CRTSⅡ型板式無砟軌道板疲勞損傷規律研究

楊 洋，張志勤，吳 剛，曹大富

(1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225000；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

無砟軌道因具有穩定性好、壽命長、維修工作量少等優勢正逐漸取代傳統有砟軌道[1-4]。該種結構形式的軌道板在不同國家得到迅速發展，我國也將這種結構形式大量運用到在建和已完工的高速鐵路。但在我國高速鐵路系統中，無砟軌道板與ZPW-2000A軌道電路存在不兼容問題，產生該問題的主要原因是：以往的無砟軌道板內部有大量縱橫交錯的鋼筋網片，形成許多閉合回路，軌道電路中高頻電流與之發生電磁感應，使軌道電路一次參數改變，嚴重縮短軌道電路傳輸距離，且降低了列車運行的安全性[5-10]。

因此，為提高無砟軌道結構的絕緣性能，學者們針對軌道內部的鋼筋網片采取了三種絕緣方式：①在鋼筋網片的縱橫交點處添加塑料套管；②將縱向鋼筋替換為環氧鋼筋，橫向鋼筋保持不變；③將縱橫向鋼筋全部替換為環氧鋼筋。結果顯示，只要能將縱橫鋼筋形成的閉合回路消除，便能將鋼筋片對鋼軌阻抗參數的影響明顯降低[5,11-13]。此外，相關規范根據無砟軌道結構的絕緣性能，對軌道電路傳輸長度也提出不同要求[14-15]。然而，由于長期的移動輪載作用，軌道板的變形和裂縫寬度隨著荷載次數的增加而不斷增加，上述絕緣處理辦法(如添加熱塑套管或塑料卡子)，有可能進一步影響結構的疲勞性能，甚至安全性。田其義等[16]，禹雷[17]和王青等[18]等，研究了CRTSⅡ(China Railway Track System，CRTS)型板式無砟軌道板常幅疲勞性能，認為疲勞過程中軌道板的剛度和裂縫發展都比較穩定。其中，田其義等[16]認為在疲勞后期受力鋼筋出現了黏結滑移現象。文獻[16-18]中僅僅考慮了常幅疲勞條件下(疲勞下限Pmin=20 kN，疲勞上限Pmax=140 kN左右)軌道板的疲勞行為，而關于CRTSⅡ型無砟軌道板變幅疲勞性能以及設計方法尚未見相關報道。

因此，有必要對不同疲勞荷載作用下，采用絕緣措施的無砟軌道板的各性能指標(結構變形、截面剛度以及裂縫寬度)的損傷規律和設計方法進行研究。本文通過對無砟軌道板進行常幅疲勞和變幅疲勞加載試驗，研究其不同荷載條件下的疲勞性能，探討了無砟軌道板的撓度、裂縫和剛度損傷規律，并對其設計方法做了一定探索。

1 試驗概況

1.1 無砟軌道板的制作

CRTSⅡ型板式無砟軌道板見圖1，單塊板尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm，由10對承軌臺構成，板上有三個灌漿孔，用來注入瀝青水泥砂漿(CA砂漿)。本次疲勞試驗的測試對象為單塊承軌臺(將軌道板沿著預裂縫切割)，其尺寸分別為1 275 mm×650 mm×200 mm(軌道板中間，截面Ⅰ)和1 275 mm×550 mm×200 mm(軌道板邊緣，截面Ⅱ)。

1.2 材料

混凝土中水泥、細骨料、粗骨料和水的配合比為413∶668∶1 075∶150，骨料最大粒徑小于等于20 mm；減水劑摻量為15.95 kg/m3；摻合料使用礦粉和粉煤灰，其摻量為137 kg/m3?；炷恋膹姸鹊燃墳镃80，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[19]測得。軌道板內部布置縱橫向雙層鋼筋網片，其橫截面包括8 mm帶肋鋼筋(在縱橫向交叉點套熱塑套管)和10 mm的預應力筋；縱截面包括8 mm帶肋鋼筋(在縱橫向交叉點套熱塑套管)，20 mm的螺紋鋼筋和16 mm帶肋鋼筋。試驗板截面形式如圖2所示。

