柔性鋪裝防護體系在鐵路鋼橋有砟軌道橋面中的適用性

鞠曉臣，左照坤，劉曉光

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路的發展，有砟軌道橋面逐漸成為新建鐵路橋梁常采用的一種橋面結構形式。該結構大多是在鋼橋縱橫梁體系上或正交異性整體鋼橋面上鋪設混凝土道砟槽板，然后在道砟槽板上依次鋪設道砟、軌枕、鋼軌等。但由于混凝土道砟槽板一般具有較大的自重，使得橋梁二期恒載較大，且由于道砟槽板抗拉性和變形協調性較差，在長期溫度荷載和過往車輛疲勞荷載作用下，道砟槽板較易產生裂紋和破碎現象[1-5]。

借鑒公路鋼橋面柔性鋪裝防護體系，一些輕薄的柔性鋪裝形式開始在鐵路橋梁中得到應用，如東新贛江特大橋采用了6 cm厚雙層環氧瀝青混凝土鋪裝層[6]、銅陵公鐵兩用長江特大橋采用6 cm厚澆筑式瀝青混凝土結構體系[7]。與混凝土道砟槽板相比，柔性鋪裝防護體系對橋梁具有更好的變形協調性，且柔性鋪裝橋面結構單線二期恒載可降低約30 kN/m。然而柔性鋪裝防護體系在鐵路鋼橋中的應用剛剛起步，其對鐵路道砟的適應性有待更長運營時間的驗證。

根據鐵路鋼橋現場工作情況，橋面鋪裝層所受荷載作用主要包括兩方面，即道砟對其產生的豎向刺穿疲勞作用和水平向磨耗作用。本文以冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層[8-9]為研究對象，對其在鐵路鋼橋有砟軌道橋面的適用性開展試驗研究。

1 柔性鋪裝體系性能指標

冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝是指“冷拌樹脂瀝青混凝土+樹脂瀝青黏結層+環氧黏結碎石層+鋼橋面”的鋪裝形式，其結構體系見圖1。考慮鋪裝體系的實際功能要求，并根據鋪裝層材料性能試驗，冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝體系中各層的關鍵性能指標見表1—表3。

圖1 冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝體系

表1 環氧黏結碎石層性能指標

表2 樹脂瀝青(RA)膠結料性能指標

不同柔性鋪裝體系性能對比見表4，可知，冷拌樹脂瀝青混凝土在界面抗剪強度、耐高溫性能等方面都表現出一定的優勢。另外，在施工便易性上冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝優勢明顯，其施工不需要特殊的施工機具和苛刻的施工工藝，且施工及養護時間短，后期維護方便。

表3 RA混合料性能指標

表4 不同柔性鋪裝體系性能對比

2 豎向耐道砟刺穿疲勞試驗

2.1 試驗概況

圖2 試件截面(單位：mm)

依據在建蕪湖長江公鐵大橋鐵路橋面制作大節段試驗模型，并保證試驗模型關鍵部位受力與實橋相似。試件截面如圖2所示，包含2個倒T形大縱梁和4個U形肋，以及2個橫隔板。倒T形大縱梁腹板高722 mm，厚16 mm，下翼緣寬300 mm，厚16 mm。閉口U形肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm，U形肋間距為600 mm。橫隔板間距為3.5 m，厚16 mm；橋面板厚16 mm。試件總體高1.032 m，長3.658 m，寬3 m。在試件鋼面板表面鋪設33 mm厚冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層，待鋪裝層鋪設完成后，對鋪裝面厚度和平整度進行測量，平整度應控制在1.5 mm以內。在試件表面鋪設特級道砟，并采用小型搗固機對道砟進行搗固，道砟厚35 cm。道砟周圍采用擋板圍護，按照標準在道砟上鋪設5根Ⅲ型重型混凝土軌枕，軌枕間距600 mm。在軌枕上安裝75 kg/m重載鐵路用鋼軌及配套扣件。

