著非線性溫度梯度，當環境氣溫交替變化時，軌道板豎向反復產生翹曲變形，是導致軌道板與砂漿充填層間離縫、軌道板上拱的主要原因[2]。因此，有必要研究適用于橋上縱連板式無砟軌道的非線性溫度荷載模式。既有研究的不足主要表現在以下幾方面[3-6]：無砟軌道設計時關于溫度荷載往往按軌道板和底座板整體升降溫計，或按現行橋梁規范中的橋梁豎向溫差考慮；相關現場試驗多存在測試時間過短、布點過于簡單等問題。

1.1試驗方案

以滬昆客運專線曲線段多跨長聯32 m簡支梁為例，開展橋上縱連板式無砟軌道溫度場測試。在底座板鋼筋和軌道板接縫處安裝溫度傳感器。考慮到靠近結構表面溫度變化較快，故在靠近表面處對傳感器進行加密布置(混凝土最小保護層厚度取為5 mm)。考慮到底座板存在超高，故在結構橫向設置多個截面，累計安裝傳感器達27個，布置方式見圖1。

圖1　溫度傳感器布置方案Fig.1 Arrangement thermometers in unballasted track

溫度傳感器線纜依次經過橋面泄水孔、腹板通風口接入箱梁內部的數據采集儀，采用太陽能蓄電池供電，通過GPS傳輸模塊遠程發送測試數據。數據采樣間隔為0.5 h，目前已連續觀測近18個月。

1.2測試結果

軌道板中部、底座板中部、軌道結構上下表面溫差匯見圖2。

(a)軌道板溫差分布規律;(b)底座板溫差分布規律;(c)軌道結構整體溫差分布規律圖2　軌道結構豎向溫差實測數據Fig.2 Measured data on vertical temperature difference of track structure

從圖2可以看出，在與外界環境的熱交換過程中，軌道結構溫度呈現正負交替變化。觀測期內，軌道板豎向溫差為-3.2~5.8 ℃；由于底座板受到軌道板的遮擋，其溫度變化相對較緩，其豎向溫差為-2.0~3.5 ℃；軌道結構整體豎向溫差為-10.0~18.8 ℃。文獻[6]基于神經網絡算法，認為溫差高、風速大的極端條件下，軌道板豎向溫差可達12 ℃。

基于實測數據，晴朗少云天氣下豎向平均正溫差分布曲線擬合如下[5]：

T=15.85×e-7.81y

(1)

式中，y為距離頂面距離，m。平均負溫差曲線為：

T=-8.06×e-4.3y

(2)

擬合結果中相關系數的平方均超過0.9。

2砂漿層界面約束性能測試

作為軌道板和底座板的連接層，砂漿層界面約束性能是保證橋上縱連板式無砟軌道系統正常服役的關鍵[7]。砂漿層一旦發生傷損，將影響軌道結構的平順性、耐久性和穩定性。隨著砂漿層約束能力的不斷喪失，在極端條件下，還可能引起軌道板失穩，嚴重威脅高速列車的行車安全[8-9]。為獲取現場砂漿層界面約束能力，課題組開展大型現場足尺模型試驗。

2.1試驗方案

為確保砂漿層灌注質量的一致性，設計和制作了大型足尺試驗平臺，可同時進行4塊板的縱向推板試驗、3塊橫向推板試驗和3塊豎向提板試驗，見圖3。

圖3　大型試驗平臺Fig.3 Large test platform

采用與施工現場相同的原材料、配方、攪拌工藝、灌注工藝進行砂漿的攪拌、灌注，待養護時間達到28 d后開始進行推板試驗，測試軌道板與底座板間充填層縱向受力與位移對應關系，并記錄砂漿破壞形式及破壞面位置。

其中，縱推試驗方案布置方案見圖4，為保證縱推、橫推時加載端能均勻受力，縱推時在千斤頂后端放置鋼梁，鋼梁與軌道板完全貼合。采用多個千斤頂同時加載，通過同步頂升系統保證每個千斤頂同步加載。

