新型纤维复合筋增强无砟轨道板变幅疲劳性能试验研究

2022-10-14张志勤曹大富陆伟刚

铁道学报 2022年9期

杨洋，张志勤，吴刚，曹大富，陆伟刚

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.江苏扬建集团有限公司，江苏扬州 225002；3.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189；4.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

无砟轨道系统具有更高的稳定性，更好的耐久性和更低的维护成本，是高速铁路最常用的结构之一，典型的是CRTSⅡ(China Railway Track System，CRTS)型无砟轨道系统[1-3]。但是，无砟轨道系统中，谐振式轨道电路信号电流与轨道板内的钢筋网片产生电磁感应，导致轨道电路的传输长度明显缩短[4-7]，从而降低了列车运行的安全性，见图1。不少学者提出提高无砟轨道板的绝缘性能来改善电磁感应问题，通常采用绝缘涂层，热缩套管和绝缘卡子等措施[8-9]。但在浇筑轨道板时，绝缘涂层易产破裂。而热缩套管或绝缘卡子不仅降低了钢筋与混凝土之间的黏结性能，也增加了施工成本[5-7]。此外，文献[10-11]根据无砟轨道板绝缘性能，对轨道电路传输长度提出了相应的建议。

图1 无砟轨道板间产生的互感与信号电流

纤维增强复合筋(FRP)作为非金属材料(CFRP除外)，由于具有抗拉强度高，绝缘性好，重量轻等优点，被认为可以替代传统的钢筋[12-13]。因此，FRP筋适合增强无砟轨道板用来解决绝缘问题。但是，由于FRP筋弹性模量低于传统的钢筋，因此，其增强的混凝土构件(FRP-RC)抗弯刚度更小，此外，FRP-RC构件往往发生脆性破坏[14-15]。为提高FRP-RC结构的刚度和延性，文献[16-17]提出了由钢筋和FRP复合而成的钢-连续纤维复合筋(SFCB)，该复合筋采用复杂的拉挤成型工艺生产。文献[16-18]研究结果表明，SFCB增强混凝土结构表现出更高的弹性模量，理想的延展性和良好的黏结性能。Yang等[5]、Sun等[19]研究发现，当使用玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)包裹的SFCB还提供了良好的绝缘特性和高性价比。可以看出，SFCB的综合性能更优，因此，也适用于增强无砟轨道板。

无轨道板在其使用寿命期间直接承受反复移动的火车车轮荷载，因此，设计人员必须考虑无砟轨道板的疲劳性能。相关的研究报道主要关注传统无砟轨道板的疲劳损伤规律和寿命预测的研究。如刘学毅等[20]考虑了温度变化，分析无砟轨道结构的疲劳受力特性。王青等[21]基于损伤力学理论，分析了无砟轨道板刚度退化过程。徐庆元等[22]结合材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线，采用Miner线性疲劳累积损伤准则，来预测结构的疲劳寿命。然而，关于BFRP筋和SFCB增强的CRTSⅡ型无砟轨道板的变幅疲劳性能的影响鲜有研究。

但相关混凝土结构疲劳方面的研究表明，疲劳过程中混凝土弹性模量下降主要是由于混凝土结构中微观裂纹的形成[23]。Wang等[24]的试验结果表明，FRP筋的损伤机制是基体裂纹扩展、纤维基体界面剥离，以及纤维在循环荷载作用下的断裂。Yun等[25]得出的结论是，结构组成材料之间的黏结可能是结构疲劳寿命的关键因素。作者前期研究[5-7]得出，BFRP筋和SFCB增强的无砟轨道板提高了轨道板的绝缘性能，并能满足承载力的要求。此外，与传统轨道板相比，SFCB增强无砟轨道板具有更好的疲劳性能和更低的应力幅值。基于此，针对BFRP筋和SFCB增强的CRTSⅡ型无砟轨道板的变幅疲劳性能，本文考虑了不同荷载水平和荷载顺序，以评估其变幅疲劳性能，重点关注轨道板在疲劳过程挠度、刚度、裂缝和应变的发展，为此类新型无砟轨道的设计提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 无砟轨道板制作

