新型嵌入式道床结构性能试验研究

林晓波

(中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司， 上海 201339)

新型嵌入式道床结构性能试验研究

林晓波

(中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司， 上海 201339)

本文针对既有国内外嵌入式轨道存在轨距固定难、无缝线路温度稳定性不够好、轨道板翘曲、维修难、建设费用高、施工速度慢等缺点, 研发了一款综合现有嵌入式道床结构优点，同时避免了上述缺点的新型嵌入式道床结构。新型嵌入式道床结构由道床板、槽型钢轨、定位装置密封套、螺栓、轨距调整块、多孔自密实混凝土、纵向连接孔组成。板下和底座各有2条纵向凹槽，中间填充袋装自密实砂浆，两板通过螺杆连接。为了验证新型道床结构力学稳定性，仿真建造了一块1∶1道床。通过推力试验，检验道床横向抵抗力和对钢轨的纵向板约束力。试验结果表明，新型嵌入式道床横向抵抗力大于198 kN，钢轨的纵向约束力大于93 kN，完全满足任何地段的使用要求。

新型； 嵌入式轨道； 试验

现有已知的嵌入式道床结构主要是长枕或短枕埋入式结构，该结构的主要缺点是道床精度难以控制，维修困难，施工速度慢。1974年，荷兰铁路公司在混凝土桥上铺设了一种嵌入式轨道结构(ERS)，钢轨放置凹槽中，轨距通过楔形块调整，剩余空间填充聚氨酯和软木屑组成的混合材料，为减少用量，钢轨两侧还预先埋设空心管。通过40多年的运用实践证明，嵌入式轨道维修工作量小，减振降噪效果明显[2]。近几年，嵌入式轨道在欧洲国家得到一些运用，出现了现浇结构和板式结构两种形式。现浇结构是预先将钢轨套上高分子材料，然后分层现浇。板式结构轨道板长度约6 m，单块重量大约12 t。从国内外调研的情况看，现有嵌入式轨道存在轨距固定难、无缝线路的温度稳定性不够好、轨道板翘曲、维修难、建设费用高、施工速度慢等缺点[3]。针对现有嵌入式道床结构存在的缺点，本文提出了一款新型嵌入式道床结构，该结构综合现有嵌入式道床结构优点，同时避免了上述缺点。新结构由框架嵌入式道床板、袋装砂浆调整层、底座、中间绿化带等结构组成，如图1所示。道床的表面为草皮，下部有100 mm的种植土。土下是200 mm的砂滤层，砂下是单粒级的碎石层，由L型的预制板组成排水盲沟。

图1 新型嵌入式轨道结构图

1 新型嵌入式道床结构部件作用

新型嵌入式道床结构由道床板、槽型钢轨、定位装置密封套、螺栓、轨距调整块、多孔自密实混凝土、纵向连接孔组成。如图2所示。

图2 道床横断面

与现有的嵌入式结构相比，其显著特点是钢轨在凹槽中有调轨组件，调轨组件由螺栓、多边形的调整块、压紧块和压紧螺栓组成，对钢轨位移和应力起到限制和约束作用，方便施工和调整。且凹槽空间填充的是多孔自密实混凝土，有降噪和承受轨面荷载的作用。维修时只要锯开钢轨两侧的自密实混凝土，松开定位螺栓，钢轨就可以更换。施工完毕后的钢轨状态，如图3所示。

图3 施工完毕后的钢轨状态

为了便于施工，在道床板与底座之间通过袋装砂浆调制层来调整高度。同时考虑限位作用，在轨道板底和底座之间各设置一个凹槽，并通过砂浆袋组成十字形状，起到连接上下结构和限制道床纵横向位移的作用。

板与板之间通过螺杆连接，中间夹一层橡胶板，用于纵向缓解温度应力和调整变坡点转角，使道床线形平顺。

道床中心排水通过底座排水通道及底座PVC排水管排出。每块轨道板的底座长度小于轨道板长度，留有80 mm的排水通道，底座上还设置有PVC排水管，能将道床中部雨水向两侧盲沟排放，如图4所示。

