曾志平，何賢豐，余志武，魏煒

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075；3. 中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

鐵路運輸是國民經(jīng)濟的大動脈，重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低等優(yōu)點，20世紀(jì)50年代以來受到世界各國的廣泛重視[1?4]。LI等[5]提出了一種用于數(shù)值模擬軌道輪廓磨損的方法，并將其應(yīng)用于中國的重載鐵路。戴公連等[6]探討了在既有鐵路簡支梁橋上運行30 t軸重重載列車的可行性。目前，世界各國重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)形式主要為有砟軌道。隨著運量、軸重和行車速度增加，重載鐵路有砟軌道的劣化狀態(tài)極易出現(xiàn)惡性循環(huán)，導(dǎo)致維修工作頻繁[7]?？紤]無砟軌道具有壽命長、穩(wěn)定性好、維護費用低、平順性好、降低隧道凈空等優(yōu)點[8]，國內(nèi)外針對重載鐵路長大隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性開展了研究工作。王繼軍等[9]結(jié)合目前國內(nèi)新建重載煤運通道建設(shè)工程，在總結(jié)國外重載鐵路及國內(nèi)客貨混運鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，研究了重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道的選型原則，并對國內(nèi)外典型無砟軌道結(jié)構(gòu)特點進行分析，初步提出了重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)方案，為我國重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展提供借鑒。趙勇等[10]利用瓦(塘)日(照)鐵路 30 t軸重重載綜合試驗段對隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動特性進行了研究。杜香剛等[11]建立了30 t軸重重載列車作用下彈性支承塊式、雙塊式和長枕埋入式無砟軌道多節(jié)點模型，從靜動力特性、疲勞性能等方面開展了對比試驗。高速鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)[12]，已成功應(yīng)用于成灌、盤營、鄭徐等多條高速鐵路。國內(nèi)針對高速列車作用下 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)靜動力特性進行了大量的研究。孫璐等[13]選取高速鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)靜力特性分析；同時計算分析車輛荷載在不同位置處的無砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力大小，以及無砟軌道結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的臨界荷位和最不利位置。吳斌等[14]針對高速列車荷載作用下路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)動力特性進行試驗研究。但縱觀這些研究成果，重載列車作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的理論和試驗研究鮮見報道，而開展重載列車作用下 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性研究，對于我國重載鐵路運輸?shù)陌l(fā)展、我國無砟軌道的推廣和技術(shù)水平的提高、以及重載鐵路軌道技術(shù)體系的完善具有重要意義。由于重載鐵路隧道地段對無砟軌道的需求尤為迫切，本文針對重載列車作用下隧道內(nèi) CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能建立了1:1足尺試驗?zāi)Ｐ停⑦M行了800萬次疲勞試驗，獲得了各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能變化規(guī)律，對于重載鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究具有參考價值。

1　試驗方案

1.1　CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗?zāi)Ｐ?/h3>

采用1塊標(biāo)準(zhǔn)軌道板長度的結(jié)構(gòu)體系作為試驗研究對象。結(jié)合實際結(jié)構(gòu)體系，試驗?zāi)Ｐ陀射撥?、扣件、預(yù)制軌道板、自密實混凝土層、隔離層以及鋼筋混凝土底座等部件組成。試驗?zāi)Ｐ偷闹谱魅鐖D1所示。

圖1　模擬隧道內(nèi)CRTSⅢ型板式無砟軌道足尺試驗?zāi)Ｐ椭谱鱂ig. 1　Manufacturing the full-scale test model of CRTSⅢ slab ballastless track structure in simulated tunnel

軌道板在軌道板廠按實際工藝要求進行制作，長寬高分別為5 600 mm×2 500 mm×200 mm。底座和自密實混凝土等均嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙和施工工藝要求施工制作，其中底座長寬高分別為 5 650 mm×2 900 mm×300 mm，施工過程中預(yù)埋相應(yīng)的測試元件。本試驗?zāi)Ｐ偷闹С谢A(chǔ)以1塊剛性鋼筋混凝土板模擬，模擬隧道內(nèi)無砟軌道的剛性支承。

