軌道-路基動力試驗系統的研制與應用

聶如松，冷伍明，張家生，余志武

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程試驗室，湖南 長沙 410075)

國家經濟的快速發展對交通運輸提出了高標準和高要求。鐵路作為綜合交通運輸體系中的一種主要運輸方式，具有速度快、能力大、成本與能耗低、占地少、環境友好等明顯優勢，是國家重點支持發展的領域。目前，我國高速鐵路通車里程已超過1.9萬km。與此同時，我國重載鐵路也迅速發展，大秦鐵路、朔黃鐵路先后進行了擴能改造，運量快速提高。在京滬、京廣、京哈等繁忙長大干線上，速度100～250 km/h動車組列車、5 000 t級貨物列車、25 t軸重雙層集裝箱列車共線運行，列車追蹤間隔動車組5 min、貨車7 min，創造了客貨共線鐵路運輸速度、密度和載重的世界紀錄。

路基是鐵路的重要支撐構筑物，其為軌道結構提供平順、穩定的支撐平臺，是保證高速列車高速平順運行、重載列車安全穩定運行的重要支撐。路基作為一種天然或人工改良、由多元巖土組成的土工結構物，其工程性質多變、復雜，易受雨水氣候環境和工作條件的影響，路基填料的工程性質特別是其變形和強度變化規律以及路基與軌道的相互作用等問題尚未很好解決[1-4]。現場試驗是獲取路基在列車荷載作用下動力特性的最可靠方法，但外界環境影響因素眾多，埋設測試元件比較困難，測試路基在列車荷載作用下的長期動力效應較難且昂貴。室內模型試驗是研究鐵路路基在列車反復荷載作用下動力響應規律和變形機理的重要手段。以往國內外鐵路路基模型試驗，一部分考慮到列車動力荷載模擬困難，采用小比例尺試驗，尺寸效應影響大；一部分采用單點振動正弦函數時程曲線模擬列車荷載，無法真實模擬多排軌枕傳遞下來的列車動荷載在路基中產生的應力疊加。為解決室內模型試驗列車活載模擬問題，中南大學開發了軌道-路基動力試驗系統。該試驗系統充分利用現代高科技手段，集機械電子及計算機控制技術于一體，成功開發出鐵路路基足尺試驗平臺。主要特點有：1∶1的室內路基模型，解決了小比例尺模型試驗中材料、荷載、強度、剛度等相似關系的問題；自動控制加載，可以輸入任一加載波形；能模擬不同軸重(5～40 t)、速度達160 km/h重載列車或者速度達380 km/h高速列車對路基的反復作用。整個試驗系統建成后，成功進行軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度80 km/h的重載有砟軌道路基動力響應試驗[5]以及速度350 km/h高速鐵路無砟軌道路基動力響應和疲勞試驗[6]。應用實例表明，該系統設計新穎、技術先進、穩定性能好，能真實模擬列車荷載。

1 軌道-路基動力試驗系統

軌道-路基動力試驗系統包括室內1∶1路基模型、反力裝置、加載系統和數據采集系統。

1.1 室內1∶1路基模型

室內1∶1路基模型建造在30 m×13 m×6 m的模型槽內，如圖1所示。路基模型按照單線鐵路設計，路基面最高點高出試驗室地面1.35 m(扣除了道砟層或軌道板、鋼軌、荷載分配梁和作動器預留空間)，所以路基高度可以在0～7.35 m之間根據試驗目的和要求任意設定。要建造更高的路基，只要將模型槽進一步挖深；路基長度可以根據研究需要設置。

圖1 路基模型槽

路基模型槽內設置不同型式的路基，包括路堤、剛度不同的過渡段、路橋過渡段等；還可以設置各種病害，如翻漿冒泥、空洞、不均勻沉降等；在路基模型槽內也可以模擬極端惡劣天氣，如暴雨、狂風等。

1.2 反力裝置

反力裝置如圖2所示，包括反力地槽和5套特制剛性反力框架。反力地槽設置在路基模型槽的兩條長邊，反力框架可以布置在模型槽長度方向的任意位置。反力框架包括凈跨13.3 m、實際長度15.7 m的梁，2根高5.15 m的立柱和2根長4.68 m的斜撐。梁、立柱和斜撐采用高強螺栓連接形成門字型框架，總重21.7 t。將400 kN的荷載作用在梁正中，梁的撓度小于1.0 mm，確保反力裝置有足夠的剛度。

