高速铁路环氧沥青混凝土基础结构动力响应及设计

2017-02-09钱振东刘昕依

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

关键词：基床环氧钢轨

钱振东刘阳刘昕依

(东南大学智能运输系统研究中心, 南京 210096)

高速铁路环氧沥青混凝土基础结构动力响应及设计

钱振东刘阳刘昕依

(东南大学智能运输系统研究中心, 南京 210096)

为探究沥青混凝土基础结构(ACS)在高速铁路无砟轨道的应用前景,提出了一种环氧沥青混凝土基础结构(EACS),并开展EACS动力响应与设计研究.首先,借鉴CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道和公路沥青路面的设计指标,建立EACS评价指标体系;然后,数值模拟了高速列车荷载下EACS结构的动力响应,确定EACS结构的设计指标要求;最后,借鉴环氧沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用经验和CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道沥青混凝土防水层SAMI的设计要求,对EACS用环氧沥青混合料进行材料设计,以评价ACS结构在高速铁路无砟轨道轨下基础中的适用性.研究结果表明,所设计的环氧沥青混凝土能够满足高速铁路轨下基础结构的使用要求,EACS层厚度宜取35 cm.

环氧沥青混凝土;基础结构;高速铁路;无砟轨道

轨下基础是保证高速铁路稳定性、平顺性和可靠性的重要结构.传统的有砟轨道铺设简单、综合造价低廉,但是随着列车速度的不断提升,高速列车荷载作用下有砟轨道道床容易出现变形、道砟粉化、翻浆冒泥、压密下沉等问题,使得具有高整体性和少维修性等特点的无砟轨道得到广泛应用[1].现阶段,我国的无砟轨道结构普遍采用高耐久性、低塑性变形的水泥混凝土板作为轨下基础,轨道全路段刚度均匀,平顺性优良.然而,大量工程实践表明,水泥混凝土材料脆性大、刚度高,轨道结构存在着易开裂、适应路基变形能力差、维护困难等问题,制约了轨下基础的长期使用性能和维护功能.

与水泥混凝土材料相比,沥青混凝土材料具有更好的适应变形的能力,已在道路、桥梁等领域得到了广泛应用[2-3],但在铁路方面的应用有限,主要作为无砟轨道路基面防水材料[4]以及轨道板与混凝土道床之间的水泥-沥青砂浆(简称CA砂浆)垫层材料[5],关于沥青混凝土轨下基础的研究和应用相对保守.国外已有研究成果及工程应用表明,采用全断面沥青混凝土轨下基础结构层(ACS),具有防水、减振、适应路基变形、易于维护等优点[6],但对沥青混凝土的强度、耐久性等提出了较高的要求.与一般的沥青混凝土相比,环氧沥青混凝土的强度、刚度、耐久性较高,与水泥混凝土较为接近,同时兼具良好的变形追从性、密水性等优点[7].

本文借鉴德国GETRAC型沥青混凝土无砟轨道结构,将传统的CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道的轨下基础结构替换为环氧沥青混凝土结构层,提出了新型的无砟轨道环氧沥青混凝土轨下基础结构(EACS).通过数值模拟高速列车荷载下EACS结构的动力响应,提出EACS结构的力学指标要求,然后借鉴钢桥面环氧沥青混凝土铺装材料的应用经验和无砟轨道沥青混凝土防水层SAMI的设计要求,设计EACS用环氧沥青混合料,并根据混合料性能测试结果评价ACS结构在高速铁路无砟轨道中的适用性.研究结果有利于推动我国轨下基础的多元化创新和发展.

1 EACS评价指标

目前,国内还没有无砟轨道全断面沥青混凝土轨下基础结构层的应用实例,因此需要建立EACS结构指标体系,用于指导EACS的结构设计和材料设计.

钢轨振动加速度、钢轨竖向位移、基床表面竖向位移、基床表面竖向应力是传统无砟轨道轨下基础的评价指标.其中,钢轨振动加速度是引起钢轨螺栓松动、鱼尾板裂纹等病害的重要原因,同时也可以反映列车的振动和乘客的舒适性;钢轨竖向位移和基床表面竖向位移是评价轨道平顺性的关键指标;基床表面竖向应力可以反映路基面荷载的大小和分布情况.本文提出的新型结构中将CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道的轨下基础结构替换成EACS结构,轨道板和基床结构仍然沿用传统无砟轨道轨下基础的指标要求(见表1)[8-9].