1.2　測試內(nèi)容及元器件布置

具體測試內(nèi)容：鋼軌相對于軌道板位移、軌道板相對于底座位移、軌道板加速度、底座板加速度、軌道板表面混凝土應(yīng)變、自密實混凝土應(yīng)變和底座混凝土應(yīng)變。測試元件主要包括位移計、加速度計、應(yīng)變片和應(yīng)變計。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，沿板縱向板中、加載點正下方和板端為 3個特征截面，結(jié)合文獻[18]中各結(jié)構(gòu)層布筋設(shè)計，各測試元件布置方式如圖2所示。圖2(a)中，自密實混凝土層應(yīng)變計距離自密實混凝土層下表面36 mm，底座上、下層混凝土應(yīng)變計分別距離底座上、下表面50 mm。圖2(b)中，對于自密實混凝土層，x=650 mm，y=2 900 mm；對于底座，x=850 mm，y=2 825 mm。圖2(b)中，Q，F(xiàn)，H，S，L和T分別代表縱向1/4、縱向3/4處、縱向板中和橫向板中、橫向板邊、縱向和橫向，例如：Q-H-T代表板縱向1/4處橫向板中橫向應(yīng)變；圖2(c)中，1~6位移計測鋼軌相對于軌道板位移，7~12位移計測軌道板相對于底座位移，13~18加速度計測軌道板加速度，19~24加速度計測底座加速度。

圖2　測試元件布置圖Fig. 2　Layout of test element

1.3　加載方案

模擬隧道內(nèi) CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)體系試驗依托高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室的PMW-1200電液式脈動疲勞試驗機進行。作動器設(shè)置在軌道板正中間，荷載通過作動器施加于縱向分配梁上，再通過兩根橫向分配梁作用于軌道結(jié)構(gòu)上，根據(jù)文獻[15]，2根橫向分配梁間距取為1.83 m，加載方式如圖3所示。

圖3　CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗加載方式Fig. 3　Test loading method of CRTSⅢ slab ballastless track

圖4　試驗荷載時程曲線Fig. 4　Test loading curve

試驗中采用簡化計算法求得模擬動荷載，根據(jù)重載鐵路的發(fā)展趨勢，最大軸重按30 t計，根據(jù)文獻[16]，豎向疲勞檢算活載取為靜輪載的1.5倍，設(shè)計疲勞荷載上限值取90 t，疲勞荷載下限值按下限值/上限值=0.1確定，取為9 t。為了研究軌道結(jié)構(gòu)的疲勞效應(yīng)，在動載試驗過程中穿插進行靜載試驗。動載加載曲線如圖4所示。

2　實驗結(jié)果分析

2.1　扣件豎向剛度

根據(jù)文獻[17]，鋼軌扣件動、靜剛度計算公式如下：

式中：K為節(jié)點剛度，kN/mm；F1和 F2為向被測系統(tǒng)的鋼軌施加的最小和最大荷載，kN；D1和 D2為鋼軌的最小和最大位移，mm。

試驗測得鋼軌相對于軌道板豎向位移最大值的變化曲線和扣件豎向動靜剛度比變化曲線如圖 5所示, 隨著荷載作用次數(shù)增加，鋼軌相對于軌道板靜態(tài)、動態(tài)位移逐漸減小。前 50萬次，動、靜態(tài)位移減小值均在0.01 mm以內(nèi)，說明位移基本沒有變化，此時扣件處于彈性階段，無殘余累積變形；50萬次至300萬次，平均每作用50萬次，靜態(tài)、動態(tài)位移分別減小0.03 mm和0.02 mm，位移變化幅度較大；300萬次至800萬次，荷載平均每作用100萬次，靜態(tài)、動態(tài)位移分別減小0.04 mm和0.03 mm。鋼軌相對于軌道板豎向位移的變化反映了扣件豎向剛度的變化，疲勞荷載作用800萬次，動靜剛度比保持在1.5~1.55之間，說明動靜剛度比變化不大。經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，鋼軌節(jié)點靜剛度增加 8.95%，小于文獻[17]中規(guī)定的 25%?？奂Q向剛度增加幅度的變化曲線如圖6所示，荷載作用前50萬次，動、靜剛度變化幅度均在2%以內(nèi)，說明疲勞初始階段扣件豎向剛度變化不大，50至800萬次，剛度隨著作用次數(shù)基本呈線性增加，且動、靜剛度的增加幅度具有一致性，作用800萬次后，扣件豎向動、靜剛度分別增加24.77%和23.94%。