图4 道床纵断面

2 嵌入式道床板

新型嵌入式道床板为普通钢筋混凝土结构，两侧凹槽内有轨距调整定位预埋套管，板的两端有联系梁，中间有3个连接孔，外观为框架型结构，板底有凹槽。如图5所示。

图5 新型嵌入式道床板

设计上，无缝线路钢轨温度应力处理方法是：(1)按照地区平均温度设计，当环境温度高于设计平均温度时，说明钢轨当前状态长度已经超过设计轨温时的长度，需要对膨胀量切割，然后焊接钢轨。当施工环境温度低于设计温度时[4]，说明当前钢轨长度短于设计轨温的长度，需要对钢轨一端约束，另一端进行张拉，达到设计轨温的长度后进行焊接。(2)如果环境出现极端温度差，首先保证钢轨不出现上拱，然后通过橡胶板缝进行应力释放。因此，设计上在进行轨道板平面布置时，板与板之间有10 mm的橡胶板缝，并通过3根纵向连接螺杆来平衡地基不均匀沉降导致的轨道不平顺。

嵌入式轨道板直线地段长度为4 990 mm，单块重量为62.5 kN，曲线地段轨道板根据最小曲线半径设计，外形为扇形，板长2 000 mm左右。

3 结构稳定性计算

为验证新道床结构能够抵抗列车运行和温度叠加产生的纵横向应力，保证列车运行安全，需要做结构的纵横向阻抗试验。

3.1 小曲线半径轨道横向力计算

根据北京交通大学赵影，范俊杰给出的计算方法[5]，列车通过小曲线半径时对轨道施加的横向力为：

(1)

式中：H——轨道横向力(kN/m);G——一个转向架承担的车体重量(kN);v——列车运行速度(km/h);R——曲线半径(m);h——曲线设置的外轨超高(mm)；s——线路钢轨中心间距(mm)。

为了城市社会车辆通行，一般在平交转弯地段有轨电车不设置外轨超高[6]。并且，有轨电车转弯半径较小，转弯时运行速度较慢。据此，假定有轨电车一个转向架的重量全部作用在一块轨道板上，曲线地段轨道板的长度为2 000 mm，轨道板的重量为25 kN。转向架的重量为120 kN，转向架轴距距离为1 500 mm，转弯曲线半径为30 m。运行速度为50 km/h，外轨超高为0 mm。列车通过时产生的横向力为78.74 kN/m。

3.2 无缝线路纵向温度应力

钢轨温度应力按照下式计算：

P=EAσΔT

(2)

式中：P——钢轨温度应力(N)；E——弹性模量(MPa);A——钢轨截面积(mm2);σ——膨胀系数(℃)； ΔT——温差(℃)。

由上式可知，无缝线路温度应力与钢轨长度无关，与温度变化有关。

弹性模量E=2.06×105MPa;槽型钢轨R59截面积A=74.07 mm2；膨胀系数σ=1.18×10-5℃；最大温差ΔT=50℃。根据温度应力计算结果，如果有50℃温度变化，钢轨产生的纵向力为9 kN。

4 结构试验

4.1 试验原理

通过给道床横向施加外力，测试道床移动瞬间抵抗外力的大小来确定结构的约束能力。同理，通过给钢轨端头施加外力，来测试钢轨调整组件和多孔自密实混凝土对温度应力和列车制动应力的约束能力。对此，开发了一套试验设备。该设备由液压千斤顶，测力传感器，位移计，信号转换模块，DCS芯片，软件共同组成。测试时，系统没秒钟记录一个测试数据，将测试数据连线，组成测试应力曲线和位移曲线。

4.2 道床横向约束力试验

(1)试验方案

按照设计图纸1∶1建造一块道床板，分别在钢轨端头和道床中部设置反力桩。用千斤顶，测量传感器、位移计组成的检测系统。当千斤顶推动到某个力值时，若钢轨或道床发生了位移，即认定此力值为阻抗力或约束力[7]。