表1 EACS部分指标要求

由于无砟轨道轨下基础层状体系特点与公路沥青路面相似[10],本文在研究EACS结构指标时除了考虑钢轨振动加速度、钢轨竖向位移等高速铁路行车要求外,还借鉴了沥青路面的设计评价指标,提出采用沥青混凝土层底纵、横向拉应力作为EACS沥青混凝土结构层的设计指标.

2 EACS动力行为特征

2.1 高速铁路无砟轨道轨下基础模型的建立与验证

由于缺乏EACS结构的实测数据,为了保证仿真结果的准确性,本文首先建立了一段纵向长为15 m的传统CRTS-Ⅰ型无砟轨道模型,并根据文献[11-12]的实测数据进行验证.然后,将验证后的模型改成以环氧沥青混凝土为轨下基础的高速铁路有限元模型.

2.1.1 模型建立

鉴于标准双线CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道结构和荷载的对称性,本文取结构的一半进行建模.CRTS-Ⅰ型无砟轨道模型的相关结构及材料参数见表2.图1为简化后的钢轨截面图.

表2 CRTS-Ⅰ型无砟轨道模型的结构及材料参数

注:基床和土基的边坡坡度为1∶1.5,基床表层上表面宽6.80 m,基床底层下表面宽10.85 m;填料A为优质填料,如粗粒无黏性土;填料B为良好填料,如细粒含量小于30%的混合土和砂黏土等;填料C为限制使用的填料,如细粒含量超过30%的混合土和粉砂等.

图1 钢轨尺寸(单位：mm)

采用有限元软件ABAQUS 6.11建立CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道模型(见图2).模型中,钢轨和轨道板分别采用Timoshenko二次型梁单元B32和四边形壳单元S4R模拟,其他部件采用实体单元C3D8R模拟.钢轨与轨道板之间通常由扣件系统连接,采用单组弹簧阻尼单元对扣件系统进行模拟,弹簧刚度为30 kN/mm,阻尼为50 kN·s/m.本文假设轨道板以下各层结构之间接触面的变形是连续的,采用绑定接触.

图2 高速铁路无砟轨道轨下基础模型

2.1.2 模型验证

根据CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道结构的受力特点,对模型边界条件进行适当简化.纵向和横向上选择对称边界约束,模型底面选择固定约束.

在对模型进行动力响应分析前,需要确定模型的作用荷载.高速铁路一般采用超长无缝线路,影响竖向轮轨力的主要原因在于轨道不平顺和车轮扁瘢.国际上普遍认可的列车荷载简化计算表达式为[13]

F(t)=P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+P3sin(ω3t)

(1)

式中,t为时间;P0为单轮静载,此处取值为125 kN;P1,P2,P3分别为在行车平顺性(Ⅰ)、作用到线路上的动力附加荷载(Ⅱ)、波形磨耗(Ⅲ)三类控制条件下得到的振动荷载,且Pi=M0αiωi2,其中M0为列车簧下质量,此处取值为750 kg,αi和ωi分别为第i(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)类控制条件下的矢高和圆频率,且ωi=2πv/Li,其中,v为行车荷载,Li为振动荷载波长.

由于本文主要研究的是高速铁路无砟轨道结构的竖向动力荷载响应,因此主要考虑行车平稳性对轨道的作用,将荷载公式(1)简化为

F(t)=P0+P1sin(ω1t)

(2)

为了验证所建模型的有效性,对CRTS-Ⅰ型无砟轨道一个荷载周期内的动力学响应进行模拟.取列车时速为2 00 km/h,对应的荷载变化周期为0.036 s,矢高α1=0.4 mm,振动荷载波长L1=2 m,代入式(2)中可得荷载表达式为

F(t)=125+9.138sin(174.533t)

(3)

将计算得到的基床表面竖向位移、基床表面竖向应力和基床表面振动加速度极值与文献[11-12]的分析结果进行对比,结果见表3.

表3 基床表面力学参数计算结果分析

从表3中可以看出,数值模拟所得的基床表面竖向位移、基床表面竖向应力和基床表面振动加速度极值均符合实测数据的范围,从而验证了所建模型的有效性.