2.2　隔離層剛度

隔離層壓縮量的變化反映了隔離層剛度的變化，試驗測得軌道板相對于底座的位移最大值變化曲線和隔離層動靜剛度比變化曲線如圖7所示，隨著作用次數(shù)的增加，軌道板相對于底座靜態(tài)、動態(tài)位移逐漸減小，重載作用前300萬次，隔離層不斷被壓縮導(dǎo)致位移減小較快，靜態(tài)位移平均以 0.01 mm/50萬次減小，動態(tài)位移平均以0.01 mm/100萬次減小，300萬次至800萬次，位移變化曲線趨于平緩，隔離層剛度不斷增加，而動靜剛度比保持在1.6~1.7之間，隨著作用次數(shù)的增加比值略有減小，作用800萬次后，動靜剛度比減小6.4%。隔離層剛度增加幅度的變化曲線如圖8所示，作用前300萬次，隔離層動、靜剛度變化較快，變化幅度隨著疲勞荷載作用次數(shù)基本呈線性增加。隔離層動、靜剛度分別在作用600和550萬次后增加1倍，作用800萬次后，隔離層動、靜剛度分別增加 1.52倍和1.36倍。

圖5　位移和動靜剛度比變化曲線Fig. 5　Variation curve of displacement and static stiffness ratio

圖6　豎向動、靜剛度增加幅度Fig. 6　Increasing range of the vertical dynamic stiffness and static stiffness

圖7　位移和動靜剛度比變化曲線Fig. 7　Variation curve of displacement and dynamic and static stiffness ratio

圖8　隔離層動、靜剛度增加幅度Fig. 8　Increasing range of the dynamic stiffness and static stiffness of isolation layer

2.3　結(jié)構(gòu)層豎向加速度

試驗測得軌道板和底座豎向加速度最大值隨著作用次數(shù)的變化曲線如圖9所示。隨著作用次數(shù)增加，軌道板豎向加速度逐漸減小，底座豎向加速度逐漸增加。對比圖6和圖8可知，隔離層剛度比扣件剛度變化明顯較快，隔離層剛度的變化對結(jié)構(gòu)層加速度的影響起到主導(dǎo)作用，隨著隔離層剛度的增加，軌道板豎向加速度逐漸減小，而底座豎向加速度逐漸增加。作用前300萬次，軌道板和底座豎向加速度變化較快，300萬次至800萬次，變化曲線趨于平緩，這與隔離層剛度變化特征具有一致性。作用800萬次后，軌道板豎向加速度從66.1 mg減小到 42.3 mg，減小 36.0%；底座豎向加速度從29.8 mg增加到49.9 mg，增加67.4%。

圖9　軌道板和底座豎向加速度變化曲線Fig. 9　Variation curve of the vertical acceleration of the track panel and base

2.4　結(jié)構(gòu)層應(yīng)力

試驗中通過應(yīng)變計和應(yīng)變片測得結(jié)構(gòu)層混凝土應(yīng)變，再通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線求得應(yīng)力。

加載點正下方軌道板上表面各測點處應(yīng)力變化曲線如圖10所示(正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力，下同)，隨著荷載作用次數(shù)增加，軌道板表面混凝土應(yīng)力變化幅度不大，疲勞荷載作用800萬次后，軌道板上表面Q-H-T，Q-H-L，Q-S-T和Q-S-L處混凝土應(yīng)力大小分別從0.13，0.48，0.59和1.13 MPa減小到0.1，0.43，0.52和1.07 MPa，分別減小23.1%，10.4%，11.9%和5.3%。