图2(a)为一块CRTSⅡ型板式无砟轨道板，其长、宽、高分别为6 450、2 550、200 mm。整块板由10块小轨道板组成，并设有三个灌浆孔，用于灌注水泥沥青砂浆。而本文研究对象，为切割之后小轨道板，其长、宽、高分别为1 275、650、200 mm，见图2(b)。

图2 疲劳试验构件

1.2 材料

轨道板所使用的混凝土，成分为水泥、细骨料、粗骨料和水，配合比为413∶668∶1075∶150，其中，粗骨料尺寸为10～20 mm。此外，还包括137 kg/m3矿物粉和煤灰的混合物以及15.95 kg/m3减水剂。根据文献[26]，所测试的混凝土28 d立方体抗压强度均值为87 MPa，标准差为1.69 MPa。

本文使用BFRP筋、S6B27(SFCB)和带热缩套管的钢筋(直径为8 mm)三种类型的筋材。BFRP筋采用62束4.8 g/m玄武岩纤维，S6B27由内芯6 mm钢筋与27束4.8 g/m玄武岩纤维复合而成。BFRP筋和S6B27由连续玄武岩纤维和乙烯基酯树脂(纤维含量为70%)采用拉挤成形工艺制成。BFRP筋的公称直径、肋间距、肋高度分别为16、11、0.08 mm。S6B27的公称直径，肋间距和肋高度分别为11、8、0.08 mm，见图3。此外，S6B27和BFRP筋的拉伸刚度与8 mm钢筋相同，即EsAs=EsfAsf，其中，Es、As分别为8 mm钢筋的弹性模量、横截面面积，Esf、Asf分别为BFRP筋和S6B27的弹性模量、横截面面积。

图3 本文中BFRP筋与SFCB筋

表1给出了试验中筋材的力学性能参数，该材性依据文献[27]测试得到，其中，d为筋材的实测直径；EⅠ、EⅡ分别为筋材屈服前、屈服后的弹性模量；fy、fu分别为筋材屈服强度、抗拉强度。

表1 筋材的力学性能

1.3 试件设计

试验共测试了7块无砟轨道板，其尺寸均相同，长、宽、高分别为1 275、650、200 mm，见图4。两块传统轨道板(RC板)的横截面用8φ8的钢筋，两块SFCB增强的轨道板横截面采用8φ11的SFCB，三块BFRP筋增强的轨道板横截面采用8φ16的BFRP筋，此外，横截面使用了6根预应力钢筋，直径为10 mm，屈服强度为1 449 MPa，极限强度为1 725 MPa，总预应力为409 kN，横截面见图4(b)。轨道板的纵截面采用了2φ16、2φ20、11φ8的钢筋，见图4(c)。值得注意的是，7块轨道板设计为具有相同的横截面刚度，即EsAs=EsfAsf。

图4 试样设计(单位:mm)

1.4 加载过程及测试内容

7块轨道板均采用三点加载的方式，通过电液伺服试验系统(可承载1 000 kN)控制整个试验测试程序，荷载值大小采用力传感器测得。试验构件布置了三个百分表(±0.01 mm)，分别位于两加载点处以及跨中位置，构件挠度通过跨中和加载点处的竖向位移差得到。试验开始前，在构件侧面画上间距40 mm的纵横网格线以观察裂缝发展。采用裂缝观测仪(±0.01 mm)测量裂缝宽度(跨中出现的第一条裂缝)。此外，各轨道板的跨中，混凝土上表面以及受力筋的表面黏贴100、5 mm的应变片，以便测试混凝土的受压应变和受力筋受拉应变。

试验开始前，在每块轨道板上施加一定荷载(约为最终载荷的10%)，然后卸载，以排除试验中的不稳定因素。在疲劳试验开始前，以20 kN/min加载速率加载至开裂荷载(每块板开裂荷载Pcr约为 125 kN)，然后以10 kN/min的加载速率加载到疲劳上限值Pmax，再以8 kN/min的速率卸载为0，来缓慢释放应力。另外两个周期以相同的速率8 kN/min来加载，见图5。

