某线框架板式轨道CA砂浆伤损动力试验研究

2013-09-04蔡世昱杨荣山

铁道标准设计 2013年2期

蔡世昱，周建，杨荣山

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

某线于2007年建成通车，铺设有CRTSⅠ型和Ⅱ型板式轨道，起初运行普通客运列车和动车，自2010年开始运行货车，据现场反映，在运行货车前无砟轨道已有破坏迹象，运行货车后破坏情况大为加剧。该线路CA砂浆采用灌注袋施工，现场调查表明，CRTSⅠ型板式轨道局部破坏较为严重，主要表现为:边角处砂浆竖向开裂，并呈弧状露出轨道板，显示砂浆层受到较强的挤压作用而破坏;砂浆脆化严重，部分砂浆已严重粉化，粉化的黑稀泥状物质中可见大量砂粒.本次现场试验主要针对框架板式轨道CA砂浆伤损进行动力测试试验，从而分析CA砂浆伤损(碎裂、掉块等)修复前后钢轨及轨道板的动力学响应，评估CA砂浆伤损对轨道结构受力和行车安全的影响，以及针对现场CA砂浆碎裂等病害的现有修复技术加以评估。

1 试验概况

本次试验地点位于该线某路桥过渡段处路基侧，轨道结构类型为框架板式无砟轨道。试验针对一块轨道板进行，该轨道板位于路桥过渡段路基侧，轨道板左侧距离桥头10 m左右，轨道板右侧距离龙凤隧道100 m左右，所处位置受力较为复杂。现场测试轨道板如图1所示，图中圆圈为CA砂浆伤损位置。

图1 框架板式轨道CA砂浆损伤动力测试

1.1 试验工况

(1)工况一:左端CA砂浆伤损位置未修补，右端CA砂浆伤损位置使用SKD803修补胶修补;

(2)工况二:左端 CA砂浆伤损位置使用SKD803修补胶修补，右端 CA砂浆伤损位置使用SKD803修补胶修补，后保持不变;

(3)工况三:左端CA砂浆伤损位置和右端CA砂浆伤损位置均使用SKD801填缝胶进行灌缝施工。

1.2 试验内容

(1)测试3种工况，列车荷载作用下钢轨垂向加速度、垂向位移响应;

(2)测试3种工况，列车荷载作用下轨道板垂向加速度、垂向位移响应。

1.3 测点布置

在CA砂浆伤损位置的线路一侧钢轨上布置加速度计位置2个(左端和右端)、位移计位置3个(左端、中部和右端)，轨道板上布置加速度计位置3个(左端、中部和右端)、位移计位置3个(左端、中部和右端)。

在CA砂浆伤损位置的线路另一侧轨道板上布置加速度计位置3个(左端、中部和右端)。

共计布置加速度计8个，位移计6个。具体测点布置如图2所示。

图2 框架板式轨道CA砂浆伤损动力测试测点布置示意

1.4 测试方法

(1)用弹片式位移计测试3种工况下各测点的钢轨、轨道板垂向位移响应;

(2)用加速度计测试3种工况下各测点的钢轨、轨道板垂向加速度响应。

2 试验数据分析

由于该线属于客货混跑线路，本次试验针对测试数量较多的CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4种机车类型进行数据处理分析。数据处理过程中舍弃个别明显存在偏差的数据，取剩余数据的均值和峰值进行以下对比分析。需要说明的是，由于机车车辆轴重不一，故提取数据时CRH1型按前两节机车计，其他3种机车类型按机车计。本次试验涉及的4种类型机车车辆基本参数如表1所示。

表1 4种机车类型基本参数

测试数据显示列车上行和下行对轨道结构动力响应没有明显影响，故此处不做分析。

2.1 钢轨动力响应分析

试验测试了CA砂浆伤损位置线路一侧的钢轨垂向加速度响应(左端和右端)，以及钢轨垂向位移响应(左端、中部和右端)。钢轨作为列车荷载直接作用于基础，分析钢轨的垂向动力响应可以有效评估CA砂浆伤损对行车安全性和舒适性影响。

2.1.1 钢轨垂向加速度

三种工况下，各种机车类型对应的钢轨垂向加速度响应如表2所示。

表2 列车荷载作用下钢轨垂向加速度响应 ×g

由表2可以得出以下结论:

(1)在列车荷载作用下，CA砂浆伤损左端位置钢轨垂向加速度和CA砂浆伤损右端位置钢轨垂向加速度响应基本一致，并且在修复前后无明显变化;

(2)对于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4种机车类型，在同种工况下，列车荷载作用下钢轨垂向加速度响应大小顺序依次为SS7C型＞CRH1型＞HXD3C型＞HXD1C型;对于 SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3种轴重比较接近的机车类型，行车速度越大，列车荷载作用下钢轨垂向加速度响应越大，表明在CA砂浆伤损位置，钢轨垂向加速度响应对行车速度较为敏感;对于SS7C型和CRH1型两种机车类型，CRH1型行车速度约是SS7C型的1.5倍，SS7C型机车轴重约是CRH1型的1.4倍，而SS7C型列车荷载作用下钢轨垂向加速度响应约为CRH1型的1.3倍，表明在CA砂浆伤损位置，钢轨垂向加速度响应对列车轴重较为敏感。

