桥上纵连板式无砟轨道系统关键技术试验研究



桥上纵连板式无砟轨道系统关键技术试验研究

郭建光

(沪昆铁路客运专线江西有限责任公司，江西 南昌 410075)

桥上纵连板式无砟轨道(CRTSⅡ型板式无砟轨道)系统由钢轨、扣件、纵向连续的轨道板和底座板、滑动层、梁体、高强度挤塑板、侧向挡块等部件组成。该型轨道除在桥梁固定支座处采用剪力齿槽与梁体固结外，底座板下部均采用摩阻系数极小的滑动层与梁体隔离，轨道与桥梁形成一种复杂的叠合梁体系，多种荷载作用下，轨道各层结构之间、轨道与桥梁间均存在着非线性相互作用，其工作状态极为复杂。由于理论研究不充分、设计与运营经验不足，随着服役期的延长，桥上纵连板式无砟轨道已出现不同程度的劣化现象(尤以砂浆层离缝现象最为突出)，已成为影响桥上纵连板式无砟轨道工作性能和服役品质的关键问题。砂浆层离缝现象的诱因可总结为无砟轨道非线性温度变形、砂浆层界面黏结力不足、列车动力作用下的疲劳损伤等[1]。针对桥上纵连板式无砟轨道的薄弱环节，课题组在中国铁路总公司的支持下，联合中南大学等单位，结合沪昆客专综合试验段，开展了以下试验研究：1)无砟轨道结构非线性温度场测试；2)砂浆层界面约束性能测试；3)列车作用下无砟轨道动力响应测试。

1无砟轨道非线性温度场测试

在太阳辐射的作用下，轨道板、底座板和桥梁结构间相互遮挡，轨道板、底座板在竖向和横向上存在着非线性温度梯度，当环境气温交替变化时，轨道板竖向反复产生翘曲变形，是导致轨道板与砂浆充填层间离缝、轨道板上拱的主要原因[2]。因此，有必要研究适用于桥上纵连板式无砟轨道的非线性温度荷载模式。既有研究的不足主要表现在以下几方面[3-6]：无砟轨道设计时关于温度荷载往往按轨道板和底座板整体升降温计，或按现行桥梁规范中的桥梁竖向温差考虑；相关现场试验多存在测试时间过短、布点过于简单等问题。

1.1试验方案

以沪昆客运专线曲线段多跨长联32 m简支梁为例，开展桥上纵连板式无砟轨道温度场测试。在底座板钢筋和轨道板接缝处安装温度传感器。考虑到靠近结构表面温度变化较快，故在靠近表面处对传感器进行加密布置(混凝土最小保护层厚度取为5 mm)。考虑到底座板存在超高，故在结构横向设置多个截面，累计安装传感器达27个，布置方式见图1。

图1　温度传感器布置方案Fig.1 Arrangement thermometers in unballasted track

温度传感器线缆依次经过桥面泄水孔、腹板通风口接入箱梁内部的数据采集仪，采用太阳能蓄电池供电，通过GPS传输模块远程发送测试数据。数据采样间隔为0.5 h，目前已连续观测近18个月。

1.2测试结果

轨道板中部、底座板中部、轨道结构上下表面温差汇见图2。

(a)轨道板温差分布规律;(b)底座板温差分布规律;(c)轨道结构整体温差分布规律图2　轨道结构竖向温差实测数据Fig.2 Measured data on vertical temperature difference of track structure

从图2可以看出，在与外界环境的热交换过程中，轨道结构温度呈现正负交替变化。观测期内，轨道板竖向温差为-3.2~5.8 ℃；由于底座板受到轨道板的遮挡，其温度变化相对较缓，其竖向温差为-2.0~3.5 ℃；轨道结构整体竖向温差为-10.0~18.8 ℃。文献[6]基于神经网络算法，认为温差高、风速大的极端条件下，轨道板竖向温差可达12 ℃。

基于实测数据，晴朗少云天气下竖向平均正温差分布曲线拟合如下[5]：

T=15.85×e-7.81y

(1)

式中，y为距离顶面距离，m。平均负温差曲线为：

T=-8.06×e-4.3y

(2)

