新型嵌入式道床結構性能試驗研究

林曉波

(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司， 上海 201339)

新型嵌入式道床結構性能試驗研究

林曉波

(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司， 上海 201339)

本文針對既有國內外嵌入式軌道存在軌距固定難、無縫線路溫度穩定性不夠好、軌道板翹曲、維修難、建設費用高、施工速度慢等缺點, 研發了一款綜合現有嵌入式道床結構優點，同時避免了上述缺點的新型嵌入式道床結構。新型嵌入式道床結構由道床板、槽型鋼軌、定位裝置密封套、螺栓、軌距調整塊、多孔自密實混凝土、縱向連接孔組成。板下和底座各有2條縱向凹槽，中間填充袋裝自密實砂漿，兩板通過螺桿連接。為了驗證新型道床結構力學穩定性，仿真建造了一塊1∶1道床。通過推力試驗，檢驗道床橫向抵抗力和對鋼軌的縱向板約束力。試驗結果表明，新型嵌入式道床橫向抵抗力大于198 kN，鋼軌的縱向約束力大于93 kN，完全滿足任何地段的使用要求。

新型； 嵌入式軌道； 試驗

現有已知的嵌入式道床結構主要是長枕或短枕埋入式結構，該結構的主要缺點是道床精度難以控制，維修困難，施工速度慢。1974年，荷蘭鐵路公司在混凝土橋上鋪設了一種嵌入式軌道結構(ERS)，鋼軌放置凹槽中，軌距通過楔形塊調整，剩余空間填充聚氨酯和軟木屑組成的混合材料，為減少用量，鋼軌兩側還預先埋設空心管。通過40多年的運用實踐證明，嵌入式軌道維修工作量小，減振降噪效果明顯[2]。近幾年，嵌入式軌道在歐洲國家得到一些運用，出現了現澆結構和板式結構兩種形式。現澆結構是預先將鋼軌套上高分子材料，然后分層現澆。板式結構軌道板長度約6 m，單塊重量大約12 t。從國內外調研的情況看，現有嵌入式軌道存在軌距固定難、無縫線路的溫度穩定性不夠好、軌道板翹曲、維修難、建設費用高、施工速度慢等缺點[3]。針對現有嵌入式道床結構存在的缺點，本文提出了一款新型嵌入式道床結構，該結構綜合現有嵌入式道床結構優點，同時避免了上述缺點。新結構由框架嵌入式道床板、袋裝砂漿調整層、底座、中間綠化帶等結構組成，如圖1所示。道床的表面為草皮，下部有100 mm的種植土。土下是200 mm的砂濾層，砂下是單粒級的碎石層，由L型的預制板組成排水盲溝。

圖1 新型嵌入式軌道結構圖

1 新型嵌入式道床結構部件作用

新型嵌入式道床結構由道床板、槽型鋼軌、定位裝置密封套、螺栓、軌距調整塊、多孔自密實混凝土、縱向連接孔組成。如圖2所示。

圖2 道床橫斷面

與現有的嵌入式結構相比，其顯著特點是鋼軌在凹槽中有調軌組件，調軌組件由螺栓、多邊形的調整塊、壓緊塊和壓緊螺栓組成，對鋼軌位移和應力起到限制和約束作用，方便施工和調整。且凹槽空間填充的是多孔自密實混凝土，有降噪和承受軌面荷載的作用。維修時只要鋸開鋼軌兩側的自密實混凝土，松開定位螺栓，鋼軌就可以更換。施工完畢后的鋼軌狀態，如圖3所示。

圖3 施工完畢后的鋼軌狀態

為了便于施工，在道床板與底座之間通過袋裝砂漿調制層來調整高度。同時考慮限位作用，在軌道板底和底座之間各設置一個凹槽，并通過砂漿袋組成十字形狀，起到連接上下結構和限制道床縱橫向位移的作用。

板與板之間通過螺桿連接，中間夾一層橡膠板，用于縱向緩解溫度應力和調整變坡點轉角，使道床線形平順。

道床中心排水通過底座排水通道及底座PVC排水管排出。每塊軌道板的底座長度小于軌道板長度，留有80 mm的排水通道，底座上還設置有PVC排水管，能將道床中部雨水向兩側盲溝排放，如圖4所示。