圖2 反力裝置

1.3 加載系統

由一套電液伺服加載系統形成軌道-路基動力試驗系統的加載系統。該加載系統由5臺400 kN作動器、5臺200 kN作動器、5根荷載分配梁、4臺大功率電機、油源及管路、冷卻塔、油源控制系統和MTS控制系統組成，如圖3～圖5所示。400 kN作動器用于重載列車荷載的模擬，200 kN作動器用于高速列車荷載的模擬。油源控制系統包括遠程控制操作臺和直接控制操作臺。油源遠程控制操作臺可與MTS控制系統放置在一起，便于操作。

圖3 軌道-路基動力加載裝置

圖4 液壓動力系統

圖5 油源遠程控制操作臺與MTS控制系統

MTS控制系統能夠產生正弦波、方波、三角波、斜波、半正弦和實測荷載譜等加載波形，能夠自由編輯和輸入任意波形。加載控制精度在1×10-4s以內。

400 kN作動器最大靜動態試驗荷載為±400 kN，最大行程50 mm，最大動位移幅值5 mm，最大加載頻率20 Hz。200 kN作動器最大靜動態試驗荷載為±200 kN，最大行程50 mm，最大動位移幅值5 mm，最大加載頻率50 Hz。

1.4 數據采集系統

路基中埋設了大量測試元件，主要測試動應力、動應變、動位移、加速度、靜應力和沉降。除了靜應力和沉降有專門的測試儀器進行數據采集外，其他測試項目都可以用Imc數據采集系統進行數據采集。

2 軌道-路基動力試驗系統的功能

軌道-路基動力試驗系統是一個比較復雜的系統，可以模擬高速列車和重載列車運營時產生的動力荷載；可以進行高速鐵路和重載鐵路1∶1路基動力模型試驗、高速鐵路和重載鐵路路基疲勞試驗以及鋼軌、扣件、軌枕、各種型號的軌道板、道砟等各種構件和材料的疲勞試驗等。該試驗系統克服了以往路基模型試驗特別是大比例模型試驗受設備限制只能采用單點加載、無法考慮軌枕下動力相互疊加和影響的缺點，能夠模擬重載列車和高速列車在運行過程中產生的動荷載。

3 軌道-路基動力試驗系統的工作原理

3.1 軌道-路基動力試驗系統的加載原理

室內模擬列車活載有多種方式，采用作動器模擬列車活載是普遍采用的方法。此方法需要解決加載參數(包括動力荷載的幅值、頻率以及加載時程曲線)和荷載作用點位置兩個關鍵問題。

荷載作用點位置有多種選擇。一般認為將荷載直接作用在鋼軌上，荷載通過軌枕分擔傳遞給路基，但這種方式存在缺陷：將荷載加載到目標值后，需要將作動器快速在鋼軌上移動，其移動速度必須與列車模擬速度相等。在實驗室有限的空間里很難到達預定速度。圖6為浙江大學建設的軌道-路基動力加載裝置設計示意[7]，該裝置采用將荷載直接加載在鋼軌上的方式，隨后設計者在建設過程中改變了這種加載模式。

圖6 軌道-路基動力加載裝置示意

另外一種方式是將荷載直接作用在軌枕上，由軌枕將荷載傳遞給路基。這種加載方式需要求出列車輪對運行時，作用在鋼軌與軌枕之間接觸壓力的時程曲線，對作動器和控制系統的要求較高。該方式中作動器和控制系統能夠較真實地輸出荷載時程曲線。

第三種方式是將荷載直接作用在路基上，用這種加載方式很難模擬列車通過路基時作用在路基面上的荷載。因為列車活載通過軌枕、道砟或者軌道板分配給路基，期間經過了動力衰減和擴散，其荷載變得更為復雜，難以確定其大小和波形。

中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室采用第二種加載方式，將荷載作用在軌枕上或者作用在軌道板的節點上，如圖3和圖7所示。這樣就需要解決加載時程曲線和加載設備的問題。加載設備可以通過購置先進的設備和控制系統來解決。加載時程曲線可以通過現場實測、數值模擬和理論計算來實現。下面通過理論計算[8]簡要介紹如何實現軌道-路基動力試驗系統對列車活載的模擬。