2.2 EACS动力响应分析

第1节中已给出EACS结构轨道板和基床结构的指标要求,对于环氧沥青基础层的指标要求,需要根据EACS结构的动力响应分析确定.

2.2.1 EACS模型

EACS模型是在CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道模型基础上,将以混凝土为主的基础结构换成环氧沥青混凝土结构.

环氧沥青混凝土与水泥混凝土相比,材料性能受环境温度影响较大,因此在进行EACS结构动力学分析时不仅需要考虑环氧沥青混凝土层厚度的影响,还需要考虑环境温度的影响.本文在建立EACS模型时借鉴德国GETRAC型无砟轨道结构,沥青层厚度选取为25,30,35,40 cm.此外,按照环氧沥青混凝土通常的使用环境,温度T选取为-5,10,30,50 ℃,对应的环氧沥青混凝土材料参数见表4[7].

表4 环氧沥青混凝土材料参数

列车时速采用当前我国高速铁路的设计时速350 km/h,对应的荷载变化周期为0.021 s,得到荷载表达式为

F(t)=125+27.985sin(305.424t)

(4)

2.2.2 数值模拟结果分析

根据表1中提出的EACS评价指标,对模型计算结果进行分析,重点考察一个荷载周期内不同温度、不同沥青层厚度下新型无砟轨道各动力评价指标极值(见表5),并结合表1中提出的指标要求,确定适宜于新型无砟轨道的环氧沥青层厚度.

表5 不同温度、不同厚度下的EACS动力评价指标极值

从表5中可以看出,随着温度的降低,环氧沥青混凝土模量增大,钢轨振动加速度和基床表面竖向应力增大,钢轨竖向位移和基床表面竖向位移减小.随着沥青层厚度的增加,钢轨竖向位移、基床表面竖向位移、基床表面竖向应力减小,而钢轨振动加速度增大.根据表1中的指标要求,4种沥青层厚度下EACS结构的钢轨振动加速度、基床表面竖向位移、基床表面竖向应力均能够满足要求,但是在环氧沥青混凝土厚度小于35 cm、温度为50 ℃的条件下,EACS结构的钢轨竖向位移不能满足2 mm的限值要求.因此,新型高速铁路环氧沥青混凝土无砟轨道的沥青层厚度宜采用35 cm,将环氧沥青混凝土层厚度为35 cm的EACS结构简记为EACS-35.根据数值计算结果,得到EACS-35层底拉应力指标要求,见表6.

表6 EACS-35层底拉应力指标要求

计算350 km/h速度下CRTS-Ⅰ型无砟轨道的动力学响应,得到钢轨振动加速度为184.32g,钢轨竖向位移为1.273 mm,基床表面竖向位移和竖向应力分别为0.551 mm和18.9 kPa.与表5结果对比可以看出,采用全断面沥青混凝土轨下基础结构可减小钢轨振动、基床表面应力和基床表面竖向位移,由于结构整体刚度下降,钢轨竖向位移变大,轨道的平顺性受到影响,但仍在指标要求范围内.

3 EACS用环氧沥青混凝土材料

全断面沥青混凝土轨下基础结构层位于轨道板下部,而非如公路沥青路面般暴露于外界,因此对其材料性能的要求不能沿用路面沥青混合料的设计要求.本节首先提出EACS用环氧沥青混凝土材料性能要求,然后对EACS用环氧沥青混凝土材料设计进行研究,分析其在高速铁路轨下基础中的适用性.

3.1 材料性能要求

本文所研究的新型无砟轨道中环氧沥青混凝土层具有如下2个作用:① 承载上部结构应力,保持上部轨道结构平顺稳定,并将应力分散给下部基础;② 发挥防水保护层的作用.因此, EACS用环氧沥青混凝土材料不仅要具备足够的承载能力,还应具有良好的防水性能.

表6已给出了EACS-35环氧沥青混凝土基础层的力学指标要求,其防水性能要求参考CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道的防水要求.CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道要求基床上部的混凝土底座具有大于P20的抗渗等级,并且在基床表面未被混凝土覆盖的地方需铺设SAMI-10沥青混凝土防水层,本文提出的新型高速铁路无砟轨道结构将混凝土底座和SAMI-10防水层均替换成环氧沥青混凝土结构,因此EACS用环氧沥青混凝土材料的防水性能应满足CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道的防水性能要求.此外,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道的SAMI-10防水层直接暴露于环境中,所处环境相对于内部的轨下基础更为严苛,因此EACS用环氧沥青混凝土材料还需满足SAMI-10混凝土的温度稳定性、水稳定性等要求.