拟合结果中相关系数的平方均超过0.9。

2砂浆层界面约束性能测试

作为轨道板和底座板的连接层，砂浆层界面约束性能是保证桥上纵连板式无砟轨道系统正常服役的关键[7]。砂浆层一旦发生伤损，将影响轨道结构的平顺性、耐久性和稳定性。随着砂浆层约束能力的不断丧失，在极端条件下，还可能引起轨道板失稳，严重威胁高速列车的行车安全[8-9]。为获取现场砂浆层界面约束能力，课题组开展大型现场足尺模型试验。

2.1试验方案

为确保砂浆层灌注质量的一致性，设计和制作了大型足尺试验平台，可同时进行4块板的纵向推板试验、3块横向推板试验和3块竖向提板试验，见图3。

图3　大型试验平台Fig.3 Large test platform

采用与施工现场相同的原材料、配方、搅拌工艺、灌注工艺进行砂浆的搅拌、灌注，待养护时间达到28 d后开始进行推板试验，测试轨道板与底座板间充填层纵向受力与位移对应关系，并记录砂浆破坏形式及破坏面位置。

其中，纵推试验方案布置方案见图4，为保证纵推、横推时加载端能均匀受力，纵推时在千斤顶后端放置钢梁，钢梁与轨道板完全贴合。采用多个千斤顶同时加载，通过同步顶升系统保证每个千斤顶同步加载。

图4　纵向推板试验方案示意图Fig.4 Diagram of vertical push plate test program

千斤顶前端安装压力计，轨道板顶面、侧面分别布置应变计。在纵推过程中，采用CCD Camera微观位移测量系统实时记录轨道板应变及轨道板-底座相对位移。

2.2测试结果

以3号板为例，轨道板前端界面相对位移如图5所示。

(a)荷载-轨道板纵向位移；(b)荷载-轨道板竖向位移图5　荷载-界面位移曲线Fig.5 Load-interface displacement curve

从图5可得，随着荷载的逐渐加大，其纵向位移的发展快于竖向位移。在加载的很长一段时间内，均以纵向位移为主，直至快达到粘结承载力，竖向位移才迅速发展。各阶段测试结果见表1。

表1各测点临界位移与临界荷载

Table 1 Critical displacement and critical load of measuring points

弹性阶段破坏阶段荷载/t纵向位移/mm荷载/t纵向位移/mm16.33测点1测点2测点3测点4测点5测点6平均值—0.00700.0010.0050.0090.00421.42测点1测点2测点3测点4测点5测点6平均值—0.0880.0650.0670.070.0790.074平均刚度:36371.364kN/mm平均刚度2844.390kN/mm

试验过程中，荷载均匀施加至轨道板轴向截面上，最终均以轨道板在砂浆层表面滑移开或撕开的形式破坏，CCD微观位移测试结果表明，整个过程中，砂浆层上缘切向位移很小基本可以忽略，试验中测得的轨道板与底座板的相对位移即可认为是轨道板与砂浆层的相对位移。证明轨道板单独受到纵(横)向和竖向荷载时，砂浆层与轨道板界面的粘结力不足以将轨道板上的荷载传递至砂浆层及其以下的结构。通过高倍显微镜观测发现，砂浆层上表面存在大量细小的气孔，之间导致了砂浆层界面粘结力的大幅度减弱。

3列车作用下无砟轨道动力测试

为研究车型不同时速列车激励下桥上纵连板式无砟轨道各构件之间的动力响应及相互作用规律[10]，以及结构振动竖向传递与衰减规律，课题组开展了桥上纵连板式无砟轨道动力响应测试。

3.1测试方案

选择沪昆客专杭长段地质条件相对单一、墩柱刚度差异不大的多跨简支梁桥进行动力测试：分别在轨道板、底座板、桥面板、支座、墩顶、承台顶布置加速度传感器与位移传感器，在钢轨、箱梁腹板、底板处布置动应变片，采用无线网络远程同步传输测试数据，通过自动检测装置，实时记录不同速度列车通过后的横向和竖向加速度、振幅等参数，试验装置示意图见图6。