試驗加載過程如圖3所示。試驗采用50 t試驗機進行加載，考慮高速客運列車軸重為17 t，故沖擊系數取1.5，試驗機輸出荷載下限為10 kN，荷載上限為255 kN。荷載通過分載梁作用于鋼軌上，加載頻率為2～4 Hz。采用循環荷載和靜力荷載交替的方式進行試驗，即每當循環荷載循環50萬次時進行1次靜力荷載試驗。試驗加載200萬次時，清除道砟并檢查鋪裝層表面情況。再次填裝道砟，裝配軌枕、鋼軌、扣件等，保持相同的荷載輸出，繼續加載300萬次。

圖3 試驗加載過程

試驗中對關鍵部位的應力和位移進行測量，測點布置如圖4(a)所示。測點位于兩橫隔板跨中，其中，S1～S9為應力測點，S3,S5和S7為雙向應力測點(順橋向和橫橋向)，D1和D2為豎向位移測點。由于道砟為離散體，隨著加載次數的增加道砟狀態可能會發生變化，導致軌枕發生位移。因此，試驗過程中通過新型徠卡數字水準儀對軌枕的豎向位移進行測量。測試點布置在中間3根軌枕的兩端(G2～G7)，測點距離軌枕端部約25 mm;在鋼橋面板跨中兩側邊緣布置測點(G1和G8)作為軌枕位移基準參考點，如圖4(b)所示。

圖4 測點布置

2.2 試驗結果分析

根據試驗結果可知，橋面板應力和位移隨著加載次數的增加并沒有明顯的變化。循環荷載作用一段時間后，在300 kN靜力荷載作用下，橋面總體受力依然較小，倒T形縱梁下翼緣(S1，S2，S8，S9)順橋向應力約為12 MPa，U形肋下翼緣順橋向應力約為18 MPa,其他測點應力均不足5 MPa。測點D1和D2的豎向位移約為0.33 mm。

在300 kN靜力荷載作用下軌枕豎向位移見表5。可知，隨著循環次數的增加，軌枕位移基本沒有變化，表明道砟狀態在加載過程中保持較好。軌枕豎向位移約為0.86 mm，參考點橋面板豎向位移約為0.23 mm。由于道砟處于散粒狀態，因此軌枕豎向相對位移約為0.63 mm。

表5 在300 kN靜力荷載作用下軌枕豎向位移 mm

加載200萬次后，清除道砟并對鋪裝層表面情況進行檢查，發現鋪裝層未出現明顯的局部凸起、凹陷、磨損、刺穿或破碎現象，加載后鋪裝層表面孔隙率有所增加。軌枕作用下方U形肋或倒T形梁腹板與面板連接處局部下凹，最深下凹約4 mm，如圖5(a)所示。加載500萬次時，鋪裝層依然未產生明顯破壞，但與加載200萬次時相比，軌枕作用下方的凹痕數量和下凹深度有一定增加，最深下凹約5 mm，如圖5(b)所示。根據試驗結果可知，該鋪裝防護層具有良好的耐道砟豎向刺穿疲勞性能。

圖5 鋪裝層凹痕情況(單位：mm)

循環荷載作用500萬次后，采用滲水儀對鋪裝層進行滲水試驗[10-11]，檢查循環荷載作用后鋪裝層的防水性能。將鋪裝層劃分成30 cm×30 cm的方格區域，選擇荷載主要作用的2個方格和邊緣受荷載影響很小的2方格進行試驗，見圖6。4個測點處鋪裝層均未發生滲水現象，說明鋪裝層在疲勞荷載作用過后防水功能依然完好。