各板使用鋼筋的屬性見表1。其中，d為鋼筋的名義直徑，E為鋼筋的彈性模量，fy為鋼筋的屈服強度，fu為鋼筋的極限拉伸強度。鋼筋的拉伸試驗依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[20]進行。

表1 受力鋼筋的材料屬性

1.3 試件設計

本試驗共做6塊板，其中橫截面Ⅰ有4塊(編號為S-RC1、S-RC3、S-RC4和S-RC6)，橫截面Ⅱ有2塊(編號為S-RC2和S-RC5)。各板的8根非預應力鋼筋直徑都為8 mm(縱橫向鋼筋之間添加熱塑套管)，此外各板截面還有采用單向先張法施工的6根10 mm預應力鋼筋，預應力筋屈服強度、極限強度分別為1 449、1 725 MPa，總預應力值為409 kN。

1.4 加載過程及測試內容

整個試驗測試程序通過電液伺服試驗系統控制，采用力傳感儀來測試荷載值的大小。試驗板上布置三個百分表(±0.01 mm)，分別位于兩加載點處及跨中處，板的跨中撓度通過計算跨中和加載點處的豎向位移差得到。試驗開始前在軌道板的側面畫上間距40 mm的縱橫網格線以觀察裂縫發展。采用裂縫觀測儀(±0.01 mm)測量跨中出現的第一條裂縫。在各軌道板的跨中位置，混凝土上表面以及受力筋的表面分別粘貼100 mm和5 mm的應變片，測試混凝土的受壓應變和受力鋼筋的受拉應變。為防止不穩定性因素的出現，疲勞測試正式開始前，施加約極限荷載的5%于板上，靜置3～5 min后卸載至0。將各儀器上的數據清零后，進行疲勞測試。試驗加載程序開始階段與靜載加載類似，即以每一級20 kN加載至裂縫出現，之后每一級加載改為10 kN，一直加載至荷載上限Pmax，隨后卸載至0，完成上述操作后再以相同速率加載到Pmax。不斷重復加載卸載，疲勞循環測試便開始進行，各板的疲勞循環荷載值位于疲勞上限Pmax和疲勞下限Pmin之間，疲勞加載頻率均為5 Hz，Pmin均為20 kN。對于疲勞上限的選取，主要參考文獻[21-23]的荷載水平來選取，荷載水平范圍為0.500～0.675。而在我國動車組中，軸重最大為17 t，所以本文取最大靜輪載Pj=85 kN。因此疲勞上限分別?。?.76Pj=150 kN，2Pj=170 kN，2.12Pj=180 kN，2.29Pj=195 kN，2.38Pj=202.5 kN。完成指定次數的疲勞循環加載之后未產生破壞的板，卸載至0，通過靜力加載直至板件破壞，加載曲線如圖3所示。

對板S-RC1、S-RC2進行靜力試驗，主要目的是得到極限荷載Pu和極限位移，試驗得到板S-RC1和S-RC2的極限荷載分別為300、254 kN，極限位移分別為8.19、7.38 mm，兩塊板的最終破壞形態為靜態彎剪破壞。對板S-RC3、S-RC4和S-RC5進行常幅疲勞試驗，Pmin均設置為20 kN，Pmax分別為150 kN(0.5Pu)、202.5 kN(0.68Pu)、170 kN(0.67Pu)。若經過300萬次疲勞循環后構件仍未破壞，則通過靜力加載將構件加載至破壞。對板S-RC6進行變幅疲勞試驗，構件分多階段進行疲勞加載，其Pmin均設置為20 kN，第一階段Pmax=180 kN(0.6Pu)，循環200萬次，隨后進入下一階段，Pmax提高至下一級為195 kN，循環30萬次，完成后進入下一階段，Pmax提高至下一級荷載Pmax=202.5 kN，循環30萬次，如此直至構件出現疲勞破壞(僅疲勞循環8萬次后構件發生疲勞破壞)。構件疲勞加載次數和破壞形態如表2所示。