理論上接觸壓力的時程曲線可以采用彈性支承連續梁模型和點支承連續梁模型來計算。兩個模型將鋼軌視為置于彈性基礎上的無限長梁；點支承連續梁模型將軌枕視為彈性支點，對鋼軌的支承是不連續的，需要用數值方法求解鋼軌與軌枕之間的接觸壓力；彈性支承連續梁模型近似把軌枕的支承看作連續支承，即Winkle地基模型，可以得到鋼軌與軌枕接觸壓力的解析解。

圖7 軌道-路基動力加載裝置示意

本文以彈性支承連續梁模型為例，計算鋼軌與軌枕間的接觸壓力。計算時，將列車活載簡化為一豎向恒力P以勻速v在鋼軌上直線移動。機車車輛和軌道相互作用的綜合動力效應通過靜力荷載P乘以荷載系數來實現，即

Pd=P(1+α+β)

( 1 )

式中：α為速度系數；β為偏載系數。

鋼軌分配給一根軌枕一端的壓力為

( 2 )

圖8 C70貨車通過某一個軌枕時作用在其一端的荷載時程曲線

兩根鋼軌作用在軌枕的兩端，每根鋼軌分配給軌枕的壓力各不相同；同一根軌枕兩端的壓力大小也不相等。鋼軌分配給軌枕力的大小與軌道狀況、車輛荷載、車輛重心位置、行車速度等因素有關。試驗時，假定兩根鋼軌分配給同一根軌枕兩端的壓力相等，在上述時程曲線中將荷載乘以2就得到作用在一根軌枕上的荷載時程曲線，實際上也就是作動器需要加載的時程曲線。因此，系統設計將作動器擺放在軌道的正中間，通過分配梁將作動器產生的動荷載平均分配到軌枕上。

大量實測數據和理論分析結果表明，單輪荷載近似按照圖9顯示的比例將荷載分配給軌枕。即單輪荷載基本由其附近的5根軌枕來承擔。因此，系統設計時采用5個作動器聯合加載來實現列車活載的模擬。模擬過程中，5個作動器輸入相同的荷載時程曲線。根據所模擬列車行駛的方向確定輪載最先到達的軌枕，給最先到達的軌枕發出加載命令，再對其他作動器依次發出加載命令。也就是說將其他作動器加載的波形依次延后t時間，t時間的大小由軌枕間距和行車速度確定。這樣就實現了列車活載的反復施加。當一列車通過以后，可以停止加載，等下一列火車到來；停止時間跟實際行車密度有關。也可以進行無間斷加載試驗。

圖9 單輪載作用下軌枕荷載分擔示意圖

3.2 軌道-路基動力試驗系統與其他加載裝置的比較

以往室內列車活載一般采用單點作動器來模擬，將荷載作用在鋼軌上，加載的時程曲線一般為正弦波，與列車運營時產生的荷載有較大差別。主要原因有下列3個方面：

(1)列車活載復雜，與軌道狀況、道床厚度及狀況、列車型號、軸重等因素有關，用正弦波時程曲線來模擬差別很大；

(2)列車活載是沿線路運行的移動荷載，輪對經過某點時，作用的時間較短，用連續的正弦波模擬，與實際情況差距較大；

(3)輪對在鋼軌上運行，是隨鋼軌長度變化的連續荷載，靠單個作動器施加動荷載只能模擬某點路基的加載情況，不能反映某段路基的動力響應特性。

食品微生物檢測的內容。首先是致病菌。一旦食品中含有較高含量的致病菌，就容易導致人體中毒，因此需要重點檢測食品中的致病菌。其中，蠟樣芽孢桿菌與金黃色葡萄菌是食品中的主要致病菌，在微生物檢測實踐中，需要科學檢測這些致病菌的數量。其次是指示性菌種。一般情況下，從兩個方面來檢測指示性菌種。一是科學檢測菌落總量，以便合理判斷食品污染程度。在檢測實驗中，通常會取出1g食品，然后檢驗其菌落數量。二是合理檢測大腸桿菌群。研究發現，人、牲畜的糞便是菌種的主要來源，因此就需要將大腸桿菌群作為污染指標菌，以此來評價食品衛生達標狀況。

