3 000萬次列車荷載作用下Ⅲ型板式軌道力學性能演化試驗

吳斌，魏煒，曾志平, 2，王俊東，李世業

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3 000萬次列車荷載作用下Ⅲ型板式軌道力學性能演化試驗

吳斌1，魏煒1，曾志平1, 2，王俊東1，李世業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)

利用CRTSⅢ型板式軌道-路基結構足尺試驗模型，模擬高速列車荷載作用，進行3 000萬次疲勞試驗，對扣件剛度、隔離層剛度及各部件加速度的演化規律進行分析。研究結果表明：扣件動靜剛度均隨荷載作用次數增幅分別為116%和30%，動靜剛度比呈線性增加，疲勞荷載作用到1 000萬次左右時，動靜剛度比達到1.5；根據試驗結果擬合得到隔離層剛度與荷載作用次數呈二次函數關系，相關系數為0.975，據此可以預測3 600萬次時剛度達到最大值，約為初始剛度2.4倍；鋼軌及軌道板加速度降幅分別為63%和34%，底座加速度增幅為54%；研究成果可為CRTSⅢ型板式軌道狀態評估研究及養維策略制定提供參考。

CRTSⅢ型板式軌道；疲勞；試驗；性能；演化

近年來，高速鐵路在整個鐵路運輸系統中占據著日益重要的角色，各國對無砟軌道均開展了相應的研究和應用[1?4]。鑒于既有板式(CRTSⅠ型、CRTSⅡ型)及雙塊式(CRTSⅠ型、CRTSⅡ型)無砟軌道存在離縫、板端翹曲、軌道板上拱及混凝土開裂等不利服役狀態，我國通過不斷改進和創新，形成了CRTSⅢ型板式無砟軌道系統[5]，在新建高速鐵路中得到了廣泛應用。目前，國內對CRTSⅢ型板式無砟軌道的靜動力及疲勞性能進行了大量的理論和試驗研究。孫璐等[6]通過改變列車荷載作用位置，研究CRTSⅢ型板式無砟軌道結構受力性能變化特征。任勃[7]基于列車-軌道耦合動力學理論對減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道的動力特性進行分析和研究。何燕平[8]運用有限元方法，分別開展了列車、溫度荷載作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的疲勞性能數值分析。劉學毅等[9]考慮溫度與列車荷載的耦合作用，開展CRTSⅢ型板式無砟軌道結構500萬次列車荷載疲勞試驗，分析軌道結構各部件位移及軌道板應力。截至目前，國內外千萬次及以上的長期荷載作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道結構體系疲勞性能試驗尚屬空白。為快速獲得CRTS Ⅲ型板式無砟軌道各層結構及界面的工作特性，揭示結構體系受力性能演化規律，本文依托中國鐵路總公司重大試驗專項，以CRTSⅢ型板式無砟軌道?路基結構足尺試驗模型為基礎進行試驗，獲得了3 000萬次列車疲勞荷載下扣件剛度、隔離層剛度及各部件加速度的演化規律。

1 試驗概述

1.1 試驗模型及測試元件布置

本試驗依托高速鐵路建造技術國家工程實驗室的軌道-路基動力模型試驗系統開展[10]。

試驗靜態測試內容主要包括鋼軌與軌道板相對位移、軌道板與底座相對位移等，動態測試內容主要包括鋼軌、軌道板及底座加速度，以及鋼軌與軌道板相對位移、軌道板與底座相對位移，測試采用imc數據采集儀進行實時采集。測試元件包括位移傳感器、加速度傳感器及千分表等，均置于鋼軌軌頂面、軌道板頂面及底座頂面，主要布置在板中的測點2及兩側的板端測點1和測點3，具體布置方式如圖1所示。

1.2 試驗加載系統及荷載模擬

利用軌道?路基動力加載系統進行加載，該系統采用多個激振器來模擬高速鐵路列車荷載，共包含5個作動器，同時布置在一塊CRTSⅢ型板式無砟軌道結構上，分別置于1，3，5，7和9號承軌臺上方，承軌臺編號見圖1(a)，現場試驗作動器布置如圖2所示。

圖2 試驗作動器布置

試驗模擬列車運行時速為350 km/h，軸重170 kN，通過列車?軌道動力學仿真分析[7]，求得相鄰車廂的相鄰轉向架不同輪對經過軌道時單個扣件垂向力時程，根據軌道?路基動力加載系統對加載輸入函數的要求，擬合作動器所需加載時程曲線(圖3)[11]。動載每作用40萬次停機進行一次靜載加載測試，靜載的加載方式為分級加載，將荷載值為0 kN時的位移設為相對位移的零點，從單個作動器荷載值為10 kN開始，每增加20 kN記錄千分表位移讀數及靜態應變采集儀讀數，直至最大加載值130 kN。其加載時程如圖4所示。