表2 構件疲勞加載過程和破壞形態

2 試驗結果分析

無砟軌道系統的受力狀態比較復雜，其結構自上至下的分布依次為：鋼軌、軌道板、CA砂漿層、底座和地基。眾多學者認為可以用均勻分布狀態來假定無砟軌道板的受力狀態[24-26]，盡管實際使用當中無砟軌道板的受力也是均勻分布的，但是需要將一些最不利的條件考慮其中。根據文獻[27]的要求，試驗構件采用三點受彎的加載方式。因為進行疲勞試驗所用構件在實驗室常溫條件下存放了一年以上，所以需對構件的預應力損失以及其表面裂縫情況作檢查：①軌道板的預應力損失情況，依據文獻[19]計算得到，預應力損失需要考慮到預應力松弛，混凝土收縮徐變產生的影響，計算結果顯示預應力損失僅為2.6%。②軌道板表面的裂縫情況，裂縫產生受混凝土徐變及收縮等各種因素的影響，經裂縫觀測儀仔細檢查后沒有發現初始裂縫的存在。此外，該類型無砟軌道的設計要求和其他部分預應力混凝土結構類似，需要關注軌道板的撓度大小和裂縫寬度[7-8]。因此，在對無砟軌道板的疲勞試驗研究當中需重點關注：無砟軌道板的疲勞壽命、撓度和殘余撓度、裂縫和殘余裂縫的發展規律，以及軌道板在疲勞循環加載過程中剛度的損傷規律等。

2.1 受力過程及破壞形態

通過疲勞循環加載的構件破壞模式分為疲勞后的靜態加載至彎剪破壞和疲勞循環中的鋼筋和預應力筋斷裂兩種。

表3 靜載測試結果

對于板S-RC3(Pmax=150 kN)，隨著疲勞循環次數的增加，構件中和軸高度迅速增加，跨中唯一豎向裂縫迅速上升，當達到截面高度的3/4時裂縫幾乎不再變化，經過300萬次疲勞循環之后構件未破壞，采用一次靜力加載將構件壓壞，試驗結果如表3所示。對于板S-RC4(Pmax=202.5 kN)，在疲勞初期(前50萬次)，跨中附近出現兩條豎向裂縫且迅速上升，僅經過43萬次循環，就出現了疲勞斷裂破壞。板S-RC5跨中出現兩條豎向裂縫，經過70萬次循環，也出現了疲勞斷裂破壞。試驗結束后，對軌道板進行剖切，觀察內部筋材的損壞情況，發現鋼筋和預應力鋼筋都已斷裂。對于板S-RC6(Pmax=180 kN)，經過前200萬次疲勞循環后，在板的跨中位置出現了兩條裂縫，中和軸的高度保持穩定幾乎不發生變化，當Pmax上升至195 kN經過30萬疲勞循環后，裂縫迅速向混凝土表面上升，中和軸高度也迅速上升，當Pmax=202.5 kN，經過8萬次疲勞循環后軌道板最終疲勞斷裂。同樣對軌道板進行剖切并觀察發現鋼筋以及預應力鋼筋幾乎都出現斷裂。很多學者在部分預應力混凝土結構中也發現了這種破壞形態[21-23]。