3.2 材料设计

目前,环氧沥青混凝土材料在钢桥面铺装中的应用已较为成熟,可为EACS用环氧沥青混凝土材料设计提供良好借鉴.本节通过对比钢桥面铺装用环氧沥青混凝土和SAMI-10的级配组成,对EACS用环氧沥青混凝土材料进行配合比设计,然后根据混合料的性能测试评价环氧沥青混凝土在高速铁路轨下基础中的适用性.

3.2.1 配合比设计

将常用的钢桥面铺装用环氧沥青混凝土级配EA-10与SAMI-10进行对比,结果见表7.从表中可以看出,EA-10与SAMI-10的级配范围相似,均属于偏细级配,而EA-10细集料的相对密度相对于SAMI-10较高.较细的级配不仅可以保证混合料良好的防水性能,还可以提高混合料的抗疲劳性能.因此,本文采用EA-10的级配范围进行材料配合比设计,得到合成级配的设计结果如表8所示,采用马歇尔试验方法混合料的最佳油石比为6.7%.

表7 EA-10与SAMI-10级配对比 %

注:d为方孔筛的孔径.

3.2.2 性能评价

本节分别采用劈裂试验、马歇尔试验、线收缩试验、冻融劈裂试验、渗水试验对EACS用环氧沥青混合料的抗拉强度、温度稳定性、水稳定性、抗渗性能进行测试.同时,参考水泥混凝土抗渗性试验方法,测试EACS用环氧沥青混合料抗渗等级.测试结果见表8.从表中可以看出,环氧沥青混凝土结构具有良好的防水性能,用于高速铁路轨下基础层可以有效地防止上部积水渗入基层,环氧沥青混合料抗拉强度、稳定度远高于指标要求,可以满足结构受力要求,而其他性能测试结果也均在指标要求范围内.研究成果可为全断面环氧沥青混凝土轨下基础结构层在高速铁路无砟轨道中的应用提供理论依据.

表8 EACS用环氧沥青混合料性能测试结果

4 结论

1) 借鉴CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道和公路沥青路面的设计指标,将钢轨振动加速度、钢轨竖向位移、基床表面竖向位移、基床表面竖向应力、沥青混凝土层底纵向拉应力、沥青混凝土层底横向拉应力作为EACS结构的设计指标.

2) 根据EACS结构的动力响应分析结果,EACS结构环氧沥青层厚度宜取35 cm.与CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道相比,采用EACS结构可以减小钢轨振动、基床表面应力和位移,但钢轨竖向位移变大.

3) 本文设计的EACS用环氧沥青混合料能够满足高速铁路无砟轨道轨下基础结构对材料强度、温度稳定性、防渗、抗水损等要求,并且强度远高于指标要求.

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Dynamic response and design of epoxy asphalt concrete substructure for high-speed railway

Qian Zhendong Liu Yang Liu Xinyi

(Intelligent Transport System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the application prospect of the asphalt concrete substructure (ACS) for the ballastless track of high-speed railway, an epoxy asphalt concrete substructure (EACS) was proposed, and the dynamic response and design of EACS were investigated. First, the evaluation index system of the EACS was established according to the index systems of the CRTS-Ⅰslab ballastless track and the asphalt pavement. Secondly, the dynamic responses of the EACS under the high-speed train loading were simulated, and the design requirements of the EACS were determined. Finally, referring to the application experience of epoxy asphalt mixture in steel bridge pavement and the design requirements of the surface asphalt mixture impermeable (SAMI) layer for the CRTS-Ⅰslab ballastless track, the epoxy asphalt mixture for the EACS was designed, and the applicability of the ACS in the ballastless track of high-speed railway was evaluated. The research results show that the designed EACS can meet the operating requirements of the high-speed railway substructure, and the appropriate thickness of the EACS is 35 cm.

epoxy asphalt concrete; substructure; high-speed railway; ballastless track