重载列车作用下CRTSⅢ型板式轨道结构力学特性试验研究

曾志平，何贤丰，余志武，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；3. 中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

铁路运输是国民经济的大动脉，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低等优点，20世纪50年代以来受到世界各国的广泛重视[1−4]。LI等[5]提出了一种用于数值模拟轨道轮廓磨损的方法，并将其应用于中国的重载铁路。戴公连等[6]探讨了在既有铁路简支梁桥上运行30 t轴重重载列车的可行性。目前，世界各国重载铁路的轨道结构形式主要为有砟轨道。随着运量、轴重和行车速度增加，重载铁路有砟轨道的劣化状态极易出现恶性循环，导致维修工作频繁[7]。考虑无砟轨道具有寿命长、稳定性好、维护费用低、平顺性好、降低隧道净空等优点[8]，国内外针对重载铁路长大隧道内无砟轨道结构适应性开展了研究工作。王继军等[9]结合目前国内新建重载煤运通道建设工程，在总结国外重载铁路及国内客货混运铁路无砟轨道结构研究的基础上，研究了重载铁路隧道内无砟轨道的选型原则，并对国内外典型无砟轨道结构特点进行分析，初步提出了重载铁路隧道内无砟轨道结构方案，为我国重载铁路隧道内无砟轨道结构的研究和发展提供借鉴。赵勇等[10]利用瓦(塘)日(照)铁路 30 t轴重重载综合试验段对隧道内无砟轨道结构的振动特性进行了研究。杜香刚等[11]建立了30 t轴重重载列车作用下弹性支承块式、双块式和长枕埋入式无砟轨道多节点模型，从静动力特性、疲劳性能等方面开展了对比试验。高速铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国具有完全自主知识产权的无砟轨道结构[12]，已成功应用于成灌、盘营、郑徐等多条高速铁路。国内针对高速列车作用下 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构静动力特性进行了大量的研究。孙璐等[13]选取高速铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构进行结构静力特性分析；同时计算分析车辆荷载在不同位置处的无砟轨道结构产生的应力大小，以及无砟轨道结构在车辆荷载作用下的临界荷位和最不利位置。吴斌等[14]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试验研究。但纵观这些研究成果，重载列车作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构力学特性的理论和试验研究鲜见报道，而开展重载列车作用下 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的适应性研究，对于我国重载铁路运输的发展、我国无砟轨道的推广和技术水平的提高、以及重载铁路轨道技术体系的完善具有重要意义。由于重载铁路隧道地段对无砟轨道的需求尤为迫切，本文针对重载列车作用下隧道内 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构力学性能建立了1:1足尺试验模型，并进行了800万次疲劳试验，获得了各结构层的力学性能变化规律，对于重载铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构适应性研究具有参考价值。

1　试验方案

1.1　CRTSⅢ型板式无砟轨道试验模型

采用1块标准轨道板长度的结构体系作为试验研究对象。结合实际结构体系，试验模型由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土层、隔离层以及钢筋混凝土底座等部件组成。试验模型的制作如图1所示。

图1　模拟隧道内CRTSⅢ型板式无砟轨道足尺试验模型制作Fig. 1　Manufacturing the full-scale test model of CRTSⅢ slab ballastless track structure in simulated tunnel

轨道板在轨道板厂按实际工艺要求进行制作，长宽高分别为5 600 mm×2 500 mm×200 mm。底座和自密实混凝土等均严格按照设计图纸和施工工艺要求施工制作，其中底座长宽高分别为 5 650 mm×2 900 mm×300 mm，施工过程中预埋相应的测试元件。本试验模型的支承基础以1块刚性钢筋混凝土板模拟，模拟隧道内无砟轨道的刚性支承。

1.2　测试内容及元器件布置

具体测试内容：钢轨相对于轨道板位移、轨道板相对于底座位移、轨道板加速度、底座板加速度、轨道板表面混凝土应变、自密实混凝土应变和底座混凝土应变。测试元件主要包括位移计、加速度计、应变片和应变计。

根据有限元计算结果，沿板纵向板中、加载点正下方和板端为 3个特征截面，结合文献[18]中各结构层布筋设计，各测试元件布置方式如图2所示。图2(a)中，自密实混凝土层应变计距离自密实混凝土层下表面36 mm，底座上、下层混凝土应变计分别距离底座上、下表面50 mm。图2(b)中，对于自密实混凝土层，x=650 mm，y=2 900 mm；对于底座，x=850 mm，y=2 825 mm。图2(b)中，Q，F，H，S，L和T分别代表纵向1/4、纵向3/4处、纵向板中和横向板中、横向板边、纵向和横向，例如：Q-H-T代表板纵向1/4处横向板中横向应变；图2(c)中，1~6位移计测钢轨相对于轨道板位移，7~12位移计测轨道板相对于底座位移，13~18加速度计测轨道板加速度，19~24加速度计测底座加速度。