数据采集历时逾百天，采集到91 d试验数据，共测得975趟列车通过时的振动情况，其中加速度数据14 823组、位移数据13 616组。

图6　梁端截面测试元件布置图Fig.6 Test element layout of beam end section

3.2测试结果

CRH380A-001列车以5 km/h速度经过测点时，梁体跨中位移如图7所示。

图7　梁体跨中竖向动位移Fig.7 Vertical dynamic displacement of beam midspan

各类型列车作用下，车致振动从钢轨→轨道板→底座板→桥面→墩台→地面，结构各层竖、横向加速度从上至下呈现明显的逐渐减小趋势，振动衰减较为明显。钢轨传递振动给轨道板和底座板的传递率偏小，桥面及以下各层振动传递率较大。其中，对于梁体跨中的竖向振动，钢轨→轨道板的振动层间传递率小于3%，轨道板→底座板的传递率均小于16%，底座板→桥面的传递率小于67%，桥面→墩台的传递率为13%~41%，墩台→地面的传递率为13%~30%。

轨道板-底座板间相对位移远大于底座板-桥面板间相对位移，竖向相对位移均大于横向相对位移。测试车型各工况下，轨道板-底座板竖向相对位移最大值为0.244 2 mm，横向相对位移最大值0.036 3 mm；底座板-桥面板竖向相对位移最大值为0.027 8 mm，横向相对位移最大值0.016 9 mm。

4结论

1)桥上纵连板式无砟轨道竖向存在非线性温度梯度，距离混凝土表面越近温度变化越剧烈。观测期间，轨道板内部温差为-3.2~5.8 ℃，轨道结构竖向温差为-10.0~18.8 ℃。晴朗少云天气下竖向平均温差符合指数分布。

2)砂浆层上表面与轨道板界面极为薄弱，黏结力小于博格公司试验值，在无砟轨道设计和养维中应予以重视，实测弹性阶段，砂浆层纵向平均刚度为36 371.364 kN/mm。

3)列车作用下，钢轨、轨道板、底座板、桥面、墩台、地面振动衰减明显，钢轨为高频振动，其他部件依次降低。轨道板-底座板间相对位移大于底座板-桥面板间相对位移，竖向位移大于横向位移，证明砂浆层在耗能和传力当中起着重要作用。

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(编辑阳丽霞)

摘要:作为桥上纵连板式无砟轨道系统的薄弱环节，砂浆层一旦发生损伤甚至脱空，将严重影响列车运行品质。围绕砂浆层界面工作性能这一关键课题，依托沪昆客专综合试验段，开展无砟轨道温度场长期观测、砂浆层界面黏结性能试验和桥上纵连板式无砟轨道动力测试，已取得阶段性成果。试验结果表明：桥上纵连板式无砟轨道竖向存在非线性温度梯度，轨道整体竖向温差可达-10~18.8 ℃，其竖向分布规律符合指数分布；砂浆层上表面与轨道板相接界面较为薄弱，其黏结力小于博格公司实验值，应予以关注；列车作用下，由上而下振动衰减明显，轨道板-底座板间相对位移大于底座板-桥面板间相对位移，再次证明了砂浆层在耗能和传力方面的重要作用。

关键词：铁路桥梁；高速铁路；无砟轨道；关键技术；试验研究

Key technology of longitudinal-continuous-plate unballasted track system on bridgeGUO Jianguang

(Shanghai-Kunming Railway Passenger Dedicated Line in Jiangxi Co., LTD, Nanchang 410075, China)

Abstract：Being a weak link of longitudinal-continuous-plate unballasted track system on bridge, it will seriously affect the quality of train operation once mortar layer is injured or void. Based on the comprehensive experimental section of the Shanghai-Kunming passenger line, the long-term observations of unballasted track temperature field, mortar layer interface bonding performance test and dynamic test of longitudinal-continuous-plate unballasted track on bridge were carried out in terms of work performance of mortar layer interface. The test shows that, there is a nonlinear vertical temperature gradient on longitudinal-continuous-plate unballasted track, and track overall vertical temperature can reach -10~18.8 ℃, and the vertical temperature distribution is comply with the exponential distribution; the interface of mortar layer surface and track plate is relatively weak, and its cohesive force is less than the Berg company's experimental value, which should be paid attention to; under the influence of the train load, top-down vibration attenuation is obvious, and the relative displacement of track plate-base plate is greater than that of base plate and bridge deck, which proves that the mortar layer plays an important role in energy consumption and force transmission.

Key words：railroad bridges; high speed railway; ballastless track; key technology; experimental study

中图分类号：U213.9

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0015-05

通讯作者：郭建光(1967-)，男，江西遂川人，高级工程师，从事无砟轨道相关研究；E-mail:2213156247@qq.com

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2014T003-D);中国博士后科学基金资助项目(2014M552158)

收稿日期：*2015-05-10