圖3 動荷載加載時程曲線

圖4 靜荷載分級加載時程

2 扣件剛度測試結果分析

2.1 靜動力加載結果分析

試驗采用WJ-8B型扣件，扣件設計靜剛度30 kN/mm±5 kN/mm。在疲勞荷載作用3 000萬后，得到動、靜載作用下各測點位置位移測試結果。軌道結構中部取測點2位置測試數據，用字母M表示，軌道結構端部取測點1和3位置測試數據平均值，用字母E表示，D和S分別代表動載作用和靜載作用，例如：M-S-扣件，表示軌道結構中部靜載作用下扣件最大壓縮形變量。由試驗數據分析可知，動、靜載作用下，軌道結構端部扣件形變量均大于中部。以軌道結構中部在動、靜載作用下扣件最大壓縮形變量隨荷載作用次數變化為例，如圖5所示，動、靜載作用下扣件形變量減小幅度分別為54%和41%，動載降幅大于靜載，導致動靜剛度變化不 一致。

根據靜載各級加載的測試數據，可反映扣件靜剛度隨荷載大小變化趨勢，取疲勞作用0萬次，1 000萬次，2 000萬次及3 000萬次時軌道結構中部扣件壓縮形變量隨靜載變化如圖6所示，由圖6可知，初始狀態(0萬次)時，扣件靜壓縮形變量隨靜載增加約呈線性變化，此時扣件處于純彈性變形階段，隨疲勞作用次數增加，扣件靜剛度隨靜載增加均呈非線性變化，剛度值隨荷載加大而增加，并且非線性程度隨疲勞荷載作用次數增加而增強。

圖5 扣件最大壓縮形變量隨作用次數變化

圖6 扣件壓縮形變量隨荷載變化

2.2 扣件剛度變化分析

為探究扣件全壽命期力學性能演化規律，將試驗全過程扣件最大壓縮變形量的測試結果進行計算分析，得到扣件動靜剛度、扣件動靜剛度等變化規律特性。

扣件動靜剛度及動靜剛度比均為扣件系統彈性性能重要評價指標，扣件動靜剛度比越大，對墊板的塑性形變、使用壽命越不利，且減弱了振動的傳遞速率[12?13]。根據文獻[14]的扣件節點動靜剛度試驗方法進行計算，扣件節點靜剛度計算公式如式(1)所示：

式中：s為靜剛度，kN/mm；1和2為向被測系統的鋼軌施加的最小及最大荷載，分別取值5 kN及55 kN；1s和2s為鋼軌在加載至1和2時的位移，mm。

根據靜載試驗測試結果，通過線性差值法獲取靜載試驗5 kN及55 kN荷載作用下鋼軌相對軌道板位移值，由計算分析得到扣件靜剛度與疲勞作用次數間變化曲線，同理，由動載作用下測試結果，得到扣件動剛度變化曲線，如圖7所示，扣件動靜剛度比實測與擬合值對比如圖8所示。

由圖7可知，扣件動靜剛度均疲勞隨荷載作用次數而增大，荷載作用到3 000萬次時，動剛度由34.7 kN/mm增加到75.0 kN/mm，靜剛度由27.5 kN/mm增加到35.7 kN/mm，增幅分別為116%和30%，動剛度增幅遠大于靜剛度。

由圖8可知，扣件動靜剛度比隨荷載作用次數增大，且基本呈線性變化，故采用一次函數進行擬合得出扣件動靜剛度比隨荷載作用次數變化關系式如式(2)所示，曲線擬合優度2=0.964，由擬合關系式可得出當荷載作用到1 050萬次后動靜剛度比大于1.5，超過規范要求[14]，根據試驗數據計算所得結果為1 080萬次，擬合值與實測值吻合良好，若按照每小時發20列8節編組的高速列車計算[8]，對應服役年限僅為8 a左右，建議在無砟軌道的養護維修中應注意對扣件的力學性能進行定期檢查，及時替換性能老化的墊板。

式中：d/K為動靜剛度比；為疲勞荷載作用次數，百萬次。

圖7 扣件動靜剛度變化

圖8 扣件動靜剛度比變化實測值與擬合值

3 隔離層剛度測試結果分析

3.1 靜動力加載試驗分析

CRTSⅢ型板式無砟軌道結構在自密實混凝土和底座之間設置了一層土工布作為隔離層，具有改善結構體系受力、緩和自密實混凝土與底座之間相互作用等功能。因此，探討隔離層力學性能演化規律顯得尤為重要。

軌道結構中部位置動、靜載作用下隔離層最大壓縮形變量隨荷載作用次數變化如圖9所示，分析可得，靜載下隔離層形變量隨作用次數而減小，降幅為58%，動載下其形變量先減小，作用到1 000萬次后有增大趨勢，最終隔離層動靜位移幾乎趨于相等，此時其振動傳遞性能接近于理想彈性體，減振性能已大幅退化。

