吳斌，朱坤騰，曾志平,2，余志武,2，魏煒

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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列車荷載作用下CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道力學(xué)特性試驗(yàn)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(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的疲勞性能，針對(duì)高速列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究?；谲壍?路基動(dòng)力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，建立CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)1:1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開(kāi)展720萬(wàn)次疲勞荷載試驗(yàn)，獲得了各層動(dòng)力特性演化特征。研究結(jié)果表明：隨著列車荷載作用次數(shù)增加，隔離層壓縮變形、軌道板加速度、自密實(shí)混凝土應(yīng)力減小，而底座加速度和應(yīng)力增大。根據(jù)隔離層壓縮變形量的變化規(guī)律，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸，得到隔離層剛度隨荷載作用次數(shù)變化的關(guān)系式。研究成果對(duì)于指導(dǎo)服役狀態(tài)下CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究及狀態(tài)評(píng)估有參考價(jià)值。

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道；試驗(yàn)；力學(xué)特性；隔離層剛度

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道作為我國(guó)自主研發(fā)的新型板式軌道結(jié)構(gòu)，在我國(guó)應(yīng)用的時(shí)間較短，其受力性能受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-4]。何燕平[5]運(yùn)用有限元軟件ABAQUS和MSC.FATIGUE，以經(jīng)典的疲勞損傷理論為依據(jù)，研究了CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞特性。高亮等[6]通過(guò)建立縱橫垂向空間耦合有限元計(jì)算模型，針對(duì)路基上Ⅲ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的單元式和縱連式兩種設(shè)計(jì)方案在溫度荷載、列車荷載、混凝土收縮及基礎(chǔ)沉降變形作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比分析。韋合導(dǎo)[7]在系統(tǒng)分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的主要結(jié)構(gòu)體—軌道板、自密實(shí)混凝土和底座等部件進(jìn)行受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中國(guó)鐵道科學(xué)院等[8]通過(guò)建立軌道結(jié)構(gòu)靜力有限元模型和車輛-軌道-基礎(chǔ)耦合動(dòng)力分析模型，對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)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(guān)鍵參數(shù)及靜動(dòng)力特性開(kāi)展了系統(tǒng)研究。本文基于軌道-路基動(dòng)力模型試驗(yàn)平臺(tái)，建立了1:1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停槍?duì)高速列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了720萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，獲得了各層動(dòng)力特性演化特征。

1　試驗(yàn)概況

1.1路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)依托高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)而開(kāi)展，采用1: 1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。路基在模型槽?nèi)進(jìn)行填筑，并鋪設(shè)一塊軌道板。除了軌道板等預(yù)制件之外，路基、底座、自密實(shí)混凝土等均嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，采用與施工現(xiàn)場(chǎng)一致的原材料和施工工藝，由專業(yè)化隊(duì)伍在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝制作。

1.2測(cè)試內(nèi)容及元件布置

測(cè)試內(nèi)容主要包括隔離層壓縮變形(通過(guò)測(cè)量軌道板與底座相對(duì)位移得到)，加速度(軌道板、底座)，縱橫向應(yīng)變(軌道板、自密實(shí)混凝土、底座)。測(cè)試元件主要包括應(yīng)變片、應(yīng)變計(jì)、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(xiàn)，H，S，L和T分別代表縱向1/4，縱向荷載作用點(diǎn)，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(yīng)變。

(a)位移計(jì)、加速度計(jì)和表面應(yīng)變片；(b)軌道結(jié)構(gòu)各層應(yīng)變計(jì)(c) 橫斷面圖圖1　測(cè)試元件布置圖Fig.1 Layout of test element

1.3加載方式

采用多個(gè)激振器來(lái)模擬高速列車荷載的加載系統(tǒng)。該動(dòng)力加載裝置不僅能提供不同軸重，不同列車運(yùn)行速度下的動(dòng)力荷載，而且考慮了相鄰車廂相鄰轉(zhuǎn)向架不同輪對(duì)之間動(dòng)荷載的疊加效應(yīng)。作動(dòng)器布置方案如圖2所示。基于路基上CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立三維有限元力學(xué)分析模型，求得相鄰車廂的相鄰轉(zhuǎn)向架不同輪對(duì)通過(guò)軌道時(shí)扣件節(jié)點(diǎn)的反力時(shí)程，結(jié)合MTS伺服加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)輸入時(shí)程曲線要求，對(duì)扣件反力時(shí)程曲線進(jìn)行Fourier變換，通過(guò)疊加得到作動(dòng)器加載輸入時(shí)程曲線如圖3所示，荷載作用一次相當(dāng)于相鄰車輛轉(zhuǎn)向架的四個(gè)輪對(duì)各作用一次，通過(guò)不同作動(dòng)器之間加載時(shí)程的相位差模擬不同車輪對(duì)軌道作用的時(shí)間差。

