板式無砟軌道錨固銷釘限位技術的試驗研究

王繼軍

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所 100081)

板式無砟軌道結構錨固銷釘限位技術是采用銷釘將軌道板和混凝土底座栓接牢固，通過前期的仿真計算，初步表明了該方案的可行性。錨固銷釘限位較凸形擋臺限位單元板式具有一定優勢，如底座澆筑后可用于物流運輸、省去凸形擋臺混凝土二次施工、避免了軌道電路絕緣問題等。

采用錨固銷釘限位的板式無砟軌道既可作為一種新型無砟軌道結構，也可作為單元板式或縱連板式軌道結構的維修預案，為我國無砟軌道結構形式的深入研究以及養護維修技術提供支撐。本文旨在已有研究成果的基礎上，根據我國客運專線單元板式無砟軌道的結構特點進行錨固銷釘限位技術的試驗研究。

荷蘭至比利時高速鐵路曾采用過銷釘錨固系統將作為軌下基礎的樁板結構和混凝土道床板進行連接。從銷釘靜態受力、動態疲勞以及環境腐蝕等方面進行了系統研究，最終確定銷釘的物性指標及其布置形式，如圖1所示。

圖1 樁板結構上錨固銷釘限位平縱斷面(單位:mm)

隨著我國高速鐵路建設工程大規模展開，銷釘錨固技術也開始被應用于國內高速鐵路項目中。已開通運營的城際鐵路部分地段采用了錨固銷釘限位系統，主要應用于橋梁固定支座處Ⅱ型軌道板和底座板之間的連接，以傳遞二者之間的縱向作用力。在客運專線部分地段樁板結構上，錨固銷釘系統作為雙塊式無砟軌道的限位裝置亦得以應用。

1 錨固銷釘方案設計

考慮我國高速鐵路建設對于無砟軌道結構安全性和耐久性的要求，所選取銷釘、配套膠體材料、板下隔離層應具有良好的疲勞性能和抗腐蝕能力。根據前期研究資料，相同形式尺寸的碳鋼材質銷釘與 HRB500級鋼筋的靜態承載能力相差不大，但對于疲勞承載能力碳鋼銷釘則優于HRB500級鋼筋。本文研究時銷釘選擇碳鋼材質。根據前期仿真計算結果及CRTS I型軌道板的配筋設計，提出了兩種銷釘布置方案，如圖2和圖3所示。

混凝土底座采用Ⅰ型板式無砟軌道設計方案，根據銷釘布置方式，適當改變底座鋼筋布置間距，以避免底座鉆孔過程中切斷受力鋼筋。銷釘在底座中埋深不得小于150 mm，在軌道板中埋深不得小于180 mm。砂漿填充層采用高彈模砂漿。

2 銷釘限位設計的力學試驗研究

針對提出的兩種銷釘設計方案，分別進行了單個銷釘靜態承載力、疲勞承載力以及實尺模型銷釘承載能力的試驗，從兩個方面最終給出銷釘的合理布置方案、數量、間距和埋深。

2.1 銷釘承載能力試驗研究

2.1.1 靜力試驗

理論計算表明，銷釘限位板式無砟軌道結構中銷釘承受的軸向拉壓力較小，而水平向剪力是銷釘受力的控制因素，因此首先進行單根銷釘剪切承載能力研究，“U”形試件如圖4所示。銷釘直徑選取32 mm和40 mm兩種。

試驗過程如圖5，加載力與位移曲線如圖6所示。試驗結果表明，直徑40 mm銷釘承載能力明顯大于直徑32 mm銷釘，試件破壞前，銷釘變形基本是在彈性范圍內，底座中埋深對銷釘承載能力影響性不明顯，試件的破壞形式主要以“U”形試件在彎拉荷載作用下開裂為主，并有部分試件出現砂漿填充層的開裂。

圖2 銷釘布置方式一(單位:mm)

圖3 銷釘布置方式二(單位:mm)

圖4 “U”形試件加載示意(單位:mm)

圖5 單根銷釘承載能力加載過程

2.1.2 疲勞試驗

在靜力試驗的基礎上，模擬現場條件進行了銷釘的疲勞性能試驗。采用圖7所示裝置在實驗室內進行單根銷釘的疲勞承載能力研究。試驗采用直徑40 mm和32 mm銷釘各4個。實際疲勞荷載上下限分別為15～91 kN和27～154 kN，疲勞次數均為200萬次，以對比兩種銷釘的疲勞承載能力。

圖6 單根銷釘力與位移曲線

圖7 疲勞試驗試件布置(單位:mm)

