復(fù)合軌枕無砟軌道疲勞試驗研究

沈毓婷，楊永明，閆 雪，耿 浩，江萬紅

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844； 3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031)

隨著軌道交通運輸需求的不斷提高，加快列車運行速度和增加客貨運量是提高鐵路運輸能力的必然趨勢。無砟軌道結(jié)構(gòu)組成材料的多樣性導(dǎo)致軌道在列車荷載的長期反復(fù)作用下可能出現(xiàn)各種類型的疲勞傷損[1-2]，因此需要對無砟軌道及其各部分的疲勞性能展開研究。軌枕在軌道結(jié)構(gòu)中起著承力、傳力和保持幾何形位的作用，木枕彈性好但使用壽命短，混凝土枕使用壽命長但自重大，維修困難。復(fù)合軌枕是一種以復(fù)合高分子材料為主料，增強材料和化學(xué)添加劑為輔料制成的新型軌枕，其剛度優(yōu)于木枕，彈性優(yōu)于混凝土枕[3-5]，施工操作簡單，易于養(yǎng)護維修，具有較大推廣應(yīng)用的潛力。

目前復(fù)合軌枕主要在國外重載有砟軌道上使用，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合軌枕軌道性能分析較少。Richard Lampo[6]等測定了復(fù)合軌枕極限強度、彈性模量以及螺紋道釘?shù)目拱瘟Γ⑶铱偨Y(jié)了復(fù)合軌枕失效的原因和影響因素。Reiff R[7]等介紹了復(fù)合軌枕在伯靈頓北部和圣達菲鐵路兩個試驗地點的實際安裝，結(jié)合美國鐵路規(guī)范提出了安裝注意點。Reiff R[8]等進一步針對復(fù)合軌枕在安裝過程中受到的荷載進行了測試，結(jié)果表明：復(fù)合軌枕在現(xiàn)場安裝過程中會受到一次高荷載作用。段海濱[9]研究了復(fù)合軌枕有砟軌道的鋼軌、軌枕、道床垂向動力特性并與Ⅲ型混凝土軌枕進行對比，通過改變影響參數(shù)討論其對軌道力學(xué)性能的影響。同時通過查閱無砟軌道疲勞性能方面的資料發(fā)現(xiàn)，無砟軌道疲勞性能研究主要集中在理論方面。王青[10]等建立不同位置列車疲勞荷載作用模型和混凝土、鋼筋、水泥瀝青砂漿的疲勞本構(gòu)模型，并分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道應(yīng)力、位移和損傷。尹華拓[11]在考慮路基上雙塊式無砟軌道鋼筋、混凝土疲勞特性對軌道疲勞影響的基礎(chǔ)上，研究了溫度荷載和列車荷載對材料壽命和軌道壽命的影響，同時分析了不同軌道參數(shù)的影響。李思云[12]通過建立彈性地基梁-體模型，對CRTS-I型板式無砟軌道在列車荷載和環(huán)境溫度共同作用下的疲勞特性。一些學(xué)者對無砟軌道疲勞性能進行試驗研究。倪躍峰[13]開展了無砟軌道疲勞性能試驗，結(jié)合客貨共線列車荷載和速度設(shè)計了加載工況，通過檢測混凝土試件的動彈性模量和抗折強度進行軌道損傷評價和使用壽命預(yù)測。馮什[14]對CRTSⅠ型板式無砟軌道各部件的位移、受力及溫度開展疲勞試驗，并觀察了軌道結(jié)構(gòu)疲勞傷損。劉曉春[15]等采用CRTSⅢ型板式無砟軌道實尺模型，對疲勞荷載下軌道的橫向彎曲應(yīng)力和變形進行研究。吳斌[16]等基于軌道-路基動力模型試驗系統(tǒng)，建立CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)1∶1足尺模型開展疲勞試驗研究。目前國內(nèi)缺少復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)性能方面的研究，在其推廣應(yīng)用前，應(yīng)對其疲勞性能開展研究。

針對復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的疲勞性能，開展試驗進行研究。通過建立復(fù)合軌枕無砟軌道實尺模型，對其施加疲勞荷載，觀察無砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的發(fā)生、發(fā)展過程，測試無砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞變形和受力變化，為復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 軌道模型

疲勞試驗采用的復(fù)合軌枕無砟軌道實尺模型如圖1所示。復(fù)合軌枕無砟軌道實尺模型主要由鋼軌、扣件、軌枕、道床板組成，其中鋼軌為CHN60鋼軌，扣件為彈條II型分開式扣件，主要由螺紋道釘、鐵墊板、調(diào)高墊板、膠墊、T形螺栓、II型彈條組成，扣件系統(tǒng)垂向靜剛度為40～60 kN/mm。復(fù)合軌枕周圍及底面為毛面，以增加與混凝土的接觸摩擦面，長、寬、高分別為2 300、220、180 mm。本次試驗復(fù)合軌枕數(shù)量取為7根，中間5根為長枕，長度為2 300 mm，兩側(cè)為雙塊式軌枕，長度為650 mm。道床板采用C40混凝土板，長、寬、高分別為4 200、2 800、260 mm，內(nèi)配上下兩層鋼筋，復(fù)合軌枕內(nèi)豎向貫穿4根錨固鋼筋，對軌枕起到限位作用，道床板橫斷面配筋如圖2所示。

圖1 復(fù)合軌枕無砟軌道疲勞試驗實尺模型

圖2 復(fù)合軌枕無砟軌道配筋(單位：mm)