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

圖3　軸重17 t時(shí)速350 km時(shí)程加載曲線Fig.3 Time-histories load curve at 17 t axle-load,350 km/h

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行了720萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)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(shí)混凝土應(yīng)變最大值(H-H-T自、H-H-L自、H-S-L自)、底座應(yīng)變最大值(H-H-L底下、H-S-L底下)隨荷載作用次數(shù)的變化如圖4～圖6所示。位移最大值、軌道結(jié)構(gòu)加速度隨荷載作用次數(shù)變化幅度如圖7所示，位移最大值、軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)變隨荷載作用次數(shù)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(shù)增加而減小。荷載作用80萬(wàn)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(wàn)次到240萬(wàn)次時(shí)，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(wàn)次，隔離層壓縮變形最大值減小0.01 mm；荷載作用480萬(wàn)次到600萬(wàn)次時(shí)，荷載每增加80萬(wàn)次，隔離層壓縮變形最大值減小0.01 mm；荷載作用720萬(wàn)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(shù)增加而減小，而底座加速度隨荷載作用次數(shù)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(wàn)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?yōu)?: 0.94。由此可見(jiàn)，隔離層剛度增加，其減振性能下降，導(dǎo)致軌道板加速度減小，底座加速度增加，對(duì)路基的穩(wěn)定性不利。

由圖5、圖6和圖8可知，自密實(shí)混凝土應(yīng)變最大值隨荷載作用次數(shù)減小，底座應(yīng)變最大值隨荷載作用次數(shù)增加而增大。其中，底座應(yīng)變?cè)黾臃群臀灰谱畲笾档淖兓染哂休^好的一致性，而自密實(shí)混凝土應(yīng)變減小幅度比位移最大值的變化幅度小。荷載作用720萬(wàn)次后，H-H-T自應(yīng)變從10με減小到6με，H-H-L自應(yīng)變從16με減小到12με，H-S-L自應(yīng)變從27με減小到22 με，減小幅度分別為40%、25%、19%；H-H-L底下應(yīng)變由6 με增加到9 με，H-S-L底下應(yīng)變由6 με增加到10 με，增加幅度分別為50%和67%。由此可見(jiàn)，隔離層剛度增加可能導(dǎo)致自密實(shí)混凝土應(yīng)變減小，而底座拉應(yīng)力增加，對(duì)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(shí)混凝土應(yīng)變變化圖Fig.5 Variation chart of self-compacting strain

圖6　底座應(yīng)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(yīng)變?cè)黾臃菷ig.8 Change range of displacement and strain

3　隔離層剛度變化關(guān)系式

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隔離層剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力有重要影響。根據(jù)隔離層壓縮變形量的測(cè)試結(jié)果，利用軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型[9]，每隔若干疲勞荷載次數(shù)計(jì)算一次隔離層剛度，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸[10]并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p化，得到隔離層剛度隨荷載作用次數(shù)變化的關(guān)系，如式(1)所示。實(shí)測(cè)曲線和擬合曲線如圖9所示，從中可見(jiàn)，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(shù)，百萬(wàn)次。

圖9　實(shí)測(cè)曲線和擬合曲線對(duì)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(xiàn)[8]的實(shí)測(cè)值0.45N/mm3接近。由此可以推算，疲勞荷載作用次數(shù)為700，1 930，4 110和7 370萬(wàn)次時(shí)，隔離剛度可能增加1倍，2倍，3倍和4倍，如按照每小時(shí)發(fā)20列8節(jié)編組的高速列車計(jì)算[5]，可以換算得到對(duì)應(yīng)的服役時(shí)間分別約為4.6，13.7，29.4和52.6a。

4　結(jié)論

1)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)隔離層剛度隨高速列車荷載作用次數(shù)增加而增大，導(dǎo)致底座應(yīng)力和加速度大幅增加，可能對(duì)底座的疲勞性能和路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2)根據(jù)隔離層壓縮變形量的變化規(guī)律，提出了隔離層剛度隨高速列車荷載作用次數(shù)變化的關(guān)系式，對(duì)于預(yù)測(cè)服役狀態(tài)下CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有參考價(jià)值。

3)考慮水、溫度等環(huán)境因素作用下，隔離層剛度的變化規(guī)律及其對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響有待進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)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(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2016ZZTS396)；高鐵CRTSⅢ型板無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)研究(SY2016G001)；南昌鐵路局科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201524)；高速鐵路基礎(chǔ)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(UI334203)

曾志平(1975-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，從事鐵路軌道結(jié)構(gòu)研究；Email：hzzp7475@126.com

U213

A

1672-7029(2016)07-1229-05