2.2 荷載-撓度曲線

各軌道板在疲勞周期內進行疲勞循環加載得到的荷載-撓度曲線如圖4所示。由圖可知，隨著循環次數的增加，撓度及殘余撓度不斷增加，而剛度則不斷減小。圖4中前半段曲線分布均較為稀疏，表示軌道板的撓度增加較為迅速，而后半段曲線分布比較密集，則表示撓度增加較為緩慢。在常幅疲勞加載條件下沒有達到300萬次疲勞壽命的板件的荷載-撓度曲線分布普遍都比較稀疏。這與文獻[23]的試驗結果一致。對于常幅疲勞加載下的板S-RC3，以0.5的荷載水平(Pmax=150 kN)經過300萬次疲勞循環后撓度達到0.929 mm；而對于橫截面尺寸較小的板S-RC5，當荷載水平增加到0.67(Pmax=170 kN)時，僅僅經過50萬次疲勞循環后，板件撓度已迅速增加到1.402 mm；對于橫截面尺寸相同的S-RC4，當荷載水平增加到0.68時(Pmax=202.5 kN，此時鋼筋已屈服)，僅僅20萬次循環后，其撓度已達到1.478 mm。可見，荷載水平(疲勞循環加載的荷載上限)控制結構變形的增加。對于變幅疲勞加載下的板S-RC6，當荷載水平為0.6(Pmax=180 kN)時，200萬次疲勞循環之后撓度達到1.290 mm，之后當Pmax增加到195 kN經過30萬次疲勞循環，撓度增加至1.420 mm，此時軌道板已經瀕臨破壞。

圖5為各板疲勞加載下的撓度-循環次數曲線。常幅疲勞加載下的板S-RC3曲線分為兩個階段：第一階段為加載的前50萬次，可看作疲勞加載初始階段，該階段隨著循環次數的增加，軌道板的撓度明顯增加；第二階段為加載50萬次之后，可視為穩定階段，該階段曲線比較平緩，撓度增長緩慢，直到300萬次循環時板件撓度變化均較小。對比變幅疲勞加載下板S-RC6的曲線較常幅疲勞加載下板S-RC3的曲線，可以清晰地觀察到第三個階段，即200萬次疲勞循環后撓度迅速增加的階段，該階段板S-RC6瀕臨破壞。對于常幅疲勞加載的板S-RC4和S-RC5，其曲線未觀察到穩定階段，疲勞循環開始后，板件撓度便迅速增加。

圖6為板S-RC3疲勞循環后靜載的荷載-撓度曲線。由于板S-RC3完成300萬次疲勞循環加載后未產生疲勞破壞，因此通過靜力加載將構件加載至破壞。與對比構件板S-RC1的荷載-撓度曲線相比較后發現，板S-RC3疲勞加載后的極限強度和極限位移與板S-RC1相差并不大。殘余撓度和殘余強度均為板S-RC1的97%。說明荷載水平較低情況下(1.76倍靜輪載)，對構件的強度和變形影響有限。詳細測試結果如表3所示。

2.3 荷載-裂縫曲線

經過三次疲勞循環，各軌道板開裂后(開裂荷載Pcr約為120 kN)，在軌道板的側面將裂縫發展過程標記出來并測量出裂縫寬度。各軌道板所選擇的疲勞循環次數完成之后，也將其側面裂縫發展過程標記出來，并測量裂縫高度。

對于S-RC3(荷載水平為0.5)，疲勞循環的前期，在板的跨中附近可以觀察到一條裂縫，隨著疲勞循環次數的增加，裂縫寬度和高度均增加。對于板S-RC4，S-RC5和S-RC6(荷載水平均超過0.6)，可以觀察到兩條裂縫，此外，在疲勞循環加載的過程中，并沒有斜裂縫的出現。

圖7為在不同疲勞循環次數下各板的荷載-裂縫曲線，均為Pmax所對應的最大裂縫寬度。從圖7中可以看出，隨著疲勞循環次數的增加，裂縫和殘余裂縫寬度增加較為明顯；曲線分布較密集的部分表示裂縫寬度增長較為緩慢，曲線分布比較稀疏的部分表示裂縫寬度增長速度較快，這與荷載-撓度曲線一致。經過300萬次疲勞循環后，板S-RC3(Pmax=150 kN)的裂縫寬度變化仍然較小，裂縫和殘余裂縫寬度分別為0.161、0.044 mm。隨著荷載上限的增加，板S-RC4(Pmax=202.5 kN)僅經過30萬次疲勞循環后裂縫寬度便增至0.444 mm；而板S-RC5(Pmax=170 kN)經過63萬次疲勞循環后，裂縫寬度增至0.506 mm，由此可見，裂縫的擴展速度受到荷載水平(疲勞循環加載的荷載上限)的控制。對于變幅疲勞加載下的板S-RC6，在Pmax=180 kN下經過200萬次疲勞循環后裂縫寬度達到0.220 mm，再經過Pmax=195 kN下疲勞循環30萬次后裂縫寬度陡增至0.529 mm，構件瀕臨斷裂。