图2　测试元件布置图Fig. 2　Layout of test element

1.3　加载方案

模拟隧道内 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构体系试验依托高速铁路建造技术国家工程实验室的PMW-1200电液式脉动疲劳试验机进行。作动器设置在轨道板正中间，荷载通过作动器施加于纵向分配梁上，再通过两根横向分配梁作用于轨道结构上，根据文献[15]，2根横向分配梁间距取为1.83 m，加载方式如图3所示。

图3　CRTSⅢ型板式无砟轨道试验加载方式Fig. 3　Test loading method of CRTSⅢ slab ballastless track

图4　试验荷载时程曲线Fig. 4　Test loading curve

试验中采用简化计算法求得模拟动荷载，根据重载铁路的发展趋势，最大轴重按30 t计，根据文献[16]，竖向疲劳检算活载取为静轮载的1.5倍，设计疲劳荷载上限值取90 t，疲劳荷载下限值按下限值/上限值=0.1确定，取为9 t。为了研究轨道结构的疲劳效应，在动载试验过程中穿插进行静载试验。动载加载曲线如图4所示。

2　实验结果分析

2.1　扣件竖向刚度

根据文献[17]，钢轨扣件动、静刚度计算公式如下：

式中：K为节点刚度，kN/mm；F1和 F2为向被测系统的钢轨施加的最小和最大荷载，kN；D1和 D2为钢轨的最小和最大位移，mm。

试验测得钢轨相对于轨道板竖向位移最大值的变化曲线和扣件竖向动静刚度比变化曲线如图 5所示, 随着荷载作用次数增加，钢轨相对于轨道板静态、动态位移逐渐减小。前 50万次，动、静态位移减小值均在0.01 mm以内，说明位移基本没有变化，此时扣件处于弹性阶段，无残余累积变形；50万次至300万次，平均每作用50万次，静态、动态位移分别减小0.03 mm和0.02 mm，位移变化幅度较大；300万次至800万次，荷载平均每作用100万次，静态、动态位移分别减小0.04 mm和0.03 mm。钢轨相对于轨道板竖向位移的变化反映了扣件竖向刚度的变化，疲劳荷载作用800万次，动静刚度比保持在1.5~1.55之间，说明动静刚度比变化不大。经300万次荷载循环后，钢轨节点静刚度增加 8.95%，小于文献[17]中规定的 25%。扣件竖向刚度增加幅度的变化曲线如图6所示，荷载作用前50万次，动、静刚度变化幅度均在2%以内，说明疲劳初始阶段扣件竖向刚度变化不大，50至800万次，刚度随着作用次数基本呈线性增加，且动、静刚度的增加幅度具有一致性，作用800万次后，扣件竖向动、静刚度分别增加24.77%和23.94%。

2.2　隔离层刚度

隔离层压缩量的变化反映了隔离层刚度的变化，试验测得轨道板相对于底座的位移最大值变化曲线和隔离层动静刚度比变化曲线如图7所示，随着作用次数的增加，轨道板相对于底座静态、动态位移逐渐减小，重载作用前300万次，隔离层不断被压缩导致位移减小较快，静态位移平均以 0.01 mm/50万次减小，动态位移平均以0.01 mm/100万次减小，300万次至800万次，位移变化曲线趋于平缓，隔离层刚度不断增加，而动静刚度比保持在1.6~1.7之间，随着作用次数的增加比值略有减小，作用800万次后，动静刚度比减小6.4%。隔离层刚度增加幅度的变化曲线如图8所示，作用前300万次，隔离层动、静刚度变化较快，变化幅度随着疲劳荷载作用次数基本呈线性增加。隔离层动、静刚度分别在作用600和550万次后增加1倍，作用800万次后，隔离层动、静刚度分别增加 1.52倍和1.36倍。

图5　位移和动静刚度比变化曲线Fig. 5　Variation curve of displacement and static stiffness ratio

图6　竖向动、静刚度增加幅度Fig. 6　Increasing range of the vertical dynamic stiffness and static stiffness

图7　位移和动静刚度比变化曲线Fig. 7　Variation curve of displacement and dynamic and static stiffness ratio