图5 疲劳试验加载历程

在静力加载后进行疲劳试验，以5 Hz的频率在疲劳下限Pmin和疲劳上限Pmax之间以正弦波形式施加循环荷载。选择一定的循环次数，在0和Pmax之间进行静力测试，同时记录每块板的挠度和裂缝宽度。

根据文献[10]，除板S-BFRP3、S-SFCB3外，其他轨道板疲劳下限Pmin均为20 kN。荷载水平对应的是疲劳荷载Pmax上限值除以静态极限承载力Pu，疲劳上限Pmax是通过静态极限承载力Pu乘以相应的荷载水平来确定的，其中一些应力水平参考文献[28-30]的试验结果。因此，疲劳上限Pmax可取为1.76Pj、2.00Pj、2.12Pj、2.29Pj、2.38Pj、2.53Pj、2.65Pj(Pj= 85 kN为高速铁路列车最重的列车轴重)，对应的疲劳上限为150、170、180、195、202.5、215、225 kN，见表2。

表2 测试过程和破坏形态

对于轨道板S-RC1、S-SFCB1，疲劳上限Pmax分别为2.12Pj、2.38Pj，两者均相当于极限荷载值Pu的60%(参考文献[6]对Pu进行了测试)。如果轨道板在200万次疲劳荷载循环后仍未发生破坏，则提高一级疲劳上限循环30万次，直至构件破坏。如，如果板S-RC1在Pmax= 2Pj下完成了200万次循环没有破坏，则将Pmax提高至下一级荷疲劳上限2.29Pj，继续疲劳循环30万次，如果仍然没有失效，则在更高的疲劳上限下继续疲劳循环，直到构件破坏为止。

对于轨道板S-RC2、S-BFRP1、S-BFRP2，疲劳上限Pmax分别为2.38Pj、2.38Pj、2.53Pj，分别对应于67.5%Pu、52%Pu和55%Pu。如果在300万次疲劳荷载循环后仍未出现破坏，则通过静力加载至构件破坏。

对于轨道板S-SFCB2和S-BFRP3，其荷载的加载顺序分别为由高到低和由低到高。板S-SFCB2，前40万次疲劳上限较大(Pmin= 40 kN，Pmax= 2.12Pj)，随后70万次循环周期中，疲劳上限降低为Pmax= 2Pj，变化疲劳下限Pmin(分别为10、20、30 kN，记为a)，最后90万次循环周期中，疲劳上限Pmax降低到1.76Pj，改变疲劳下限Pmin(分别为30、20、10 kN，记为b)。而板S-BFRP3与板S-SFCB2加载顺序相反。

2 试验结果

疲劳试验进行了约1 a时间，无砟轨道板加载方式均为三点加载。各轨道板疲劳极限根据文献[7]测试数据确定。本文着重探讨变幅疲劳中荷载水平和加载顺序对轨道板的影响，其中所施加荷载水平依据疲劳极限进行调整。本文重点关注轨道板的疲劳寿命、挠度、刚度、裂缝和应变变化。

2.1 破坏形态

在疲劳加载过程中，观察到轨道板出现以下三类破坏模式：①疲劳荷载后静力加载出现的弯曲剪切破坏；②疲劳引起的预应力筋和非预应力筋的断裂；③疲劳导致的预应力筋断裂。

各板的疲劳寿命见表2。Yang等[7]结果表明，RC系列板的疲劳极限(疲劳极限对应的是完成200万次疲劳循环所施加的疲劳荷载水平的最大值。)不超过2.12Pj(板S-RC1在荷载水平为0.6Pu时疲劳循环200万次而未破坏)，对于SFCB系列板的疲劳极限不小于2.38Pj(板S-SFCB1也在荷载水平为0.6Pu时疲劳循环200万次而未破坏。板SFCB-1疲劳循环结束后并没有出现疲劳破坏，因为试验机器在试验过程中损坏，而维修后继续加载会导致荷载数据的误差，故采用静力加载方式至构件破坏)。对于BFRP系列板，疲劳极限应小于2.38Pj，板S-BFRP1在荷载水平为0.52Pu时疲劳循环160万次而破坏，未完成200万次疲劳循环荷载。

