列車荷載作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道力學特性試驗研究

吳斌，朱坤騰，曾志平,2，余志武,2，魏煒

(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實驗室，湖南 長沙 410075)

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列車荷載作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道力學特性試驗研究

吳斌1，朱坤騰1，曾志平1,2，余志武1,2，魏煒1

(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實驗室，湖南 長沙 410075)

為研究列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道的疲勞性能，針對高速列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道結構力學特性進行試驗研究。基于軌道-路基動力模型試驗系統，建立CRTSⅢ型板式無砟軌道結構1:1足尺試驗模型，開展720萬次疲勞荷載試驗，獲得了各層動力特性演化特征。研究結果表明：隨著列車荷載作用次數增加，隔離層壓縮變形、軌道板加速度、自密實混凝土應力減小，而底座加速度和應力增大。根據隔離層壓縮變形量的變化規律，通過數據回歸，得到隔離層剛度隨荷載作用次數變化的關系式。研究成果對于指導服役狀態下CRTSⅢ型板式無砟軌道結構力學特性研究及狀態評估有參考價值。

CRTSⅢ型板式無砟軌道；試驗；力學特性；隔離層剛度

CRTSⅢ型板式無砟軌道作為我國自主研發的新型板式軌道結構，在我國應用的時間較短，其受力性能受到學者們的廣泛關注[1-4]。何燕平[5]運用有限元軟件ABAQUS和MSC.FATIGUE，以經典的疲勞損傷理論為依據，研究了CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的疲勞特性。高亮等[6]通過建立縱橫垂向空間耦合有限元計算模型，針對路基上Ⅲ型板式無砟軌道結構的單元式和縱連式兩種設計方案在溫度荷載、列車荷載、混凝土收縮及基礎沉降變形作用下的力學特性進行了計算與對比分析。韋合導[7]在系統分析和總結國內外無砟軌道結構的基礎上，提出了CRTSⅢ型板式無砟軌道的總體設計方案，對CRTSⅢ型板式無砟軌道的主要結構體—軌道板、自密實混凝土和底座等部件進行受力分析和結構設計。中國鐵道科學院等[8]通過建立軌道結構靜力有限元模型和車輛-軌道-基礎耦合動力分析模型，對CRTSⅢ型板式無砟軌道各部件的合理尺寸、扣件合理剛度、隔離層合理剛度、軌道部件功能定位等關鍵參數及靜動力特性開展了系統研究。本文基于軌道-路基動力模型試驗平臺，建立了1:1足尺試驗模型，針對高速列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道結構動力特性進行了720萬次疲勞試驗，獲得了各層動力特性演化特征。

1　試驗概況

1.1路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗模型

試驗依托高速鐵路建造技術國家工程實驗室的軌道-路基動力試驗系統而開展，采用1: 1足尺試驗模型。路基在模型槽內進行填筑，并鋪設一塊軌道板。除了軌道板等預制件之外，路基、底座、自密實混凝土等均嚴格按照相關設計圖紙，采用與施工現場一致的原材料和施工工藝，由專業化隊伍在實驗室進行安裝制作。

1.2測試內容及元件布置

測試內容主要包括隔離層壓縮變形(通過測量軌道板與底座相對位移得到)，加速度(軌道板、底座)，縱橫向應變(軌道板、自密實混凝土、底座)。測試元件主要包括應變片、應變計、位移傳感器、加速度傳感器等，具體布置方式如圖1所示。圖1(b)中，Q，F，H，S，L和T分別代表縱向1/4，縱向荷載作用點，縱向板中和橫向板中，橫向板邊，縱向和橫向，例如：H-S-L代表縱向板中橫向板邊處縱向應變。

(a)位移計、加速度計和表面應變片；(b)軌道結構各層應變計(c) 橫斷面圖圖1　測試元件布置圖Fig.1 Layout of test element

1.3加載方式

采用多個激振器來模擬高速列車荷載的加載系統。該動力加載裝置不僅能提供不同軸重，不同列車運行速度下的動力荷載，而且考慮了相鄰車廂相鄰轉向架不同輪對之間動荷載的疊加效應。作動器布置方案如圖2所示。基于路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道的結構特點，建立三維有限元力學分析模型，求得相鄰車廂的相鄰轉向架不同輪對通過軌道時扣件節點的反力時程，結合MTS伺服加載試驗機對輸入時程曲線要求，對扣件反力時程曲線進行Fourier變換，通過疊加得到作動器加載輸入時程曲線如圖3所示，荷載作用一次相當于相鄰車輛轉向架的四個輪對各作用一次，通過不同作動器之間加載時程的相位差模擬不同車輪對軌道作用的時間差。

(a)作動器布置圖；(b) 作動器和分配梁圖2　作動器布置方案Fig.2 Layout scheme of actuator

圖3　軸重17 t時速350 km時程加載曲線Fig.3 Time-histories load curve at 17 t axle-load,350 km/h

2　試驗結果及分析

進行了720萬次疲勞試驗。根據測試結果，得到隔離層壓縮變形最大值、軌道板加速度最大值、底座板加速度最大值、自密實混凝土應變最大值(H-H-T自、H-H-L自、H-S-L自)、底座應變最大值(H-H-L底下、H-S-L底下)隨荷載作用次數的變化如圖4～圖6所示。位移最大值、軌道結構加速度隨荷載作用次數變化幅度如圖7所示，位移最大值、軌道結構應變隨荷載作用次數變化幅度如圖8所示。