圖4　縱向推板試驗方案示意圖Fig.4 Diagram of vertical push plate test program

千斤頂前端安裝壓力計，軌道板頂面、側面分別布置應變計。在縱推過程中，采用CCD Camera微觀位移測量系統實時記錄軌道板應變及軌道板-底座相對位移。

2.2測試結果

以3號板為例，軌道板前端界面相對位移如圖5所示。

(a)荷載-軌道板縱向位移；(b)荷載-軌道板豎向位移圖5　荷載-界面位移曲線Fig.5 Load-interface displacement curve

從圖5可得，隨著荷載的逐漸加大，其縱向位移的發展快于豎向位移。在加載的很長一段時間內，均以縱向位移為主，直至快達到粘結承載力，豎向位移才迅速發展。各階段測試結果見表1。

表1各測點臨界位移與臨界荷載

Table 1 Critical displacement and critical load of measuring points

彈性階段破壞階段荷載/t縱向位移/mm荷載/t縱向位移/mm16.33測點1測點2測點3測點4測點5測點6平均值—0.00700.0010.0050.0090.00421.42測點1測點2測點3測點4測點5測點6平均值—0.0880.0650.0670.070.0790.074平均剛度:36371.364kN/mm平均剛度2844.390kN/mm

試驗過程中，荷載均勻施加至軌道板軸向截面上，最終均以軌道板在砂漿層表面滑移開或撕開的形式破壞，CCD微觀位移測試結果表明，整個過程中，砂漿層上緣切向位移很小基本可以忽略，試驗中測得的軌道板與底座板的相對位移即可認為是軌道板與砂漿層的相對位移。證明軌道板單獨受到縱(橫)向和豎向荷載時，砂漿層與軌道板界面的粘結力不足以將軌道板上的荷載傳遞至砂漿層及其以下的結構。通過高倍顯微鏡觀測發現，砂漿層上表面存在大量細小的氣孔，之間導致了砂漿層界面粘結力的大幅度減弱。

3列車作用下無砟軌道動力測試

為研究車型不同時速列車激勵下橋上縱連板式無砟軌道各構件之間的動力響應及相互作用規律[10]，以及結構振動豎向傳遞與衰減規律，課題組開展了橋上縱連板式無砟軌道動力響應測試。

3.1測試方案

選擇滬昆客專杭長段地質條件相對單一、墩柱剛度差異不大的多跨簡支梁橋進行動力測試：分別在軌道板、底座板、橋面板、支座、墩頂、承臺頂布置加速度傳感器與位移傳感器，在鋼軌、箱梁腹板、底板處布置動應變片，采用無線網絡遠程同步傳輸測試數據，通過自動檢測裝置，實時記錄不同速度列車通過后的橫向和豎向加速度、振幅等參數，試驗裝置示意圖見圖6。

數據采集歷時逾百天，采集到91 d試驗數據，共測得975趟列車通過時的振動情況，其中加速度數據14 823組、位移數據13 616組。

圖6　梁端截面測試元件布置圖Fig.6 Test element layout of beam end section

3.2測試結果

CRH380A-001列車以5 km/h速度經過測點時，梁體跨中位移如圖7所示。

圖7　梁體跨中豎向動位移Fig.7 Vertical dynamic displacement of beam midspan

各類型列車作用下，車致振動從鋼軌→軌道板→底座板→橋面→墩臺→地面，結構各層豎、橫向加速度從上至下呈現明顯的逐漸減小趨勢，振動衰減較為明顯。鋼軌傳遞振動給軌道板和底座板的傳遞率偏小，橋面及以下各層振動傳遞率較大。其中，對于梁體跨中的豎向振動，鋼軌→軌道板的振動層間傳遞率小于3%，軌道板→底座板的傳遞率均小于16%，底座板→橋面的傳遞率小于67%，橋面→墩臺的傳遞率為13%~41%，墩臺→地面的傳遞率為13%~30%。