圖10　軌道板上表面混凝土應(yīng)力變化曲線Fig. 10　Variation curve of the upper surface concrete stress of the track plate

自密實混凝土板縱向1/2截面處(H-H-T，H-HL，H-S-T和H-S-L)應(yīng)力變化如圖11所示，從圖中可以看出，板縱向1/2截面處，自密實混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在H-S-L處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在H-H-T處，且最大拉應(yīng)力比最大壓應(yīng)力大，這將對自密實混凝土的受力產(chǎn)生不利影響。隨著作用次數(shù)增加，自密實混凝土應(yīng)力逐漸減小，作用 800萬次后，H-H-T，H-H-L，H-S-T和 H-S-L處應(yīng)力值分別從0.54，0.75，0.85和1.09 MPa減小到0.37，0.58，0.71和0.92 MPa，分別減小31.5%，22.7%，16.0%和15.6%。

圖11　自密實混凝土應(yīng)力變化曲線Fig. 11　Variation curve of the self-compacting concrete stress

圖12　底座混凝土應(yīng)力變化曲線Fig. 12　Variation curve of the base concrete stress

底座板縱向1/2截面處(上層H-H-T，下層H-HT，下層H-S-T和上層H-S-L)混凝土應(yīng)力變化如圖12所示，在板縱向1/2截面處，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下層H-S-T處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上層H-H-T處，最大壓應(yīng)力值要比最大拉應(yīng)力值大。底座應(yīng)力隨著荷載作用次數(shù)的增加而逐漸增加，作用800萬次后，上層H-H-T，下層H-H-T，下層H-S-T和上層H-S-L處應(yīng)力值分別從0.61，0.19，0.29和0.16 MPa增加到0.77，0.32，0.45和0.32 MPa，分別增加26.3%，66.7%，55.6%和 100.0%?？奂偠群透綦x層剛度的增加，將對結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力產(chǎn)生不利影響，尤其對于底座應(yīng)力影響較大。

3　結(jié)論

1) 重載疲勞荷載作用下，鋼軌相對于底座位移逐漸減小，反映出扣件豎向剛度逐漸增加，而動靜剛度比變化不明顯；作用800萬次后，扣件豎向動、靜剛度均增大約1/4。

2) 重載疲勞荷載作用下，CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)隔離層剛度顯著增加，其動、靜剛度在疲勞荷載分別作用 600萬次和 550萬次之后即增加1倍。

3) 重載疲勞荷載作用下，受隔離層剛度增加的影響，軌道板和自密實混凝土應(yīng)力略有降低，但其最大應(yīng)力可達1 MPa。

4) 相對于軌道板和自密實混凝土，重載疲勞荷載作用下底座加速度和應(yīng)力較小，但均呈逐漸增加之勢，這將對支承基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和底座疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。

5) 試驗研究成果將為重載鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計、動靜力學(xué)特性計算和疲勞分析等提供依據(jù)。

參考文獻：

[1] WANG Pu, GAO Liang, HOU Bowen. Influence of rail cant on wheel-rail contact relationship and dynamic performance in curves for heavy haul railway[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 3(365?366): 381?387.

[2] FENG Fenling, LAN Dan, YANG Liuwen. Analysis on the synergy evolutionary development of the collecting,distributing, and transporting system of railway heavy haul transportation[J]. Discrete Dynamics in Nature and Society, 2012, 10(1): 348?349.

[3] Marich S, Walker W. The evolution of railway research and development at a heavy haul railway[J]. Journal of Rail and Rapid Transit, 1993, 207(26): 89?98.

[4] González-Nicieza C, álvarez-Fernández M I, Menéndez-Díaz A, et al. Failure analysis of concrete sleepers in heavy haul railway tracks[J]. Engineering Failure Analysis, 2008, 15(1/2): 90?117.

