列车荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性试验研究

吴斌，朱坤腾，曾志平,2，余志武,2，魏炜

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)



列车荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性试验研究

吴斌1，朱坤腾1，曾志平1,2，余志武1,2，魏炜1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

为研究列车荷载作用下路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道的疲劳性能，针对高速列车荷载作用下路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构力学特性进行试验研究。基于轨道-路基动力模型试验系统，建立CRTSⅢ型板式无砟轨道结构1:1足尺试验模型，开展720万次疲劳荷载试验，获得了各层动力特性演化特征。研究结果表明：随着列车荷载作用次数增加，隔离层压缩变形、轨道板加速度、自密实混凝土应力减小，而底座加速度和应力增大。根据隔离层压缩变形量的变化规律，通过数据回归，得到隔离层刚度随荷载作用次数变化的关系式。研究成果对于指导服役状态下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构力学特性研究及状态评估有参考价值。

CRTSⅢ型板式无砟轨道；试验；力学特性；隔离层刚度

CRTSⅢ型板式无砟轨道作为我国自主研发的新型板式轨道结构，在我国应用的时间较短，其受力性能受到学者们的广泛关注[1-4]。何燕平[5]运用有限元软件ABAQUS和MSC.FATIGUE，以经典的疲劳损伤理论为依据，研究了CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的疲劳特性。高亮等[6]通过建立纵横垂向空间耦合有限元计算模型，针对路基上Ⅲ型板式无砟轨道结构的单元式和纵连式两种设计方案在温度荷载、列车荷载、混凝土收缩及基础沉降变形作用下的力学特性进行了计算与对比分析。韦合导[7]在系统分析和总结国内外无砟轨道结构的基础上，提出了CRTSⅢ型板式无砟轨道的总体设计方案，对CRTSⅢ型板式无砟轨道的主要结构体—轨道板、自密实混凝土和底座等部件进行受力分析和结构设计。中国铁道科学院等[8]通过建立轨道结构静力有限元模型和车辆-轨道-基础耦合动力分析模型，对CRTSⅢ型板式无砟轨道各部件的合理尺寸、扣件合理刚度、隔离层合理刚度、轨道部件功能定位等关键参数及静动力特性开展了系统研究。本文基于轨道-路基动力模型试验平台，建立了1:1足尺试验模型，针对高速列车荷载作用下路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构动力特性进行了720万次疲劳试验，获得了各层动力特性演化特征。

1　试验概况

1.1路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道试验模型

试验依托高速铁路建造技术国家工程实验室的轨道-路基动力试验系统而开展，采用1: 1足尺试验模型。路基在模型槽内进行填筑，并铺设一块轨道板。除了轨道板等预制件之外，路基、底座、自密实混凝土等均严格按照相关设计图纸，采用与施工现场一致的原材料和施工工艺，由专业化队伍在实验室进行安装制作。

1.2测试内容及元件布置

测试内容主要包括隔离层压缩变形(通过测量轨道板与底座相对位移得到)，加速度(轨道板、底座)，纵横向应变(轨道板、自密实混凝土、底座)。测试元件主要包括应变片、应变计、位移传感器、加速度传感器等，具体布置方式如图1所示。图1(b)中，Q，F，H，S，L和T分别代表纵向1/4，纵向荷载作用点，纵向板中和横向板中，横向板边，纵向和横向，例如：H-S-L代表纵向板中横向板边处纵向应变。

(a)位移计、加速度计和表面应变片；(b)轨道结构各层应变计(c) 横断面图图1　测试元件布置图Fig.1 Layout of test element

1.3加载方式

采用多个激振器来模拟高速列车荷载的加载系统。该动力加载装置不仅能提供不同轴重，不同列车运行速度下的动力荷载，而且考虑了相邻车厢相邻转向架不同轮对之间动荷载的叠加效应。作动器布置方案如图2所示。基于路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道的结构特点，建立三维有限元力学分析模型，求得相邻车厢的相邻转向架不同轮对通过轨道时扣件节点的反力时程，结合MTS伺服加载试验机对输入时程曲线要求，对扣件反力时程曲线进行Fourier变换，通过叠加得到作动器加载输入时程曲线如图3所示，荷载作用一次相当于相邻车辆转向架的四个轮对各作用一次，通过不同作动器之间加载时程的相位差模拟不同车轮对轨道作用的时间差。

(a)作动器布置图；(b) 作动器和分配梁图2　作动器布置方案Fig.2 Layout scheme of actuator

图3　轴重17 t时速350 km时程加载曲线Fig.3 Time-histories load curve at 17 t axle-load,350 km/h

2　试验结果及分析

进行了720万次疲劳试验。根据测试结果，得到隔离层压缩变形最大值、轨道板加速度最大值、底座板加速度最大值、自密实混凝土应变最大值(H-H-T自、H-H-L自、H-S-L自)、底座应变最大值(H-H-L底下、H-S-L底下)随荷载作用次数的变化如图4～图6所示。位移最大值、轨道结构加速度随荷载作用次数变化幅度如图7所示，位移最大值、轨道结构应变随荷载作用次数变化幅度如图8所示。