圖8為各軌道板在疲勞循環加載后的裂縫寬度-循環次數曲線。由圖8可知，板S-RC3的曲線基本可以分為兩個階段：加載的前50萬次的疲勞加載初始階段和加載50萬次之后的穩定階段。而對于板S-RC6，其曲線相對于板S-RC3觀察到第三階段： 200萬次疲勞循環后裂縫寬度迅速增加的階段，該階段板S-RC6瀕臨破壞。對于常幅疲勞加載的板S-RC4、S-RC5，其曲線接近線性且未觀察到穩定階段，疲勞循環開始后軌道板裂縫寬度迅速增加。文獻[15]規定正常使用條件下軌道板的最大裂縫寬度Wmax≤0.15 mm，該要求主要考慮耐久性因素的影響。

2.4 荷載-應變曲線

圖9為軌道板受力筋應變和混凝土壓應變的曲線，板S-RC4、S-RC5由于試驗開始不久鋼筋和預應力筋就幾乎全部斷裂，受力筋的應變沒有記錄下來，只有少量的混凝土應變可以觀察到。由圖9可知，應變隨荷載和循環次數的增加而增加。對于常幅疲勞循環下的板S-RC3(Pmax=150 kN)，300萬次疲勞循環后混凝土應變ε≤350×10-6，而殘余應變ε≤80×10-6。對于變幅疲勞循環下的S-RC6，在Pmax=180 kN下循環200萬次后混凝土應變ε≤450×10-6；當Pmax增加到195 kN，僅疲勞循環30萬次后，混凝土應變ε≈650×10-6，由此可見疲勞上限對混凝土應變影響較大。

各板受力筋應變，幾乎都符合相應規律：曲線較稀疏的部分增加較快，而曲線較密集的部分增加較慢。另外，可以看出荷載上限對應變的增加速率影響較大：板S-RC3(Pmax=150 kN)、S-RC6(Pmax=180 kN)的殘余應變和最大應變均受到不同程度影響。

2.5 剛度衰減規律

采用試驗板的無量綱割線剛度(相對動態割線剛度)衰減曲線來反映軌道板剛度損傷程度，如圖10所示。E(n)為軌道板疲勞加載過程中對應循環次數n的割線剛度；E(0)為初始割線剛度。

割線剛度E(n)可定義為

E(n)=Pmax/(Δmax-Δr)

(1)

式中：Δmax為Pmax對應的撓度；Δr為荷載卸載后對應的殘余撓度。

由圖10可見，各板剛度隨循環次數的增加而降低，且荷載水平對剛度的影響較明顯。在常幅疲勞荷載下，板S-RC3(Pmax=150 kN，荷載水平為0.5)疲勞破壞前剛度降低了7.6%。在變幅疲勞荷載下，板S-RC6(Pmax=180 kN，荷載水平為0.6)在200萬次疲勞循環后剛度降低了14.6%；而在230萬次疲勞循環后剛度降低了36%。板S-RC4(Pmax=202.5 kN，荷載水平為0.68)和S-RC5(Pmax=170 kN，荷載水平為0.67)，剛度分別降低了43%和41%?？梢钥闯觯瑢τ赗C系列板最大荷載在荷載水平達到0.6之后，疲勞壽命開始降低，繼續增加荷載水平，疲勞壽命降低越快。

2.6 裂縫-應力關系

圖11為軌道板的最大裂縫寬度與受力筋應力的關系，即每一次靜載測試條件下結構的最大裂縫寬度和受力筋應力關系。

對于各軌道板，其最大裂縫寬度Wmax為

Wmax=(0.563fSteel+26.35)×10-3

(2)