(2)试验方法

在道床板中部安装1个千斤顶和1个测力传感器，对面安装3只位移传感器，测试中3只位移计中任何1只发生移动即停止试验，如图6所示。

图6 道床横向抵抗力试验

(3)试验结果

通过检验设备自动记录的力值和位移曲线可知，道床横向推力达到198.76 kN时最大位移值为0.3 mm，如图7所示。

图7 横向推力试验自动记录曲线

4.3 钢轨纵向约束力试验

钢轨纵向约束力试验方法：在钢轨头中部安装1个千斤顶和1个测力传感器，对面安装3只位移计，其中2只安装在被推的钢轨上，1只安装在侧面记录移动趋势。钢轨纵向约束力试验如图8所示, 钢轨纵向约束力试验位移安装部位如图9所示。

图8 钢轨纵向约束力试验

图9 钢轨纵向约束力试验位移安装部位

通过检验设备自动记录的力值和位移曲线可知，钢轨纵向推力达到93.29 kN时最大位移值为0.3 mm如图10所示。

5 试验结论

(1)新型嵌入式道床结构横向约束力最大值为198 kN，大于列车通过小曲线半径施加给道床的横向力，结构安全。

图10 纵向推力试验自动记录曲线

(2)新型嵌入式道床结构对钢轨的纵向约束力最大值为93 kN，满足极差温度应力和列车紧急制动产生的纵向力要求，结构安全。

[1] 王志文，张百岁.浅析钢轨嵌入式轨道结构的应用[J].山东工业技术，2015，34(2)：62. WANG Zhiwen, ZHANG Baisui. Analysis on the application of the embedded rail track structure[J]. Shandong Industrial Technology, 2015, 34(2): 62.

[2] 江小州，焦红林，杨刚，等.嵌入式轨道结构的声振特性参数优化研究[J].噪声与振动控制，2015，35(3)：10-14. JIANG Xiaozhou, JIAO Honglin，YANG Gang, et al. Study on optimization of acoustic vibration characteristic parameters of embedded track structure[J]. Noise and vibration control, 2015, 35(3): 10-14.

[3] 秦超红.嵌入式轨道线路稳定性研究[D].成都：西南交通大学,2014. QIN Chaohong. Research on the stability of embedded track circuit[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.

[4] TB 10015-2012 铁路无缝线路设计规范[S]. TB 10015-2012 Design specifications for railway seamless line [S].

[5] 赵影，范俊杰.铁路曲线状态下横向力的研究[J].北京交通大学学报，2002，26(4)：34-37. ZHAO Ying, FAN Junjie. Study on lateral force under the condition of railway curve[J].Journal of Beijing Jiaotong University, 2002, 26(4):34-37.

[6] GB 50490-2009 城市轨道交通技术规范[S]. GB 50490-2009 Technical specifications for urban rail transit[S].

[7] 韩峰.现代有轨电车小半径曲线无缝线路稳定性研究[D].兰州：兰州铁道学院,2002. HAN Feng. Research on the stability of the modern tram small radius curve seamless line[D]. Lanzhou: Lanzhou Railway Institute,2002.

(编辑：刘会娟 刘彦琳)

Research on Performance Test of a New Embedded Ballast Structure

LIN Xiaobo

(China Railway 23rd Bureau Group Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201339， China)

A new embedded ballast structure is researched and developed in the paper, which combining the advantages of the existing structure and overcomes the shortcomings of existing structure such as the slow construction speed, low accuracy, running vibration noise and the difficulty in maintenance. The new type of embedded ballast structure consists of ballast bed, channel rail, gauge adjusting block and porous self-compacting concrete. The bottom plate and the base are respectively with two longitudinal grooves, which are filled with the bagging self compacting mortar. The screws connect the two plates. In order to verify the dynamic stability of the new structure, the simulation ballast is constructed with a scale of 1:1. Through the thrust test to check lateral resistance and longitudinal resistance of the ballast, it shows that when the lateral resistance is greater than 198kN, the longitudinal resistance is greater than 93kN, which fully meets the use requirement of curve with small radius and any section.

a new type; embedded track; test

2016-07-01

林晓波(1963-)，男，工程师。 基金项目：四川省科技支撑计划项目(2014GZ0081)

1674—8247(2016)06—0044—04

U213.2

A