1.2 試驗加載及測試

本次試驗采用AMSLER脈沖疲勞試驗機進行加載，最大可施加荷載為500 kN，精度為500 N，示值允許偏差≤1%。結(jié)合工程實際，荷載施加按照最不利工況車輛軸重25 t考慮；由于列車荷載符合正態(tài)分布[17]，而試驗所施加的荷載只能為一定幅值的正弦荷載，應(yīng)將隨機分布的列車荷載按正態(tài)分布特征進行分級，按照各級荷載所占頻率確定荷載作用次數(shù)[18]，因此正弦幅值最大值設(shè)為375 kN，最小值設(shè)為125 kN，加載頻率為4 Hz，疲勞加載次數(shù)為300萬次。

疲勞荷載按照相關(guān)規(guī)范要求采用圖3所示的試驗裝置施加在軌道橫向中心線位置[19]。疲勞試驗前先進行預(yù)加載，以檢驗加載設(shè)備、采集記錄儀器是否正常，再連續(xù)加載疲勞荷載300萬次。試驗采用圖4所示的激光位移計記錄軌道各部件位移，位移傳感器安裝支架應(yīng)保證牢固，傳感器頂針與被測面須垂直。試驗采用電阻應(yīng)變片記錄道床板應(yīng)力，電阻應(yīng)變片粘貼前應(yīng)磨平貼片處，清潔油污，粘貼應(yīng)注意避免應(yīng)變片中氣泡的存在。采用IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀記錄數(shù)據(jù)，采集和存儲軌道初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)以及之后加載次數(shù)每達到30萬次時的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖3 疲勞荷載施加裝置

圖4 激光位移計

1.3 測試內(nèi)容及布置

通過施加疲勞荷載，研究復(fù)合軌枕無砟軌道的變形和受力特征變化，以及檢查軌道是否出現(xiàn)疲勞損傷，試驗測點布置如圖5所示。

圖5 復(fù)合軌枕無砟軌道疲勞試驗測點布置

2 試驗結(jié)果及分析

在300萬次疲勞加載過程中，通過從復(fù)合軌枕無砟軌道外觀上觀察發(fā)現(xiàn)，軌道各部件狀態(tài)均良好，未出現(xiàn)疲勞損傷。軌道變形和受力特征變化分析如下。

2.1 變形分析

在復(fù)合軌枕無砟軌道疲勞試驗中，激光位移計和IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀記錄的鋼軌相對于軌枕的豎向、橫向位移，軌枕相對于道床板的豎向位移，道床板相對于基礎(chǔ)的豎向位移以及軌距加寬隨疲勞加載次數(shù)增加的變化如圖6～圖10所示。由于軌下膠墊、復(fù)合軌枕具有彈性，道床板與基礎(chǔ)之間存在一定空隙，復(fù)合軌枕無砟軌道各部件之間的相對位移在開始加載到連續(xù)加載100萬次過程中略微增大。隨著無砟軌道各部件逐漸被壓實，試驗后期各部件相對位移的波動逐漸減小，趨于穩(wěn)定，軌距在整個加載過程中基本不變。

圖6 鋼軌豎向相對位移

圖7 鋼軌橫向相對位移

圖8 軌枕相對于道床板豎向位移

圖9 道床板相對于基礎(chǔ)豎向位移

圖10 軌距變化

在300萬次疲勞荷載加載過程中，加載點處和加載點側(cè)軌枕處鋼軌相對于軌枕的豎向位移分別在2.17～2.36 mm和1.40～1.48 mm范圍內(nèi)變化，橫向位移在0.42～0.67 mm范圍內(nèi)變化，軌枕相對于道床板的豎向位移在0.069～0.102 mm范圍內(nèi)變化，道床板相對于基礎(chǔ)的豎向位移在0.058～0.073 mm范圍內(nèi)變化，軌距增加量基本穩(wěn)定在0.1 mm。可以看出，對于復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道上部變形較大，下部變形很小且基本穩(wěn)定，因此鋪設(shè)復(fù)合軌枕無砟軌道時應(yīng)考慮上部構(gòu)件之間的配套，并在軌道運營過程中，重視軌道上部結(jié)構(gòu)振動和變形方面的監(jiān)測檢查工作。

2.2 受力分析

根據(jù)復(fù)合軌枕無砟軌道道床板布置的應(yīng)變片得到的道床板應(yīng)力數(shù)值變化如圖11所示。道床板拉應(yīng)力隨著次數(shù)增加，波動幅度很小且逐漸趨于穩(wěn)定。道床板混凝土彈性模量為3.25×104MPa，①處和②處測得的道床板橫向最大拉應(yīng)力為1.667 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設(shè)計值1.71 MPa[20]；③處和④處測得的道床板縱向最大拉應(yīng)力為0.605 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設(shè)計值1.71 MPa。

圖11 道床板應(yīng)力

3 結(jié)論

針對復(fù)合軌枕無砟軌道的疲勞性能開展試驗研究。通過建立復(fù)合軌枕無砟軌道實尺模型，測試軌道各部件在疲勞荷載作用下的變形和受力變化，從而分析復(fù)合軌枕軌道疲勞性能，得到以下結(jié)論。

復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)在300萬次疲勞加載過程中，隨著軌道結(jié)構(gòu)逐漸被壓實，軌道變形和受力無明顯變化，逐漸減小并趨于穩(wěn)定。其各部件狀態(tài)保持良好，未出現(xiàn)疲勞損傷，說明復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)具有較好的疲勞性能，可進行推廣使用。

考慮疲勞試驗中軌道結(jié)構(gòu)各部件的變形特征，使用復(fù)合軌枕無砟軌道應(yīng)考慮軌道上部構(gòu)件之間的配套，且運營過程中應(yīng)重視軌道上部結(jié)構(gòu)振動和變形方面的監(jiān)測檢查工作。