柔性铺装防护体系在铁路钢桥有砟轨道桥面中的适用性

2019-04-03鞠晓臣左照坤刘晓光

铁道建筑 2019年3期

鞠晓臣，左照坤，刘晓光

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国高速铁路的发展，有砟轨道桥面逐渐成为新建铁路桥梁常采用的一种桥面结构形式。该结构大多是在钢桥纵横梁体系上或正交异性整体钢桥面上铺设混凝土道砟槽板，然后在道砟槽板上依次铺设道砟、轨枕、钢轨等。但由于混凝土道砟槽板一般具有较大的自重，使得桥梁二期恒载较大，且由于道砟槽板抗拉性和变形协调性较差，在长期温度荷载和过往车辆疲劳荷载作用下，道砟槽板较易产生裂纹和破碎现象[1-5]。

借鉴公路钢桥面柔性铺装防护体系，一些轻薄的柔性铺装形式开始在铁路桥梁中得到应用，如东新赣江特大桥采用了6 cm厚双层环氧沥青混凝土铺装层[6]、铜陵公铁两用长江特大桥采用6 cm厚浇筑式沥青混凝土结构体系[7]。与混凝土道砟槽板相比，柔性铺装防护体系对桥梁具有更好的变形协调性，且柔性铺装桥面结构单线二期恒载可降低约30 kN/m。然而柔性铺装防护体系在铁路钢桥中的应用刚刚起步，其对铁路道砟的适应性有待更长运营时间的验证。

根据铁路钢桥现场工作情况，桥面铺装层所受荷载作用主要包括两方面，即道砟对其产生的竖向刺穿疲劳作用和水平向磨耗作用。本文以冷拌树脂沥青混凝土铺装层[8-9]为研究对象，对其在铁路钢桥有砟轨道桥面的适用性开展试验研究。

1 柔性铺装体系性能指标

冷拌树脂沥青混凝土铺装是指“冷拌树脂沥青混凝土+树脂沥青黏结层+环氧黏结碎石层+钢桥面”的铺装形式，其结构体系见图1。考虑铺装体系的实际功能要求，并根据铺装层材料性能试验，冷拌树脂沥青混凝土铺装体系中各层的关键性能指标见表1—表3。

图1 冷拌树脂沥青混凝土铺装体系

表1 环氧黏结碎石层性能指标

表2 树脂沥青(RA)胶结料性能指标

不同柔性铺装体系性能对比见表4，可知，冷拌树脂沥青混凝土在界面抗剪强度、耐高温性能等方面都表现出一定的优势。另外，在施工便易性上冷拌树脂沥青混凝土铺装优势明显，其施工不需要特殊的施工机具和苛刻的施工工艺，且施工及养护时间短，后期维护方便。

表3 RA混合料性能指标

表4 不同柔性铺装体系性能对比

2 竖向耐道砟刺穿疲劳试验

2.1 试验概况

图2 试件截面(单位：mm)

依据在建芜湖长江公铁大桥铁路桥面制作大节段试验模型，并保证试验模型关键部位受力与实桥相似。试件截面如图2所示，包含2个倒T形大纵梁和4个U形肋，以及2个横隔板。倒T形大纵梁腹板高722 mm，厚16 mm，下翼缘宽300 mm，厚16 mm。闭口U形肋尺寸为300 mm×300 mm×8 mm，U形肋间距为600 mm。横隔板间距为3.5 m，厚16 mm；桥面板厚16 mm。试件总体高1.032 m，长3.658 m，宽3 m。在试件钢面板表面铺设33 mm厚冷拌树脂沥青混凝土铺装层，待铺装层铺设完成后，对铺装面厚度和平整度进行测量，平整度应控制在1.5 mm以内。在试件表面铺设特级道砟，并采用小型捣固机对道砟进行捣固，道砟厚35 cm。道砟周围采用挡板围护，按照标准在道砟上铺设5根Ⅲ型重型混凝土轨枕，轨枕间距600 mm。在轨枕上安装75 kg/m重载铁路用钢轨及配套扣件。

试验加载过程如图3所示。试验采用50 t试验机进行加载，考虑高速客运列车轴重为17 t，故冲击系数取1.5，试验机输出荷载下限为10 kN，荷载上限为255 kN。荷载通过分载梁作用于钢轨上，加载频率为2～4 Hz。采用循环荷载和静力荷载交替的方式进行试验，即每当循环荷载循环50万次时进行1次静力荷载试验。试验加载200万次时，清除道砟并检查铺装层表面情况。再次填装道砟，装配轨枕、钢轨、扣件等，保持相同的荷载输出，继续加载300万次。

图3 试验加载过程

试验中对关键部位的应力和位移进行测量，测点布置如图4(a)所示。测点位于两横隔板跨中，其中，S1～S9为应力测点，S3,S5和S7为双向应力测点(顺桥向和横桥向)，D1和D2为竖向位移测点。由于道砟为离散体，随着加载次数的增加道砟状态可能会发生变化，导致轨枕发生位移。因此，试验过程中通过新型徕卡数字水准仪对轨枕的竖向位移进行测量。测试点布置在中间3根轨枕的两端(G2～G7)，测点距离轨枕端部约25 mm;在钢桥面板跨中两侧边缘布置测点(G1和G8)作为轨枕位移基准参考点，如图4(b)所示。