圖4 道床縱斷面

2 嵌入式道床板

新型嵌入式道床板為普通鋼筋混凝土結構，兩側凹槽內有軌距調整定位預埋套管，板的兩端有聯系梁，中間有3個連接孔，外觀為框架型結構，板底有凹槽。如圖5所示。

圖5 新型嵌入式道床板

設計上，無縫線路鋼軌溫度應力處理方法是：(1)按照地區平均溫度設計，當環境溫度高于設計平均溫度時，說明鋼軌當前狀態長度已經超過設計軌溫時的長度，需要對膨脹量切割，然后焊接鋼軌。當施工環境溫度低于設計溫度時[4]，說明當前鋼軌長度短于設計軌溫的長度，需要對鋼軌一端約束，另一端進行張拉，達到設計軌溫的長度后進行焊接。(2)如果環境出現極端溫度差，首先保證鋼軌不出現上拱，然后通過橡膠板縫進行應力釋放。因此，設計上在進行軌道板平面布置時，板與板之間有10 mm的橡膠板縫，并通過3根縱向連接螺桿來平衡地基不均勻沉降導致的軌道不平順。

嵌入式軌道板直線地段長度為4 990 mm，單塊重量為62.5 kN，曲線地段軌道板根據最小曲線半徑設計，外形為扇形，板長2 000 mm左右。

3 結構穩定性計算

為驗證新道床結構能夠抵抗列車運行和溫度疊加產生的縱橫向應力，保證列車運行安全，需要做結構的縱橫向阻抗試驗。

3.1 小曲線半徑軌道橫向力計算

根據北京交通大學趙影，范俊杰給出的計算方法[5]，列車通過小曲線半徑時對軌道施加的橫向力為：

(1)

式中：H——軌道橫向力(kN/m);G——一個轉向架承擔的車體重量(kN);v——列車運行速度(km/h);R——曲線半徑(m);h——曲線設置的外軌超高(mm)；s——線路鋼軌中心間距(mm)。

為了城市社會車輛通行，一般在平交轉彎地段有軌電車不設置外軌超高[6]。并且，有軌電車轉彎半徑較小，轉彎時運行速度較慢。據此，假定有軌電車一個轉向架的重量全部作用在一塊軌道板上，曲線地段軌道板的長度為2 000 mm，軌道板的重量為25 kN。轉向架的重量為120 kN，轉向架軸距距離為1 500 mm，轉彎曲線半徑為30 m。運行速度為50 km/h，外軌超高為0 mm。列車通過時產生的橫向力為78.74 kN/m。

3.2 無縫線路縱向溫度應力

鋼軌溫度應力按照下式計算：

P=EAσΔT

(2)

式中：P——鋼軌溫度應力(N)；E——彈性模量(MPa);A——鋼軌截面積(mm2);σ——膨脹系數(℃)； ΔT——溫差(℃)。

由上式可知，無縫線路溫度應力與鋼軌長度無關，與溫度變化有關。

彈性模量E=2.06×105MPa;槽型鋼軌R59截面積A=74.07 mm2；膨脹系數σ=1.18×10-5℃；最大溫差ΔT=50℃。根據溫度應力計算結果，如果有50℃溫度變化，鋼軌產生的縱向力為9 kN。

4 結構試驗

4.1 試驗原理

通過給道床橫向施加外力，測試道床移動瞬間抵抗外力的大小來確定結構的約束能力。同理，通過給鋼軌端頭施加外力，來測試鋼軌調整組件和多孔自密實混凝土對溫度應力和列車制動應力的約束能力。對此，開發了一套試驗設備。該設備由液壓千斤頂，測力傳感器，位移計，信號轉換模塊，DCS芯片，軟件共同組成。測試時，系統沒秒鐘記錄一個測試數據，將測試數據連線，組成測試應力曲線和位移曲線。

4.2 道床橫向約束力試驗

(1)試驗方案

按照設計圖紙1∶1建造一塊道床板，分別在鋼軌端頭和道床中部設置反力樁。用千斤頂，測量傳感器、位移計組成的檢測系統。當千斤頂推動到某個力值時，若鋼軌或道床發生了位移，即認定此力值為阻抗力或約束力[7]。

