重载铁路用道砟垫设计研究

郄录朝

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

有砟轨道结构是散粒体结构，道砟颗粒之间总是存在着空隙，在外荷载作用下，道砟颗粒相互错动，空隙减小，道砟颗粒各接触点(面)之间出现破碎、粉化，使颗粒排列更加紧密。

桥隧地段线下基础为刚性，比路基区段的轨道刚度大，在30 t轴重重载列车作用下道砟更容易破碎脏污，降低道床弹性缓冲功能，加剧轮轨之间冲击，增加养护维修难度和工作量。其主要表现在以下几个方面:①路基与桥隧过渡段刚度改变，测试表明，桥上轨道模量比路基上轨道模量高出14 000～24 000 kN/m/m;②轨道刚度的差异使轮轨冲击加剧，增加了轨道变形和沉降，导致轨道不平顺;③桥上轨道刚度比路基区段大，而轨道阻尼的相对改变不明显，这会导致轨道部件性能急速恶化，加速道砟的破碎和粉化。

因此，重载铁路桥上有砟轨道结构应采取措施，降低轨道的刚度，减少道砟粉化，延长养护维修周期。

1 重载铁路道砟垫应用概况

日本新干线、德国高速铁路、台湾高速铁路均在桥上有砟轨道中使用道砟垫，以提高轨道的弹性，改善道砟的受力状况。

1)国际铁路联盟的717R(UIC Code717R)规范建议，在桥上采用有砟轨道是保持轨道结构连续性最有效的方法，如有需要，可在道砟和桥面之间垫入弹性垫层以降低轨道的刚度，使桥上轨道与相邻路基上轨道有相近的竖向刚度。

2)德国铁路的《标准轨距铁路轨道规范》(DS82001)中规定，在人工建筑物，如混凝土桥或钢桥桥面、隧道或槽形结构物上应铺设能提高轨道弹性的道砟垫。德国铁路对刚性基础上推荐使用的道砟垫型号为USM4015，静态模量为0.150 N/mm3。

3)澳大利亚NSW铁路运输公司2011年8月新制定的道砟标准(ESC 240)明确规定在桥上要采取措施降低轨道刚度，建议采用道砟垫，道砟垫设计要考虑排水等桥梁设计的要求。道砟垫具体使用情况见表1。道砟垫的形式主要有鞋钉式、开孔式、板式等，不同形式道砟垫性能见图1。

表1 桥、隧地段刚性基础上道砟垫推荐刚度

4)我国南京长江大桥铁路线路由两侧引桥上的有砟轨道和桥上无砟轨道组成。在经历近40年的运营实践后，特别是重载快速条件下轨道结构已明显不适应运输形势的变化，表现为:由于引桥有砟轨道的道砟厚度不足，出现道床稳定性差、变形快、维修周期短等情况;沿线路纵向的明桥和有砟桥出现明显的刚度差异，造成线路刚度不均匀，影响列车的运行品质。

图1 不同形式道砟垫性能

根据南京长江大桥有砟桥的线路条件，设计铺设道砟垫以改善其弹性。桥上道床厚25 cm，设计了3种厚度的橡胶道砟垫进行铺设，厚度分别是20，25，30 mm。通过仿真计算和现场测试得出:铺设道砟垫对低频轮轨力、钢轨和轨枕的垂向位移、钢轨和轨枕的振动加速度有一定改善;对道床垂向位移、道床振动加速度有明显改善效果(道床垂向位移可增加50%以上，道床振动加速度可降低45%以上);道砟垫对动力响应的影响与列车速度、轨道不平顺波长和波深的关系不大;30 mm厚度的道砟垫对道床的弹性改善效果较好，且其产生的轨道整体动刚度与明桥面的较接近，有利于实现明桥面和引桥的刚度过渡。