[5] LI Xia, YANG Tao, ZHANG Jian, et al. Rail wear on the curve of a heavy haul line—numerical simulations and comparison with field measurements[J]. Wear, 2016,1(366/367): 131?138.

[6] 戴公連, 朱俊樸, 閆斌. 重載列車與既有鐵路簡支梁橋的適應(yīng)性研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 11(2):7?13.DAI Gonglian, ZHU Junpu, YAN Bin. The adaptability research of heavy haul trains and existing railway simply-supported bridge[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(2): 7?13.

[7] WEI Wei, ZENG Zhiping, WU Bin, et al. Dynamic characteristics of railway subgrade under heavy haul train[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering,2017, 22(1): 209?232.

[8] 劉學(xué)毅. 客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社, 2010: 25?32.LIU Xueyi. Design theory and method of passenger dedicated line ballastless track[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2010: 25?32.

[9] 王繼軍, 尤瑞林, 杜香剛, 等. 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析[J]. 鐵道建筑, 2013, 1(5): 132?136.WANG Jijun, YOU Ruilin, DU Xianggang, et al.Analysis on type selection of ballastless track structure in heavy-haul railway tunnel[J]. Railway Engineering, 2013,1(5): 132?136.

[10] 趙勇. 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)振動特性研究[J].鐵道建筑, 2016, 1(3): 136?141.ZHAO Yong. Research on vibration performance of ballastless track structure in heavy-haul tunnel[J].Railway Engineering, 2016, 1(3): 136?141.

[11] 杜香剛, 尤瑞林, 劉偉斌, 等. 30 t軸重重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型試驗研究[C]// 鐵路重載運輸技術(shù)交流會論文集. 北京: 中國鐵道出版社, 2014:314?318.DU Xianggang, YOU Ruilin, LIU Weibin, et al.Experimental study of type selection of ballastless track structure in 30 t axle heavy-load railway tunnel[C]//Proceedings of the Symposium on Heavy-haul Railway Transportation Technology. Beijing: China Railway Publishing House, 2014: 314?318.

[12] 王宇航, 王繼軍. CRTSⅢ型板式無柞軌道結(jié)構(gòu)的多尺度有限元模型[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2015, 12(3):468?474.WANG Yuhang, WANG Jijun. Multi-scale finite element model for CRTSⅢ type slab ballastless track structures[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(3):468?474.

[13] 孫璐, 段雨芬, 楊薪. 高速鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2013, 30(11):32?39.SUN Lu, DUAN Yufen, YANG Xin. Static response analysis of CRTSⅢ ballastless track structure[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2013, 30(11): 32?39.

[14] 吳斌, 朱坤騰, 曾志平, 等. 列車荷載作用下 CRTSⅢ型板式無砟軌道力學(xué)特性試驗研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 13(7): 1229?1233.WU Bin, ZHU Kunteng, ZENG Zhiping, et al.Experimental study on the mechanical characteristics of CRTSⅢ slab ballastless track under train load[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(7): 1229?1233.

[15] 劉聰, 彭立敏, 雷明鋒, 等. 軸重30 t重載列車作用下新黃土區(qū)隧道適應(yīng)性及強化措施研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 13(4): 730?739.LIU Cong, PENG Limin, LEI Mingfeng, et al.Adaptability and strengthening research of 30 t axle heavy-haul railway tunnel in new loess area[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(4): 730?739.

[16] TB10621—2014, 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].TB10621—2014, Code for design of high speed railway[S].

[17] TB/T 3396.3—2015, 高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第 3部分：組裝靜剛度的測定[S].TB/T 3396.3—2015, Test methods for fastening systems of high-speed railway-Part 3: Determination of static stiffness for fastening assembly[S].

[18] 中國鐵道科學(xué)研究院. 高速鐵路 CRTSⅢ型板式無砟軌道通用參考圖[R]. 北京: 中國鐵道科學(xué)研究院,2014.China Academy of Railway Sciences. General reference drawing of CRTSⅢ type slab ballastless track in high speed railway[R]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2014.