(2)試驗方法

在道床板中部安裝1個千斤頂和1個測力傳感器，對面安裝3只位移傳感器，測試中3只位移計中任何1只發生移動即停止試驗，如圖6所示。

圖6 道床橫向抵抗力試驗

(3)試驗結果

通過檢驗設備自動記錄的力值和位移曲線可知，道床橫向推力達到198.76 kN時最大位移值為0.3 mm，如圖7所示。

圖7 橫向推力試驗自動記錄曲線

4.3 鋼軌縱向約束力試驗

鋼軌縱向約束力試驗方法：在鋼軌頭中部安裝1個千斤頂和1個測力傳感器，對面安裝3只位移計，其中2只安裝在被推的鋼軌上，1只安裝在側面記錄移動趨勢。鋼軌縱向約束力試驗如圖8所示, 鋼軌縱向約束力試驗位移安裝部位如圖9所示。

圖8 鋼軌縱向約束力試驗

圖9 鋼軌縱向約束力試驗位移安裝部位

通過檢驗設備自動記錄的力值和位移曲線可知，鋼軌縱向推力達到93.29 kN時最大位移值為0.3 mm如圖10所示。

5 試驗結論

(1)新型嵌入式道床結構橫向約束力最大值為198 kN，大于列車通過小曲線半徑施加給道床的橫向力，結構安全。

圖10 縱向推力試驗自動記錄曲線

(2)新型嵌入式道床結構對鋼軌的縱向約束力最大值為93 kN，滿足極差溫度應力和列車緊急制動產生的縱向力要求，結構安全。

[1] 王志文，張百歲.淺析鋼軌嵌入式軌道結構的應用[J].山東工業技術，2015，34(2)：62. WANG Zhiwen, ZHANG Baisui. Analysis on the application of the embedded rail track structure[J]. Shandong Industrial Technology, 2015, 34(2): 62.

[2] 江小州，焦紅林，楊剛，等.嵌入式軌道結構的聲振特性參數優化研究[J].噪聲與振動控制，2015，35(3)：10-14. JIANG Xiaozhou, JIAO Honglin，YANG Gang, et al. Study on optimization of acoustic vibration characteristic parameters of embedded track structure[J]. Noise and vibration control, 2015, 35(3): 10-14.

[3] 秦超紅.嵌入式軌道線路穩定性研究[D].成都：西南交通大學,2014. QIN Chaohong. Research on the stability of embedded track circuit[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.

[4] TB 10015-2012 鐵路無縫線路設計規范[S]. TB 10015-2012 Design specifications for railway seamless line [S].

[5] 趙影，范俊杰.鐵路曲線狀態下橫向力的研究[J].北京交通大學學報，2002，26(4)：34-37. ZHAO Ying, FAN Junjie. Study on lateral force under the condition of railway curve[J].Journal of Beijing Jiaotong University, 2002, 26(4):34-37.

[6] GB 50490-2009 城市軌道交通技術規范[S]. GB 50490-2009 Technical specifications for urban rail transit[S].

[7] 韓峰.現代有軌電車小半徑曲線無縫線路穩定性研究[D].蘭州：蘭州鐵道學院,2002. HAN Feng. Research on the stability of the modern tram small radius curve seamless line[D]. Lanzhou: Lanzhou Railway Institute,2002.

(編輯：劉會娟 劉彥琳)

Research on Performance Test of a New Embedded Ballast Structure

LIN Xiaobo

(China Railway 23rd Bureau Group Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201339， China)

A new embedded ballast structure is researched and developed in the paper, which combining the advantages of the existing structure and overcomes the shortcomings of existing structure such as the slow construction speed, low accuracy, running vibration noise and the difficulty in maintenance. The new type of embedded ballast structure consists of ballast bed, channel rail, gauge adjusting block and porous self-compacting concrete. The bottom plate and the base are respectively with two longitudinal grooves, which are filled with the bagging self compacting mortar. The screws connect the two plates. In order to verify the dynamic stability of the new structure, the simulation ballast is constructed with a scale of 1:1. Through the thrust test to check lateral resistance and longitudinal resistance of the ballast, it shows that when the lateral resistance is greater than 198kN, the longitudinal resistance is greater than 93kN, which fully meets the use requirement of curve with small radius and any section.

a new type; embedded track; test

2016-07-01

林曉波(1963-)，男，工程師。 基金項目：四川省科技支撐計劃項目(2014GZ0081)

1674—8247(2016)06—0044—04

U213.2

A