2 道砟垫面刚度取值研究

使用道砟垫后桥上的轨道刚度应与路基上的轨道刚度一致，如果桥上和路基上采用轨道结构一致，则采用道砟垫后的道床刚度与路基道床刚度一致即可。表2为有砟轨道路基段和桥梁段道床刚度测试结果。

表2 有砟轨道道床刚度测试结果

根据铁路轨道强度检算，道砟垫的当量支承刚度Ks=Kb桥Kb路基/(Kb桥－Kb路基)，其中，Kb路基为路基道床支承刚度，取80 kN/mm;Kb桥为桥上道床支承刚度，取170 kN/mm;Ks则为151 kN/mm。根据德国资料，半根轨枕下砟下胶垫的受力面积为0.6 m2。德国采用B70混凝土轨枕，枕底面积5 930 cm2，中国Ⅲ型轨枕的枕底支承面积7 720 cm2，与德国B70枕面积比为1.3，因此Ⅲ型枕半根轨枕下砟下胶垫的受力面积为0.78 m2，道砟垫的面刚度(静态模量)C=Ks/0.78=0.194 N/mm3。

3 我国重载铁路用道砟垫设计研究

3.1 道砟垫性能和结构设计

根据国内外道砟垫技术资料和计算分析，提出我国重载铁路用道砟垫刚度技术参数:静态模量为(0.15±0.01)N/mm3;动态模量与静态模量比不大于2.4。考虑制造和铺设，根据经验，道砟垫总厚度取15 mm，另外道砟垫表面用帘子布保护防破损。道砟垫宽1.25 m，长度按生产需要设计，道砟垫结构形式如图2所示。

图2 道砟垫尺寸(单位:mm)

3.2 道砟垫室内试验

1)道砟垫静动刚度试验

进行道砟垫静动刚度试验时，最大荷载加载至0.25 N/mm2，取0.02～0.10 N/mm2的割线模量为道砟垫模量。

试验结果表明:0.02～0.10 N/mm2对应的道砟垫割线模量为0.140～0.154 N/mm3，满足静态模量(0.15±0.01)N/mm3的技术要求，5 Hz荷载作用下的动静刚度比为1.30～1.58，满足德国道砟垫供货技术条件[1]要求(＜2.4)。

2)道砟垫疲劳性能试验

在室内采用两块1.0 m×0.5 m道砟垫试件，按30 t的换算荷载，进行总计1 250万次的疲劳荷载试验(图3)。疲劳试验前后道砟垫静态模量变化率为3.76%，试验后未发现有明显的破损，道砟垫接头也未发现伤损。

图3 道砟垫疲劳试验(单位:mm)

3)道砟垫使用效果试验

为测试道砟垫使用效果，结合疲劳荷载试验测试了试验前后道砟粒径级配、道砟粉化、道床刚度和累积变形。

试验前后道砟粒径级配曲线变化见图4。由图可见:试验前后道砟粒径级配均无明显变化，道砟损失率仅为1.02%，但室内试验由于设备限制，不能完全模拟现场的高频冲击，具体使用效果还需现场试验进一步验证。道床累积变形统计见图5，由图可见，在初始时道床还不稳定，道床累积变形较大，在加载10万次以后，累积变形开始趋于收敛。道床静、动刚度变化统计见图6和图7，由图可见，铺设道砟垫后道床始终保持良好的弹性。

图4 疲劳试验前后道砟粒径级配曲线

图5 道床累积变形

图6 道床静刚度变化

图7 道床动刚度变化

4 结语

道砟垫静态模量为0.140～0.154 N/mm3，满足(0.15±0.01)N/mm3的技术要求;5 Hz荷载作用下的动静刚度比为1.30～1.58，满足＜2.4的技术要求。

疲劳试验前后道砟垫静态模量变化率为3.76%，试验后未发现有明显的破损，道砟垫接头也未发现伤损。铺设道砟垫后道床道砟粉碎率很小，轨道弹性保持能力较好。

目前，道砟垫已在山西中南部铁路通道长镇道大桥进行了铺设试验。

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