式中：fSteel為受力鋼筋的應力。由疲勞測試數據可知，有絕緣處理方式的軌道板在最低的疲勞荷載水平下(1.76Pj)，雖然能夠完成300萬次疲勞循環，但裂縫寬度達到0.161 mm，而進一步增加荷載水平(2Pj、2.12Pj、2.2Pj、2.38Pj)裂縫寬度增加更顯著。而文獻[15]規定裂縫寬度Wmax≤0.15 mm，因此，根據式(2)可知，這種有絕緣處理方式的軌道板要滿足規范要求的裂縫寬度，應限制正常使用荷載的大小。對于正常使用荷載，日本和德國的標準都建議取1.47倍靜輪載，而我國秦皇島—沈陽段測試得到了1.57倍靜輪載[28-29]。因此，使用1.5倍靜輪載為本文的正常使用荷載。而在我國動車組中，最大的軸重為17 t，最大靜輪載為85 kN。因此，在正常使用荷載為127.5 kN條件下，圖11表明，有絕緣處理方式的軌道板可以滿足裂縫寬度要求。但是，對于極限使用荷載，日本標準使用3倍靜輪載，德國標準根據荷載實測數據確定[28-29]，而我國標準也建議3倍靜輪載作為疲勞檢算輪載[14]，因此取3倍靜輪載作為本文的極限使用荷載。在極限使用荷載為255 kN條件下，圖11表明，有絕緣處理方式的軌道板不能滿足裂縫寬度要求(試驗表明180 kN時就已經不滿足要求，裂縫寬度達到了0.220 mm)。本文的加載方式考慮了最不利的情況，即軌道板和CA砂漿層脫空的情況，因此采用簡支的方式加載。而實際情況是，軌道板受到的為CA砂漿層的均布荷載。本文測試結果，可給實際工程作為參考。綜上，無砟軌道板在較高荷載條件下不滿足規范對于疲勞應力為150 MPa的要求[15]，即Wmax=0.15 mm的要求。因此，限制結構的最大應力值和裂縫寬度是有必要的，特別對于變幅循環加載條件下的無砟軌道板。

3 結論

本文共對6塊CRTSⅡ板式無砟軌道板進行了測試，其中對2塊板進行了靜力測試，對4塊板進行了疲勞測試，加載方式采用三點加載。通過對3塊板進行常幅疲勞加載和對1塊板進行變幅疲勞加載來研究無砟軌道板的疲勞性能。測試參數為荷載水平和荷載加載順序。對無砟軌道板的破壞形態、撓度和殘余撓度、裂縫寬度和殘余裂縫寬度展開研究；在試驗結果基礎上，研究了結構剛度損傷規律，并給出了疲勞壽命的預測模型，得到了以下結論：

(1)CRTSⅡ板式無砟軌道板經過疲勞循環加載后的破壞形態為預應力筋和非預應力筋斷裂。

(2)CRTSⅡ板式無砟軌道板在荷載水平為0.5(Pmax=1.76Pj)時，能夠完成300萬次疲勞循環加載并且未發生破壞，最后通過靜力加載至剪切破壞。當荷載水平不超過0.6(Pmax=2.12Pj)時，經過疲勞循環加載后板內受力鋼筋已經屈服，若荷載水平繼續提高，軌道板易發生破壞。

(3)荷載水平控制結構的撓度和裂縫寬度的發展，在荷載水平為0.5條件下，撓度和裂縫寬度基本符合兩階段的發展規律；而荷載水平超過0.6后，撓度和裂縫寬度幾乎呈線性發展。

(4)疲勞荷載上限對無砟軌道板混凝土及受力筋應變影響較大，疲勞上限越大，應變增大速率越快。

(5)給出裂縫寬度和應力關系的擬合曲線供設計者參考，對于無砟軌道板來說，限制結構最大應力值和裂縫寬度是有必要的，特別是在變幅疲勞加載的情況下。