圖6 滲水試驗

3 水平向耐道砟磨耗試驗

3.1 試驗概況

圖7 試驗裝置與試件示意

鋪裝層耐道砟水平磨耗試驗裝置包括反力架、20 t 作動器、壓力傳感器、采集儀、無底鋼箱、鋪裝層試件、工字鋼支撐梁等，如圖7所示。反力架和鋪裝層試件通過螺栓固定在工字鋼支撐梁上，作動器一端通過螺栓固定在反力架上，另一端與無底鋼箱連接，在作動器與無底鋼箱連接的螺栓上穿有墊片式壓力傳感器，用于測量作動器對無底鋼箱的拉力。無底鋼箱通過卡槽置于鋪裝試件上部，且底部與鋪裝層上表面不接觸。在無底鋼箱內部填充道砟及配重，道砟與鋪裝層直接接觸，通過作動器帶動無底鋼箱左右往復運動實現道砟對鋪裝層的水平磨耗作用。

鋪裝層試件鋼板尺寸為720 mm×570 mm×20 mm，其上鋪設尺寸為470 mm×356 mm×33 mm的鋪裝層。無底鋼箱采用4塊鋼板焊接而成，容積為360 mm×300 mm×537 mm，壁厚40 mm，其側壁兩塊鋼板底部伸出35 mm，與試件鋪裝層配合形成卡槽，以保證無底鋼箱沿鋪裝層做單向往復運動。

試驗中道砟厚35 cm，重度20 kN/m3。采用Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，質量353 kg，軌枕按 1 667 根/km計算，鋼軌為60 kg/m。若軌枕及其上部荷載按45°擴散，經道砟傳遞至鋼橋面板，則“鋼軌+軌枕+道砟”實際作用在鋼橋面板上的應力為8.31 kPa。經換算無底鋼箱內“道砟+配重”質量為89.79 kg。試驗之前，先在無底鋼箱內填筑35 cm厚道砟，然后在道砟上部放置配重，使“道砟+配重”總質量為89.79 kg，以模擬實際工程中道砟與鋪裝層的接觸情況。

在正式試驗之前進行空箱試驗，用于測量未填筑道砟時作動器對無底鋼箱的作用力。作動器加載頻率為0.02 Hz，每一周期行程為0.14 m。對空箱進行加載，直至采集儀顯示所施加荷載的幅值趨于穩定為止。試驗結果表明，當作動器大約運行32個周期時，其對無底鋼箱的作用力幅值趨于穩定，幅值大小為 1 250 N，即作動器對空箱施加最大荷載為 1 250 N。空箱試驗完成后，按要求在無底鋼箱內填筑道砟進行正式試驗。

3.2 試驗結果分析

通過應變計測量得到作動器對無底鋼箱的作用力為 2 200 N，可知道砟與鋪裝層之間的摩擦力為950 N，摩擦因數為1.06。試驗過程中試件變化情況如圖8所示。當道砟與鋪裝層相對滑動行程約200 m時，無底鋼箱與鋪裝層表面之間的縫隙開始出現道砟碎屑;當道砟與鋪裝層相對滑動行程約300 m時，無底鋼箱與鋪裝層表面之間縫隙開始有大量道砟碎屑涌出，此時磨耗試驗結束。

圖8 試驗過程中試件變化情況

試驗前后鋪裝層表面情況對比如圖9 所示。可見，滑移300 m后鋪裝層表面變得更光滑，但幾乎沒有破損。

圖9 試驗前后鋪裝層表面對比

4 結論

本文以冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層為研究對象，對其在鐵路鋼橋有砟軌道橋面上的適用性開展研究，得到結論如下：

1)通過與環氧瀝青混凝土和澆筑式瀝青混凝土鋪裝性能指標對比可知，冷拌樹脂瀝青混凝土在施工周期、后期修復以及施工便易性上都明顯優于前兩者。

2)根據耐道砟豎向刺穿疲勞試驗，在500萬次1.5倍高速列車軸重循環荷載作用下，冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層未出現明顯的局部凸起、磨損、刺穿或破碎現象，狀態良好，并且其防水功能依然完好。

3)根據耐道砟水平向磨耗試驗可知，鋪裝層與道砟之間的摩擦因數約為1.06。冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層具有較好的耐道砟水平向磨耗性能，在道砟摩擦粉碎的情況下，鋪裝層表面無明顯損傷。