图4 测点布置

2.2 试验结果分析

根据试验结果可知，桥面板应力和位移随着加载次数的增加并没有明显的变化。循环荷载作用一段时间后，在300 kN静力荷载作用下，桥面总体受力依然较小，倒T形纵梁下翼缘(S1，S2，S8，S9)顺桥向应力约为12 MPa，U形肋下翼缘顺桥向应力约为18 MPa,其他测点应力均不足5 MPa。测点D1和D2的竖向位移约为0.33 mm。

在300 kN静力荷载作用下轨枕竖向位移见表5。可知，随着循环次数的增加，轨枕位移基本没有变化，表明道砟状态在加载过程中保持较好。轨枕竖向位移约为0.86 mm，参考点桥面板竖向位移约为0.23 mm。由于道砟处于散粒状态，因此轨枕竖向相对位移约为0.63 mm。

表5 在300 kN静力荷载作用下轨枕竖向位移 mm

加载200万次后，清除道砟并对铺装层表面情况进行检查，发现铺装层未出现明显的局部凸起、凹陷、磨损、刺穿或破碎现象，加载后铺装层表面孔隙率有所增加。轨枕作用下方U形肋或倒T形梁腹板与面板连接处局部下凹，最深下凹约4 mm，如图5(a)所示。加载500万次时，铺装层依然未产生明显破坏，但与加载200万次时相比，轨枕作用下方的凹痕数量和下凹深度有一定增加，最深下凹约5 mm，如图5(b)所示。根据试验结果可知，该铺装防护层具有良好的耐道砟竖向刺穿疲劳性能。

图5 铺装层凹痕情况(单位：mm)

循环荷载作用500万次后，采用渗水仪对铺装层进行渗水试验[10-11]，检查循环荷载作用后铺装层的防水性能。将铺装层划分成30 cm×30 cm的方格区域，选择荷载主要作用的2个方格和边缘受荷载影响很小的2方格进行试验，见图6。4个测点处铺装层均未发生渗水现象，说明铺装层在疲劳荷载作用过后防水功能依然完好。

图6 渗水试验

3 水平向耐道砟磨耗试验

3.1 试验概况

图7 试验装置与试件示意

铺装层耐道砟水平磨耗试验装置包括反力架、20 t 作动器、压力传感器、采集仪、无底钢箱、铺装层试件、工字钢支撑梁等，如图7所示。反力架和铺装层试件通过螺栓固定在工字钢支撑梁上，作动器一端通过螺栓固定在反力架上，另一端与无底钢箱连接，在作动器与无底钢箱连接的螺栓上穿有垫片式压力传感器，用于测量作动器对无底钢箱的拉力。无底钢箱通过卡槽置于铺装试件上部，且底部与铺装层上表面不接触。在无底钢箱内部填充道砟及配重，道砟与铺装层直接接触，通过作动器带动无底钢箱左右往复运动实现道砟对铺装层的水平磨耗作用。

铺装层试件钢板尺寸为720 mm×570 mm×20 mm，其上铺设尺寸为470 mm×356 mm×33 mm的铺装层。无底钢箱采用4块钢板焊接而成，容积为360 mm×300 mm×537 mm，壁厚40 mm，其侧壁两块钢板底部伸出35 mm，与试件铺装层配合形成卡槽，以保证无底钢箱沿铺装层做单向往复运动。

试验中道砟厚35 cm，重度20 kN/m3。采用Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕，质量353 kg，轨枕按 1 667 根/km计算，钢轨为60 kg/m。若轨枕及其上部荷载按45°扩散，经道砟传递至钢桥面板，则“钢轨+轨枕+道砟”实际作用在钢桥面板上的应力为8.31 kPa。经换算无底钢箱内“道砟+配重”质量为89.79 kg。试验之前，先在无底钢箱内填筑35 cm厚道砟，然后在道砟上部放置配重，使“道砟+配重”总质量为89.79 kg，以模拟实际工程中道砟与铺装层的接触情况。

在正式试验之前进行空箱试验，用于测量未填筑道砟时作动器对无底钢箱的作用力。作动器加载频率为0.02 Hz，每一周期行程为0.14 m。对空箱进行加载，直至采集仪显示所施加荷载的幅值趋于稳定为止。试验结果表明，当作动器大约运行32个周期时，其对无底钢箱的作用力幅值趋于稳定，幅值大小为 1 250 N，即作动器对空箱施加最大荷载为 1 250 N。空箱试验完成后，按要求在无底钢箱内填筑道砟进行正式试验。

3.2 试验结果分析

通过应变计测量得到作动器对无底钢箱的作用力为 2 200 N，可知道砟与铺装层之间的摩擦力为950 N，摩擦因数为1.06。试验过程中试件变化情况如图8所示。当道砟与铺装层相对滑动行程约200 m时，无底钢箱与铺装层表面之间的缝隙开始出现道砟碎屑;当道砟与铺装层相对滑动行程约300 m时，无底钢箱与铺装层表面之间缝隙开始有大量道砟碎屑涌出，此时磨耗试验结束。