由图4可知，隔离层压缩变形最大值随荷载作用次数增加而减小。荷载作用80万次前，隔离层压缩变形最大值基本不变(0.16 mm)；荷载作用80万次到240万次时，隔离层压缩变形最大值呈较好的线性减小，荷载每增加40万次，隔离层压缩变形最大值减小0.01 mm；荷载作用480万次到600万次时，荷载每增加80万次，隔离层压缩变形最大值减小0.01 mm；荷载作用720万次后，隔离层压缩变形最大值减小0.08 mm，减小幅度为50%，即刚度增加1倍。

由图4和图7可知，轨道板加速度随荷载作用次数增加而减小，而底座加速度随荷载作用次数增加而增大。其中，底座板加速度增加幅度和位移最大值的变化幅度具有较好的一致性，而轨道板减小幅度比位移最大值的变化幅度小。荷载作用720万次后，轨道板加速度由4.20 m/s2减小到2.67 m/s2，减小幅度为36.4%；而底座加速度由1.68 m/s2增加到2.53 m/s2，增加幅度为50.6%；轨道板与底座加速度比值由1: 0.4变为1: 0.94。由此可见，隔离层刚度增加，其减振性能下降，导致轨道板加速度减小，底座加速度增加，对路基的稳定性不利。

由图5、图6和图8可知，自密实混凝土应变最大值随荷载作用次数减小，底座应变最大值随荷载作用次数增加而增大。其中，底座应变增加幅度和位移最大值的变化幅度具有较好的一致性，而自密实混凝土应变减小幅度比位移最大值的变化幅度小。荷载作用720万次后，H-H-T自应变从10με减小到6με，H-H-L自应变从16με减小到12με，H-S-L自应变从27με减小到22 με，减小幅度分别为40%、25%、19%；H-H-L底下应变由6 με增加到9 με，H-S-L底下应变由6 με增加到10 με，增加幅度分别为50%和67%。由此可见，隔离层刚度增加可能导致自密实混凝土应变减小，而底座拉应力增加，对底座的耐久性不利。

图4　位移和加速度随变化图Fig.4 Variation chart of displacement and acceleration

图5　自密实混凝土应变变化图Fig.5 Variation chart of self-compacting strain

图6　底座应变变化图Fig.6 Variation chart of base strain

图7　位移和加速度变化幅度Fig.7 Change range of displacement and acceleration

图8　位移和应变增加幅度Fig.8 Change range of displacement and strain

3　隔离层刚度变化关系式

由上述试验结果可知，隔离层刚度对轨道结构受力有重要影响。根据隔离层压缩变形量的测试结果，利用轨道结构动力学模型[9]，每隔若干疲劳荷载次数计算一次隔离层刚度，通过数据回归[10]并进行适当的减化，得到隔离层刚度随荷载作用次数变化的关系，如式(1)所示。实测曲线和拟合曲线如图9所示，从中可见，二者吻合良好。

(1)

式中：k为隔离层刚度，N/mm3；n为疲劳荷载作用次数，百万次。

图9　实测曲线和拟合曲线对比图Fig.9 Comparison between measured curve and fitting curve

由式(1)可知，疲劳荷载作用前(n=0)，隔离层刚度为0.42N/mm3，与文献[8]的实测值0.45N/mm3接近。由此可以推算，疲劳荷载作用次数为700，1 930，4 110和7 370万次时，隔离刚度可能增加1倍，2倍，3倍和4倍，如按照每小时发20列8节编组的高速列车计算[5]，可以换算得到对应的服役时间分别约为4.6，13.7，29.4和52.6a。

4　结论

1)CRTSⅢ型板式无砟轨道结构隔离层刚度随高速列车荷载作用次数增加而增大，导致底座应力和加速度大幅增加，可能对底座的疲劳性能和路基的稳定性产生不利影响。

2)根据隔离层压缩变形量的变化规律，提出了隔离层刚度随高速列车荷载作用次数变化的关系式，对于预测服役状态下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的力学特性有参考价值。

3)考虑水、温度等环境因素作用下，隔离层刚度的变化规律及其对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构力学特性的影响有待进一步开展试验研究。

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Experimental study on the mechanical characteristics of CRTSⅢslab ballastless track under train load

WU Bin1, ZHU Kunteng1, ZENG Zhiping1,2, YU Zhiwu1,2, WEI Wei1

( 1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

In order to study the fatigue properties of CRTSⅢ slab track on roadbed under train load, an experiment study was carried out on the dynamic characteristics of CRTSⅢ slab track structure on roadbed under high-speed train load. The full-scale test model of CRTSⅢ slab track structure based on track-subgrade dynamic model test system was established and the dynamic evolution characteristics of each layer after 7.2 million fatigue load tests were obtained. The results show that the deformation of isolated layer, the acceleration of slab, and the stress of self-compacting concrete reduce, while the acceleration and stress of base increase with the increasing number of train load applications. According to the variation law of the deformation of isolated layer, the relationship between the stiffness of isolated layer and number of load applications was obtained through data fitting. The research is useful to guide the mechanical properties study and condition assessment of CRTSⅢ slab track structure.

CRTSⅢ slab ballastless track; experiment; mechanical characteristics; stiffness of isolation layer

2015-11-25

中南大学研究生创新项目(2016ZZTS396)；高铁CRTSⅢ型板无砟轨道结构疲劳性能试验研究(SY2016G001)；南昌铁路局科技开发计划资助项目(201524)；高速铁路基础联合基金资助项目(UI334203)

曾志平(1975-)，男，湖南宁乡人，教授，博士，从事铁路轨道结构研究；Email：hzzp7475@126.com

U213

A

1672-7029(2016)07-1229-05