其他國家也在實驗室內建造列車活載加載系統對相關的路基、橋梁等開展研究。日本鐵道綜合技術研究所建造的列車活載加載系統如圖10所示。

圖10 日本列車活載加載系統

德國采用小比例尺模型，建造了如圖11所示的列車活載模擬模型。在剛性基礎上建直徑1 m的環形軌道模型，軌枕用木條制成，軌道用PVC制造，道砟用顆粒直徑2～4 mm的糖顆粒模擬。軌道荷載用直徑80 mm的滾輪模擬。

圖11 德國列車活載模擬系統[9]

與其他列車活載加載系統相比，可以看出中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室建造的軌道-路基動力試驗系統具有明顯的優勢：1∶1的大比例尺可以真實模擬現場實際情況，不存在如德國列車活載模擬系統的材料、荷載、剛度和強度等眾多相似關系問題；5個聯動的作動器可以實現軸重達40 t、速度達160 km/h的重載列車或者速度達380 km/h高速列車所產生的列車活載。

3.3 軌道-路基動力試驗加載結果

整個試驗系統建成調試以后，為了檢驗試驗系統的各項性能指標和效果，分別進行了軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度為80 km/h的路基動力響應試驗。試驗系統地測試上述不同軸重列車作用下路基結構的動應變、動位移、加速度、變形等時程曲線和數值。圖12為軸重23 t時路基中某點動應變的時程曲線。從圖12可以看出，軌道-路基動力試驗系統能很好模擬運營列車在路基中產生的作用效果。

圖12 23 t軸重作用下路基面動應變時程曲線

4 結論

軌道-路基動力試驗系統是一個復雜的系統，其充分利用現代高科技手段，集先進機械電子及計算機控制技術于一體，是集成創新的一個成功案例。其突出特點有：1∶1的室內路基模型，解決了小比例尺模型試驗中材料、荷載、強度、剛度等相似關系問題；自動控制加載，可以隨意輸入加載波形；能模擬不同軸重(5～40 t)、速度達160 km/h的重載列車或者380 km/h高速列車對路基的反復作用。整個試驗系統建成后，成功地進行了軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度80 km/h的重載列車作用下路基動力響應試驗和速度350 km/h的高速鐵路無砟軌道路基動力響應試驗和疲勞試驗。應用實例表明，該系統設計新穎、技術先進、穩定性能好，能真實模擬列車荷載，為進一步揭示高速和重載運輸條件下路基的工作機理、完善現代鐵路設計理論、開發新的路基結構和施工工藝提供重要試驗研究平臺。

參考文獻：

[1]易思蓉.鐵道工程[M].2版.北京:中國鐵道出版社,2009：170-192.

ZHOU Wenquan,LENG Wuming,CAI Degou,et al.Analysis on Characteristic of Critical Dynamic Stress and Accumulative Deformation of Coarse-grained Soil Subgrade Filling under Cyclic Loading[J].Journal of the China Railway Society,2014,36(12):84-89.

[3]冷伍明,聶如松,薛繼連,等.一種路基預應力加固強化方法：中國,201410077768.9[P].2014-03-05.

[4]聶如松,冷伍明,楊奇.既有重載鐵路路基檢測試驗與狀態評估[J] 鐵道工程學報,2014(11):20-24.

NIE Rusong,LENG Wuming,YANG Qi.Detection Test and Condition Assessment on Existing Heavy Hual Railway Subgrade[J].Journal of Railway Engineering Society,2014(11):20-24.

[5]中南大學,朔黃鐵路發展有限責任公司,鐵道第三勘察設計院集團有限公司.重載鐵路橋梁和路基檢測與強化技術研究總報告[R].2012.

[6]中南大學.高速鐵路工程結構動力學及關鍵技術研究總報告[R].2014.

[7]陳云敏,邊學成.高速鐵路運行引起的沉降及其監測和控制[C]//2008年青年科學家論壇:高速交通基礎建設中的關鍵技術.石家莊：石家莊鐵道學院,2008.

[8]陳秀方.軌道工程[M].北京：中國建筑工業出版社,2005：170-179.

[9]AUGUSTIN S,GUDEHUS G,HUBER G,et al.Numerical Model and Laboratory Tests on Settlement of Ballast Track[J].Lecture Notes in Applied Mechanics,Springer,2003(6):317-336.