由圖4可知，隔離層壓縮變形最大值隨荷載作用次數增加而減小。荷載作用80萬次前，隔離層壓縮變形最大值基本不變(0.16 mm)；荷載作用80萬次到240萬次時，隔離層壓縮變形最大值呈較好的線性減小，荷載每增加40萬次，隔離層壓縮變形最大值減小0.01 mm；荷載作用480萬次到600萬次時，荷載每增加80萬次，隔離層壓縮變形最大值減小0.01 mm；荷載作用720萬次后，隔離層壓縮變形最大值減小0.08 mm，減小幅度為50%，即剛度增加1倍。

由圖4和圖7可知，軌道板加速度隨荷載作用次數增加而減小，而底座加速度隨荷載作用次數增加而增大。其中，底座板加速度增加幅度和位移最大值的變化幅度具有較好的一致性，而軌道板減小幅度比位移最大值的變化幅度小。荷載作用720萬次后，軌道板加速度由4.20 m/s2減小到2.67 m/s2，減小幅度為36.4%；而底座加速度由1.68 m/s2增加到2.53 m/s2，增加幅度為50.6%；軌道板與底座加速度比值由1: 0.4變為1: 0.94。由此可見，隔離層剛度增加，其減振性能下降，導致軌道板加速度減小，底座加速度增加，對路基的穩定性不利。

由圖5、圖6和圖8可知，自密實混凝土應變最大值隨荷載作用次數減小，底座應變最大值隨荷載作用次數增加而增大。其中，底座應變增加幅度和位移最大值的變化幅度具有較好的一致性，而自密實混凝土應變減小幅度比位移最大值的變化幅度小。荷載作用720萬次后，H-H-T自應變從10με減小到6με，H-H-L自應變從16με減小到12με，H-S-L自應變從27με減小到22 με，減小幅度分別為40%、25%、19%；H-H-L底下應變由6 με增加到9 με，H-S-L底下應變由6 με增加到10 με，增加幅度分別為50%和67%。由此可見，隔離層剛度增加可能導致自密實混凝土應變減小，而底座拉應力增加，對底座的耐久性不利。

圖4　位移和加速度隨變化圖Fig.4 Variation chart of displacement and acceleration

圖5　自密實混凝土應變變化圖Fig.5 Variation chart of self-compacting strain

圖6　底座應變變化圖Fig.6 Variation chart of base strain

圖7　位移和加速度變化幅度Fig.7 Change range of displacement and acceleration

圖8　位移和應變增加幅度Fig.8 Change range of displacement and strain

3　隔離層剛度變化關系式

由上述試驗結果可知，隔離層剛度對軌道結構受力有重要影響。根據隔離層壓縮變形量的測試結果，利用軌道結構動力學模型[9]，每隔若干疲勞荷載次數計算一次隔離層剛度，通過數據回歸[10]并進行適當的減化，得到隔離層剛度隨荷載作用次數變化的關系，如式(1)所示。實測曲線和擬合曲線如圖9所示，從中可見，二者吻合良好。

(1)

式中：k為隔離層剛度，N/mm3；n為疲勞荷載作用次數，百萬次。

圖9　實測曲線和擬合曲線對比圖Fig.9 Comparison between measured curve and fitting curve

由式(1)可知，疲勞荷載作用前(n=0)，隔離層剛度為0.42N/mm3，與文獻[8]的實測值0.45N/mm3接近。由此可以推算，疲勞荷載作用次數為700，1 930，4 110和7 370萬次時，隔離剛度可能增加1倍，2倍，3倍和4倍，如按照每小時發20列8節編組的高速列車計算[5]，可以換算得到對應的服役時間分別約為4.6，13.7，29.4和52.6a。

4　結論

1)CRTSⅢ型板式無砟軌道結構隔離層剛度隨高速列車荷載作用次數增加而增大，導致底座應力和加速度大幅增加，可能對底座的疲勞性能和路基的穩定性產生不利影響。

2)根據隔離層壓縮變形量的變化規律，提出了隔離層剛度隨高速列車荷載作用次數變化的關系式，對于預測服役狀態下CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的力學特性有參考價值。

3)考慮水、溫度等環境因素作用下，隔離層剛度的變化規律及其對CRTSⅢ型板式無砟軌道結構力學特性的影響有待進一步開展試驗研究。

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Experimental study on the mechanical characteristics of CRTSⅢslab ballastless track under train load

WU Bin1, ZHU Kunteng1, ZENG Zhiping1,2, YU Zhiwu1,2, WEI Wei1

( 1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

In order to study the fatigue properties of CRTSⅢ slab track on roadbed under train load, an experiment study was carried out on the dynamic characteristics of CRTSⅢ slab track structure on roadbed under high-speed train load. The full-scale test model of CRTSⅢ slab track structure based on track-subgrade dynamic model test system was established and the dynamic evolution characteristics of each layer after 7.2 million fatigue load tests were obtained. The results show that the deformation of isolated layer, the acceleration of slab, and the stress of self-compacting concrete reduce, while the acceleration and stress of base increase with the increasing number of train load applications. According to the variation law of the deformation of isolated layer, the relationship between the stiffness of isolated layer and number of load applications was obtained through data fitting. The research is useful to guide the mechanical properties study and condition assessment of CRTSⅢ slab track structure.

CRTSⅢ slab ballastless track; experiment; mechanical characteristics; stiffness of isolation layer

2015-11-25

中南大學研究生創新項目(2016ZZTS396)；高鐵CRTSⅢ型板無砟軌道結構疲勞性能試驗研究(SY2016G001)；南昌鐵路局科技開發計劃資助項目(201524)；高速鐵路基礎聯合基金資助項目(UI334203)

曾志平(1975-)，男，湖南寧鄉人，教授，博士，從事鐵路軌道結構研究；Email：hzzp7475@126.com

U213

A

1672-7029(2016)07-1229-05