隔離層靜載各級加載測試結果如圖10所示，其變化趨勢與扣件近似，可知隔離層靜剛度非線性趨勢也隨荷載作用次數增加而增強。

圖9 隔離層最大壓縮形變量隨作用次數變化

圖10 隔離層壓縮形變量隨荷載變化

3.2 隔離層剛度變化分析

隔離層剛度隨疲勞作用次數變化趨勢可根據試驗數據分析而得到。根據實測曲線顯示，隔離層剛度增長逐漸平緩并有趨于穩定的趨勢，采用二次函數形式重新進行數據回歸和擬合，得到隔離層剛度(N/mm3)與疲勞荷載作用次數(百萬次)的關系式如式(3)所示，實測曲線及擬合曲線如圖11所示，由圖11可見，擬合曲線與測試值有較好的一致性。通過分析比較，可采用式(3)對疲勞隔離層剛度進行預測。

根據試驗和擬合結果可知，隔離層初始剛度約為0.45 N/mm3。當荷載作用0~2 000萬次之間，剛度平均增幅為0.027 N/mm3每百萬，剛度增加較快；當荷載作用2 000~3 000萬次之間，剛度平均增幅為0.011 N/mm3每百萬次，剛度增加較為緩慢。由式(3)可推算，疲勞荷載作用次數到3 600萬次左右時，隔離層剛度達到最大值1.10 N/mm3，此時隔離層剛度達到最大值，所對應的服役年限約為26 a[8]。隔離層具體剛度變化如表1所示。

圖11 隔離層剛度變化實測值與擬合值

Fig. 11 Measurement and fitting on changes of isolated layer stiffness

表1 隔離層剛度變化

4 軌道結構振動特性分析

加速度作為軌道結構在動荷載作用下產生振動響應的直觀指標，在一定程度上可反映動載激勵下軌道結構的性能和狀態。

動載作用下軌道結構加速度隨作用次數變化如圖12所示，圖中軌道板、底座對應主坐標軸，鋼軌對應次坐標軸，由圖12可知，就試驗全過程而言，鋼軌及軌道板加速度隨荷載作用次數增加而減小，分別從60.74 m/s2和4.12 m/s2降至22.54 m/s2和2.46 m/s2，降幅分別為63%和34%，底座加速度隨荷載作用次數由1.65m/s2增至2.53 m/s2，增幅54%。因扣件動靜剛度比增大，橡膠回彈性能減弱，墊板的黏彈損耗隨之增加，阻尼系數也在一定程度上加大[15]，使得鋼軌加速度減小，進而加大了傳遞到軌下結構及下部基礎的振動，而隔離層剛度的增加導致軌道板和底座的加速度值逐步接近，隔離層的減振性能進一步退化。

圖12 動載下軌道結構加速度變化

5 結論

1) 隨著疲勞荷載次數增加，扣件動、靜剛度增大，增幅分別為116%和30%，動靜剛度比呈線性增加，荷載作用1 000萬次左右時，動靜剛度比大于1.5。

2) 長期疲勞荷載作用下，隔離層剛度與疲勞荷載作用次數呈二次函數關系式，據此可預測不同服役年限的隔離層剛度取值，如隔離層最大剛度約為1.10 N/mm3(約為初始剛度的2.4倍)，對應服役年限為26 a。

3) 隨著疲勞荷載次數增加，鋼軌及軌道板加速度減小，底座板加速度增加，變化幅度分別為63%，34%和54%。

4) 研究成果可為CRTSⅢ型板式軌道狀態評估研究及養維策略制定提供參考。

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Study on the evolution of mechanical properties of CRTSⅢ slab track under 30 million times train load

WU Bin1, WEI Wei1, ZENG Zhiping1, 2, WANG Jundong1, LI Shiye1

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

Based on the full-scale test model of CRTSⅢ slab track-subgrade structure system, the evolution of mechanical properties for fastener stiffness, isolated layer stiffness and acceleration on each parts of track structure were studied under 30 million high-speed train fatigue load tests. The results show that: The dynamic and static stiffness of fastening increased by 116% and 30%, respectively, and the ratio of dynamic stiffness and static stiffness increased linearly with the increasing of train load times. After 10 million fatigue load tests, the ratio of dynamic stiffness and static stiffness was larger than 1.5. Based on the test results, the stiffness of isolated layer changes in accordance with quadratic function, and the correlation coefficient is 0.975. It was estimated that the maximum stiffness is 2.4 times of the initial after 36 million fatigue load tests. The acceleration of rail and slab track reduced by 63% and 34% respectively while the acceleration of support increased by 54%. The research is useful to guide the mechanical properties study and maintenance of CRTSⅢ slab track structure.

CRTSⅢ slab track; fatigue; experiment; mechanical properties; evolution

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.001

U213

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0001 ? 07

2018?01?22

中南大學研究生自主探索創新項目(2017zzts749)；中國鐵路總公司科研試驗項目(SY2016G001)；高速鐵路基金研究聯合基金資助項目(U1734208)

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

(編輯 陽麗霞)