在获得疲劳极限的基础上，一方面，对板S-SFCB2和S-BFRP2进行加载顺序相反的变幅疲劳试验，所施加的荷载水平都小于各系列板的疲劳极限，试验表明这两块板疲劳循环200万次而未破坏，随后进行静态单调加载直至构件破坏；另一方面，对板S-RC2和S-BFRP2进行荷载从高到低的变幅疲劳试验，所施加的最大荷载水平都大于各系列板的疲劳极限(2.12Pj和2.38Pj)，仅在43万次和27万次，构件发生疲劳破坏。构件疲劳破坏形态见图6。图6(a)表明，板S-RC2出现了预应力筋和非预应力钢的疲劳断裂破坏形态；图6(b)表明，板S-BFRP2只观察到了预应力筋断裂。基于Palmgren-Miner[31]疲劳累积损伤理论可以推断，在变幅载荷作用下，RC系列板和BFRP系列板荷载水平一旦超过疲劳极限，疲劳寿命会大幅度下降低。尽管板S-RC1在疲劳上限为2.12Pj和2.29Pj时疲劳循环200万次和30万次，而当疲劳上限增加到2.38Pj时，仅8万次循环就发生了疲劳破坏，但利用板S-RC2的试验结果，可验证该推断的正确性。

图6 构件疲劳破坏形态

2.2 荷载-挠度曲线

变幅疲劳下构件的荷载-挠度曲线见图7。由图7(a)、图7(b)可知，虽然板S-SFCB2和S-BFRP3的加载顺序相反，但200万次疲劳循环后的挠度较接近(约0.9 mm)。在不同荷载水平下，虽然挠度有一定变化，但变化幅度仍可控制，因为所施加的荷载水平并没有超过疲劳极限。但此时，挠度的增加主要是由最大疲劳载荷水平所控制(特别是在50万次循环之前)，而较小的疲劳荷载水平似乎对结构损伤影响不大。

图7 变幅疲劳下构件的荷载-挠度曲线

由图7(c)可知，板S-RC2的荷载-挠度曲线相对分散，当应力幅增加时(超过了疲劳极限所对应的应力)，疲劳累积损伤就进一步增大，因此，应力幅是控制疲劳寿命的主要因素(钢筋应力接近550 MPa，接近屈服强度)。由图7(d)可知，板S-BFRP2位移曲线也相对较分散，需要注意的是，在疲劳荷载作用下，虽然此时BFRP筋的应力较小，但BFRP筋与混凝土黏结性能的降低可能导致结构破坏。因此，不同于应力幅值的影响，筋材与混凝土的黏结性能也是影响疲劳寿命的另一个重要因素[25]。

图8为疲劳试验后通过静力测试得到荷载-挠度曲线。构件S-SFCB2和S-BFRP3疲劳后的承载力和挠度与对比构件(文献[7]中静力测试的构件)差异较小，表明荷载水平小于疲劳极限时对构件的损伤程度有限。而板S-SFCB1，由于承受了较高的荷载水平(超过了疲劳极限)，疲劳后的承载力和挠度仅仅为对比构件的85%和73%。

图8 疲劳试验后静力加载的荷载-挠度曲线

2.3 荷载-裂缝曲线

试验中观察到板S-RC2和S-RC3在跨中出现了两条裂缝，而其他轨道板均在跨中仅出现一条裂缝。对于RC系列轨道板，当荷载水平超过0.6Pu时，可观察到两条裂缝，并且裂缝高度取决于荷载水平的大小。对于SFCB系列轨道板，在不同荷载水平下，裂缝高度较为稳定，基本保持在160 mm左右，距离混凝土顶部接近40 mm。相比而言，对于BFRP系列轨道板，当荷载水平超过疲劳极限时，观察到的裂缝高度迅速发展至混凝土顶部。

板S-SFCB2、S-BFRP3荷载-裂缝宽度曲线见图9。由于荷载水平在疲劳极限内，裂缝宽度和残余裂缝宽度随着疲劳次数的增加并不显著，200万次疲劳循环后，最大的裂缝宽度仅仅达到0.19、0.23 mm，此外，观察到较小的疲劳荷载水平(0.44Pu)对裂缝宽度的影响有限。相比而言，由于板S-RC2和S-BFRP2的荷载水平超出了疲劳极限，裂缝宽度曲线增加则较为显著，见图9(c)、图9(d)，这一点与荷载-挠度曲线保持一致。