图8　隔离层动、静刚度增加幅度Fig. 8　Increasing range of the dynamic stiffness and static stiffness of isolation layer

2.3　结构层竖向加速度

试验测得轨道板和底座竖向加速度最大值随着作用次数的变化曲线如图9所示。随着作用次数增加，轨道板竖向加速度逐渐减小，底座竖向加速度逐渐增加。对比图6和图8可知，隔离层刚度比扣件刚度变化明显较快，隔离层刚度的变化对结构层加速度的影响起到主导作用，随着隔离层刚度的增加，轨道板竖向加速度逐渐减小，而底座竖向加速度逐渐增加。作用前300万次，轨道板和底座竖向加速度变化较快，300万次至800万次，变化曲线趋于平缓，这与隔离层刚度变化特征具有一致性。作用800万次后，轨道板竖向加速度从66.1 mg减小到 42.3 mg，减小 36.0%；底座竖向加速度从29.8 mg增加到49.9 mg，增加67.4%。

图9　轨道板和底座竖向加速度变化曲线Fig. 9　Variation curve of the vertical acceleration of the track panel and base

2.4　结构层应力

试验中通过应变计和应变片测得结构层混凝土应变，再通过应力应变关系曲线求得应力。

加载点正下方轨道板上表面各测点处应力变化曲线如图10所示(正值为拉应力，负值为压应力，下同)，随着荷载作用次数增加，轨道板表面混凝土应力变化幅度不大，疲劳荷载作用800万次后，轨道板上表面Q-H-T，Q-H-L，Q-S-T和Q-S-L处混凝土应力大小分别从0.13，0.48，0.59和1.13 MPa减小到0.1，0.43，0.52和1.07 MPa，分别减小23.1%，10.4%，11.9%和5.3%。

图10　轨道板上表面混凝土应力变化曲线Fig. 10　Variation curve of the upper surface concrete stress of the track plate

自密实混凝土板纵向1/2截面处(H-H-T，H-HL，H-S-T和H-S-L)应力变化如图11所示，从图中可以看出，板纵向1/2截面处，自密实混凝土最大拉应力出现在H-S-L处，最大压应力出现在H-H-T处，且最大拉应力比最大压应力大，这将对自密实混凝土的受力产生不利影响。随着作用次数增加，自密实混凝土应力逐渐减小，作用 800万次后，H-H-T，H-H-L，H-S-T和 H-S-L处应力值分别从0.54，0.75，0.85和1.09 MPa减小到0.37，0.58，0.71和0.92 MPa，分别减小31.5%，22.7%，16.0%和15.6%。

图11　自密实混凝土应力变化曲线Fig. 11　Variation curve of the self-compacting concrete stress

图12　底座混凝土应力变化曲线Fig. 12　Variation curve of the base concrete stress

底座板纵向1/2截面处(上层H-H-T，下层H-HT，下层H-S-T和上层H-S-L)混凝土应力变化如图12所示，在板纵向1/2截面处，最大拉应力出现在下层H-S-T处，最大压应力出现在上层H-H-T处，最大压应力值要比最大拉应力值大。底座应力随着荷载作用次数的增加而逐渐增加，作用800万次后，上层H-H-T，下层H-H-T，下层H-S-T和上层H-S-L处应力值分别从0.61，0.19，0.29和0.16 MPa增加到0.77，0.32，0.45和0.32 MPa，分别增加26.3%，66.7%，55.6%和 100.0%。扣件刚度和隔离层刚度的增加，将对结构体系的应力产生不利影响，尤其对于底座应力影响较大。

3　结论

1) 重载疲劳荷载作用下，钢轨相对于底座位移逐渐减小，反映出扣件竖向刚度逐渐增加，而动静刚度比变化不明显；作用800万次后，扣件竖向动、静刚度均增大约1/4。

2) 重载疲劳荷载作用下，CRTSⅢ型板式无砟轨道结构隔离层刚度显著增加，其动、静刚度在疲劳荷载分别作用 600万次和 550万次之后即增加1倍。

3) 重载疲劳荷载作用下，受隔离层刚度增加的影响，轨道板和自密实混凝土应力略有降低，但其最大应力可达1 MPa。

4) 相对于轨道板和自密实混凝土，重载疲劳荷载作用下底座加速度和应力较小，但均呈逐渐增加之势，这将对支承基础的稳定性和底座疲劳寿命产生不利影响。

5) 试验研究成果将为重载铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道设计、动静力学特性计算和疲劳分析等提供依据。

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