疲勞循環中荷載與銷釘位移曲線如圖8所示。試驗結果表明:①直徑40 mm銷釘在27～154 kN進行200萬次加載后，試件無損壞，表明在砂漿填充層有隔離層條件下，可承受150 kN的疲勞荷載。在試驗荷載條件下銷釘為彈性變形。②直徑32 mm銷釘在15～91 kN進行疲勞后試件無損壞(實際進行250萬次)，在27～154 kN疲勞荷載作用下兩試件均破壞(混凝土開裂)。③疲勞試驗結束后將兩種直徑銷釘從試件中取出，銷釘均無明顯彎曲(塑性變形)。

2.2 實尺模型試驗研究

為了驗證錨固銷釘設計方案中銷釘數量、埋深和布置的合理性，鋪設了錨固銷釘限位板式無砟軌道結構實尺模型，研究在無銷釘條件下軌道板的縱向承載能力;在銷釘、鋼軌、扣件約束作用下軌道板縱向承載能力，包括設置隔離層與不設置隔離層兩種工況;在銷釘、鋼軌、扣件約束作用下軌道板橫向承載能力以及軌道結構是否發生偏轉。

2.2.1 無銷釘條件

圖8 銷釘荷載—位移關系曲線

實尺模型中為模擬實際條件，考慮扣件系統約束作用下對軌道板進行頂推試驗，包括進行軌道板縱向頂推和軌道板端橫向頂推，以考察僅有扣件系統約束條件下軌道板的承載能力。

試驗表明，在扣件約束狀態下，當荷載 <160 kN時，軌道板無位移，此時軌道板與砂漿或砂漿與底座的摩擦力起主導作用。在軌道板端部施加100 kN的橫向荷載，軌道板會產生較大扭轉，影響軌道幾何形位，銷釘的布置需考慮這一因素。

2.2.2 銷釘約束條件

僅有扣件系統約束時軌道板在縱、橫兩個方向均無足夠的承載能力，根據理論計算及總體設計方案中銷釘的布置方式，在實尺模型軌道板上進行銷釘錨固后再次進行縱向、橫向頂推試驗。試驗結果表明:在銷釘及扣件約束狀態下，當施加荷載 <300 kN時，軌道板基本無位移;超過此荷載后，軌道板開始產生滑移，銷釘開始明顯受力，但軌道板整體縱向變形幅值很小，加載至700 kN時軌道板變形僅為0.3 mm，銷釘的根部最大拉應變也僅為 80×10－6～100×10－6。在縱向荷載作用下，軌道板上所布置的4根銷釘受力基本相同。在軌道板中部橫向加載，以研究在橫向荷載作用下銷釘受力分配及軌道板抵抗橫向力的能力。試驗數據表明，在160 kN橫向力作用下，軌道板基本無位移，隨著荷載增大，變形和受力才出現，各銷釘受力基本相當。對于兩種銷釘布置方案，3 390 mm間距的方案其板端橫向抗力要大于1 360 mm方案。后者在軌道板端部施加100 kN的橫向力，在完全不考慮板底和砂漿之間黏結力的情況下，軌道板變形也僅0.1 mm，不會產生扭轉。

3 結語

通過對單個銷釘進行的靜力承載試驗、疲勞試驗以及實尺模型進行的相關試驗研究可知:

1)同等條件下應采用直徑較大的銷釘可以降低混凝土的局部應力;直徑40 mm銷釘承載能力明顯大于直徑32 mm銷釘，40 mm銷釘可承受150 kN、200萬次的疲勞荷載而不發生結構破壞。

2)兩種銷釘的變形基本是在彈性范圍內。結構的破壞表征為銷釘周邊混凝土局部應力過大而開裂。底座中埋深對銷釘承載能力影響不明顯。

3)僅有扣件系統約束條件下，板式軌道結構縱向、橫向均無足夠承載能力。而采用錨固銷釘限位時，板式無砟軌道結構有足夠的強度和剛度抵抗縱向和橫向荷載，且有較大安全儲備。

4)基于目前所設計的銷釘布置方式，采用4根間距在1 360 mm以上、直徑40 mm的銷釘方案應力幅值較小且受力均勻，可滿足設計要求。

[1] 劉紅陽.影響植筋粘結錨固性能主要因素的試驗研究［J］.山西建筑，2006(7):148-149.

[2] 尚守平.銷釘在鋼筋網復合砂漿加固混凝土構件中的性能研究［J］.建筑結構，2006(3):10-12.

[3] 毛達嶺.HRB500鋼筋粘結錨固性能的試驗研究［D］.鄭州:鄭州大學碩士學位論文，2004.

[4] 司偉建.混凝土結構植筋粘結錨固性能的試驗研究［J］.建筑結構，2001(3):9-12.

[5] 中華人民共和國建設部.GB50367-2006混凝土結構加固設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

[6] 姜子清，江成.橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道臺后錨固體系的研究分析［J］.鐵道建筑，2010(3):77-79.