图9 荷载-裂缝宽度曲线

由图9(e)可知，在相同疲劳上限(2.38Pj)下，板S-SFCB1经过200万次疲劳循环裂缝宽度为0.308 mm，约为板S-RC2经过20万次疲劳循环裂缝宽度的80%。当疲劳上限增加至2.53Pj时，板S-BFRP2仅经过5万次疲劳循环，其裂缝宽度便增加到0.64 mm，大约为板S-SFCB1(经过230万次疲劳循环)裂缝宽度的2.9倍。以上分析表明，即使荷载水平超过疲劳极限值，SFCB系列板也能较稳定控制裂缝宽度发展。

由图9(f)可知，板S-SFCB2和S-BFRP3在疲劳循环200万次后产生裂缝宽度几乎相同。显然，在疲劳极限荷载内，加载顺序对SFCB和BFRP系列板的裂缝发展几乎没有影响。需要注意的是，板S-SFCB2在Pmax= 2.12Pj仅经过40万次疲劳循环后的残余裂缝宽度、裂缝宽度分别为0.046、0.199 mm，而板S-BFRP3，经过90万次疲劳循环的残余裂缝宽度、裂缝宽度分别为0.029、0.12 mm。这进一步说明，变幅疲劳中最大荷载水平往往能控制结构裂缝增加，而当荷载水平小于疲劳极限时，不同的加载次数对裂缝宽度影响不大。

2.4 筋材和混凝土的应变

图10 试件200万次疲劳循环下荷载-应变对比曲线

图10为测试构件荷载-应变(筋材和混凝土)曲线。由图10(a)可见，尽管疲劳循环次数较少，但板S-BFRP2和S-RC2混凝土应变比板S-SFCB1数值略大，但不超过12%。由图10(b)可见，在200万次疲劳循环中，在板S-BFRP3和S-SFCB2中观察到了相似的混凝土应变，这主要取决于荷载水平的大小。由图10(c)可见，在板S-BFRP2、S-RC2中测得的筋材最大应变分别是板S-SFCB1中筋材的2.6倍、1.4倍。可以清楚地观察到，钢筋和BFRP筋的应变急剧增加，造成这种现象的原因有两个：①疲劳循环期间高应力水平导致钢筋过早屈服；②可以推论得到循环加载导致BFRP筋与混凝土之间的黏结性能下降，这主要取决于BFRP筋的直径和间距[25]。由图10(d)可见，加载顺序对板S-BFRP3和S-SFCB2中筋材的应变几乎没有影响，并且与图10(d)中混凝土应变趋势一致。

2.5 刚度衰减

轨道板的损伤(在破坏之前)可以通过构件刚度的衰减来表明。构件刚度变化与循环次数之间的关系见图11，纵坐标为构件的割线刚度和初始割线刚度比值，即E(n)/E(0)。其中，E(0)为初始割线刚度，E(n)为该循环次数下割线刚度，n为循环次数。割线刚度E(n)定义为

E(n)=Pmax/(Δmax-Δr)

( 1 )

式中:Pmax为疲劳荷载上限值；Δmax为疲劳荷载上限值对应的挠度；Δr为卸载后对应的残余挠度。

图11 各板刚度衰减-循环次数曲线

由图11可见，每块板的刚度随疲劳循环次数增加而降低。当荷载水平超过疲劳极限，RC系列轨道板，刚度的几乎是线性降低，接近破坏。而对于BFRP系列轨道板，由于黏结性能不足，构件的刚度降低也较显著。相比而言，SFCB系列板能够更好控制刚度变化，因为SFCB的FRP层在内部钢筋屈服后仍可提供二次刚度，继续承受疲劳荷载。荷载水平在疲劳极限以内，构件刚度衰减比较平缓，但需要注意，刚度的降低主要取决于板S-BFRP3和S-SFCB2变幅疲劳中最大的荷载水平。此外，即使疲劳荷载水平降低，构件刚度仍然不可恢复。