軌道板-底座板間相對位移遠大于底座板-橋面板間相對位移，豎向相對位移均大于橫向相對位移。測試車型各工況下，軌道板-底座板豎向相對位移最大值為0.244 2 mm，橫向相對位移最大值0.036 3 mm；底座板-橋面板豎向相對位移最大值為0.027 8 mm，橫向相對位移最大值0.016 9 mm。

4結論

1)橋上縱連板式無砟軌道豎向存在非線性溫度梯度，距離混凝土表面越近溫度變化越劇烈。觀測期間，軌道板內部溫差為-3.2~5.8 ℃，軌道結構豎向溫差為-10.0~18.8 ℃。晴朗少云天氣下豎向平均溫差符合指數分布。

2)砂漿層上表面與軌道板界面極為薄弱，黏結力小于博格公司試驗值，在無砟軌道設計和養維中應予以重視，實測彈性階段，砂漿層縱向平均剛度為36 371.364 kN/mm。

3)列車作用下，鋼軌、軌道板、底座板、橋面、墩臺、地面振動衰減明顯，鋼軌為高頻振動，其他部件依次降低。軌道板-底座板間相對位移大于底座板-橋面板間相對位移，豎向位移大于橫向位移，證明砂漿層在耗能和傳力當中起著重要作用。

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(編輯陽麗霞)

摘要:作為橋上縱連板式無砟軌道系統的薄弱環節，砂漿層一旦發生損傷甚至脫空，將嚴重影響列車運行品質。圍繞砂漿層界面工作性能這一關鍵課題，依托滬昆客專綜合試驗段，開展無砟軌道溫度場長期觀測、砂漿層界面黏結性能試驗和橋上縱連板式無砟軌道動力測試，已取得階段性成果。試驗結果表明：橋上縱連板式無砟軌道豎向存在非線性溫度梯度，軌道整體豎向溫差可達-10~18.8 ℃，其豎向分布規律符合指數分布；砂漿層上表面與軌道板相接界面較為薄弱，其黏結力小于博格公司實驗值，應予以關注；列車作用下，由上而下振動衰減明顯，軌道板-底座板間相對位移大于底座板-橋面板間相對位移，再次證明了砂漿層在耗能和傳力方面的重要作用。

關鍵詞：鐵路橋梁；高速鐵路；無砟軌道；關鍵技術；試驗研究

Key technology of longitudinal-continuous-plate unballasted track system on bridgeGUO Jianguang

(Shanghai-Kunming Railway Passenger Dedicated Line in Jiangxi Co., LTD, Nanchang 410075, China)

Abstract：Being a weak link of longitudinal-continuous-plate unballasted track system on bridge, it will seriously affect the quality of train operation once mortar layer is injured or void. Based on the comprehensive experimental section of the Shanghai-Kunming passenger line, the long-term observations of unballasted track temperature field, mortar layer interface bonding performance test and dynamic test of longitudinal-continuous-plate unballasted track on bridge were carried out in terms of work performance of mortar layer interface. The test shows that, there is a nonlinear vertical temperature gradient on longitudinal-continuous-plate unballasted track, and track overall vertical temperature can reach -10~18.8 ℃, and the vertical temperature distribution is comply with the exponential distribution; the interface of mortar layer surface and track plate is relatively weak, and its cohesive force is less than the Berg company's experimental value, which should be paid attention to; under the influence of the train load, top-down vibration attenuation is obvious, and the relative displacement of track plate-base plate is greater than that of base plate and bridge deck, which proves that the mortar layer plays an important role in energy consumption and force transmission.

Key words：railroad bridges; high speed railway; ballastless track; key technology; experimental study

中圖分類號：U213.9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0015-05

通訊作者：郭建光(1967-)，男，江西遂川人，高級工程師，從事無砟軌道相關研究；E-mail:2213156247@qq.com

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題(2014T003-D);中國博士后科學基金資助項目(2014M552158)

收稿日期：*2015-05-10