2.1.2 钢轨垂向位移

3种工况下，各种机车类型对应的钢轨垂向位移响应如表3所示。

由表3可以得出以下结论:

(1)在列车荷载作用下，CA砂浆伤损左端位置、无CA砂浆伤损中部位置和CA砂浆伤损右端位置钢轨垂向位移响应基本一致，并且在修复前后无明显变化;

(2)对于SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3种轴重比较接近的机车类型，在同种工况下，列车荷载作用下钢轨垂向位移响应基本一致;SS7C型、HXD3C型、HXD1C型和CRH1型相比，前3种列车轴重较大，而后一种列车轴重较小，虽然后一种列车行车速度较大，前3种列车荷载作用下对应位置钢轨垂向位移响应仍为后一种列车荷载作用的2～3倍，表明在列车行车速度不高(低于200 km/h)的情况下，钢轨垂向位移响应对列车轴重较为敏感。

表3 列车荷载作用下钢轨垂向位移响应 mm

2.2 轨道板动力响应分析

试验测试了CA砂浆伤损位置线路一侧的轨道板垂向加速度响应(左端、中部和右端)及轨道板垂向位移响应(左端、中部和右端)。并且测试了CA砂浆伤损位置线路另一侧的轨道板垂向加速度响应(左端、中部和右端)。

轨道板一方面承受来自列车荷载经钢轨和扣件传递来的动荷载，另一方面直接置于CA砂浆填充层之上，在列车荷载作用下对CA砂浆伤损状态有直接的感应。因此，对轨道板的垂向动力响应分析可以有效评估CA砂浆伤损对轨道结构受力以及耐久性影响，是制定CA砂浆伤损修复技术指标的重要依据。

2.2.1 轨道板垂向加速度

3种工况下，各种机车类型对应的轨道板垂向加速度响应如表4所示。

由表4可以得出以下结论:

(1)在列车荷载作用下，在CA砂浆伤损线路一侧，CA砂浆伤损左端位置、CA砂浆伤损右端位置轨道板垂向加速度响应是无CA砂浆伤损中部位置的3倍左右，在伤损修复后减小到1～2倍，即伤损部位修复后，轨道板垂向加速度响应沿纵向趋于均匀，而在伤损位置修复前后轨道板垂向加速度响应并无明显变化;

(2)在列车荷载作用下，CA砂浆伤损线路一侧与线路另一侧相比，轨道板垂向加速度响应量值和规律均比较一致，表明伤损虽然发生在轨道板一侧，轨道板垂向加速度响应沿横向比较一致;

表4 列车荷载作用下轨道板垂向加速度响应 xg

(3)对于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4种机车类型，在同种工况下，列车荷载作用下钢轨垂向加速度响应大小顺序依次为SS7C型＞HXD3C型＞CRH1型＞HXD1C型;对于SS7C型、HXD3C型和CRH1型机车类型，速度较低轴重较重的前两种机车较速度较高轴重较轻的动车的列车荷载作用下轨道板垂向加速度响应大的多，表明在CA砂浆伤损位置，在行车速度不高(低于200 km/h)的情况下，轨道板垂向加速度响应对列车轴重更为敏感;同样对于SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3种轴重比较接近的机车类型，行车速度越大，列车荷载作用下轨道板垂向加速度响应越大，表明在CA砂浆伤损位置，轨道板垂向加速度响应对行车速度也较为敏感。

2.2.2 轨道板垂向位移

3种工况下，各种机车类型对应的轨道板垂向位移响应如表5所示。

表5 列车荷载作用下轨道板垂向位移响应mm

由表5和图3～图6可以得出以下结论:

(1)在列车荷载作用下，对于工况一，CA砂浆伤损左端位置和CA砂浆伤损右端较无CA砂浆伤损中部位置轨道板垂向位移响应沿纵向呈现“两边高中间低”的现象;对于工况二，CA砂浆伤损左端位置经SKD803修补胶修补后，左端位置轨道板垂向位移明显降低;对于工况三，CA砂浆伤损左端位置和右端位置经SKD801填缝胶灌缝后，轨道板垂向位移响应沿纵向明显区域均匀，表明CA砂浆伤损修复后，轨道板结构整体受力明显改善;

(2)工况二和工况一相比，对于 CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4种机车类型，列车荷载作用下CA砂浆伤损左端位置轨道板垂向位移响应均值分别从0.140、0.187、0.189 mm和0.180 mm降低到0.060、0.122、0.111 mm 和 0.124 mm，表明使用SKD803修补胶后，修补胶对降低轨道板垂向位移响应作用明显;

(3)工况三和工况二相比，对于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4种机车类型，列车荷载作用下CA砂浆伤损左端位置轨道板垂向位移响应均值分别从0.060、0.122、0.111 mm和0.124 mm降低到0.023、0.035、0.027 mm 和 0.045 mm，表明使用SKD801填缝胶后，可能由于填缝胶或者修补胶随着时间的强度变化因素影响，轨道板垂向位移响应继续明显降低;

(4)对于4种机车类型，在同种工况下，SS7C型、HXD3C型、HXD1C型3种机车类型列车荷载作用下钢轨垂向位移响应均较CRH1型要大，表明在列车行车速度不高(低于200 km/h)的情况下，轨道板垂向位移响应对列车轴重更为敏感。