復合軌枕無砟軌道疲勞試驗研究

沈毓婷，楊永明，閆 雪，耿 浩，江萬紅

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

隨著軌道交通運輸需求的不斷提高，加快列車運行速度和增加客貨運量是提高鐵路運輸能力的必然趨勢。無砟軌道結構組成材料的多樣性導致軌道在列車荷載的長期反復作用下可能出現各種類型的疲勞傷損[1-2]，因此需要對無砟軌道及其各部分的疲勞性能展開研究。軌枕在軌道結構中起著承力、傳力和保持幾何形位的作用，木枕彈性好但使用壽命短，混凝土枕使用壽命長但自重大，維修困難。復合軌枕是一種以復合高分子材料為主料，增強材料和化學添加劑為輔料制成的新型軌枕，其剛度優于木枕，彈性優于混凝土枕[3-5]，施工操作簡單，易于養護維修，具有較大推廣應用的潛力。

目前復合軌枕主要在國外重載有砟軌道上使用，國內外學者對復合軌枕軌道性能分析較少。Richard Lampo[6]等測定了復合軌枕極限強度、彈性模量以及螺紋道釘的抗拔力，并且總結了復合軌枕失效的原因和影響因素。Reiff R[7]等介紹了復合軌枕在伯靈頓北部和圣達菲鐵路兩個試驗地點的實際安裝，結合美國鐵路規范提出了安裝注意點。Reiff R[8]等進一步針對復合軌枕在安裝過程中受到的荷載進行了測試，結果表明：復合軌枕在現場安裝過程中會受到一次高荷載作用。段海濱[9]研究了復合軌枕有砟軌道的鋼軌、軌枕、道床垂向動力特性并與Ⅲ型混凝土軌枕進行對比，通過改變影響參數討論其對軌道力學性能的影響。同時通過查閱無砟軌道疲勞性能方面的資料發現，無砟軌道疲勞性能研究主要集中在理論方面。王青[10]等建立不同位置列車疲勞荷載作用模型和混凝土、鋼筋、水泥瀝青砂漿的疲勞本構模型，并分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道應力、位移和損傷。尹華拓[11]在考慮路基上雙塊式無砟軌道鋼筋、混凝土疲勞特性對軌道疲勞影響的基礎上，研究了溫度荷載和列車荷載對材料壽命和軌道壽命的影響，同時分析了不同軌道參數的影響。李思云[12]通過建立彈性地基梁-體模型，對CRTS-I型板式無砟軌道在列車荷載和環境溫度共同作用下的疲勞特性。一些學者對無砟軌道疲勞性能進行試驗研究。倪躍峰[13]開展了無砟軌道疲勞性能試驗，結合客貨共線列車荷載和速度設計了加載工況，通過檢測混凝土試件的動彈性模量和抗折強度進行軌道損傷評價和使用壽命預測。馮什[14]對CRTSⅠ型板式無砟軌道各部件的位移、受力及溫度開展疲勞試驗，并觀察了軌道結構疲勞傷損。劉曉春[15]等采用CRTSⅢ型板式無砟軌道實尺模型，對疲勞荷載下軌道的橫向彎曲應力和變形進行研究。吳斌[16]等基于軌道-路基動力模型試驗系統，建立CRTSⅢ型板式無砟軌道結構1∶1足尺模型開展疲勞試驗研究。目前國內缺少復合軌枕無砟軌道結構性能方面的研究，在其推廣應用前，應對其疲勞性能開展研究。

針對復合軌枕無砟軌道結構在列車荷載作用下的疲勞性能，開展試驗進行研究。通過建立復合軌枕無砟軌道實尺模型，對其施加疲勞荷載，觀察無砟軌道結構的疲勞損傷的發生、發展過程，測試無砟軌道結構的疲勞變形和受力變化，為復合軌枕無砟軌道結構的推廣和應用提供依據。

1 試驗方案

1.1 軌道模型

疲勞試驗采用的復合軌枕無砟軌道實尺模型如圖1所示。復合軌枕無砟軌道實尺模型主要由鋼軌、扣件、軌枕、道床板組成，其中鋼軌為CHN60鋼軌，扣件為彈條II型分開式扣件，主要由螺紋道釘、鐵墊板、調高墊板、膠墊、T形螺栓、II型彈條組成，扣件系統垂向靜剛度為40～60 kN/mm。復合軌枕周圍及底面為毛面，以增加與混凝土的接觸摩擦面，長、寬、高分別為2 300、220、180 mm。本次試驗復合軌枕數量取為7根，中間5根為長枕，長度為2 300 mm，兩側為雙塊式軌枕，長度為650 mm。道床板采用C40混凝土板，長、寬、高分別為4 200、2 800、260 mm，內配上下兩層鋼筋，復合軌枕內豎向貫穿4根錨固鋼筋，對軌枕起到限位作用，道床板橫斷面配筋如圖2所示。

圖1 復合軌枕無砟軌道疲勞試驗實尺模型

圖2 復合軌枕無砟軌道配筋(單位：mm)

1.2 試驗加載及測試

本次試驗采用AMSLER脈沖疲勞試驗機進行加載，最大可施加荷載為500 kN，精度為500 N，示值允許偏差≤1%。結合工程實際，荷載施加按照最不利工況車輛軸重25 t考慮；由于列車荷載符合正態分布[17]，而試驗所施加的荷載只能為一定幅值的正弦荷載，應將隨機分布的列車荷載按正態分布特征進行分級，按照各級荷載所占頻率確定荷載作用次數[18]，因此正弦幅值最大值設為375 kN，最小值設為125 kN，加載頻率為4 Hz，疲勞加載次數為300萬次。

疲勞荷載按照相關規范要求采用圖3所示的試驗裝置施加在軌道橫向中心線位置[19]。疲勞試驗前先進行預加載，以檢驗加載設備、采集記錄儀器是否正常，再連續加載疲勞荷載300萬次。試驗采用圖4所示的激光位移計記錄軌道各部件位移，位移傳感器安裝支架應保證牢固，傳感器頂針與被測面須垂直。試驗采用電阻應變片記錄道床板應力，電阻應變片粘貼前應磨平貼片處，清潔油污，粘貼應注意避免應變片中氣泡的存在。采用IMC動態數據采集儀記錄數據，采集和存儲軌道初始狀態的數據以及之后加載次數每達到30萬次時的軌道狀態數據。

圖3 疲勞荷載施加裝置

圖4 激光位移計

1.3 測試內容及布置

通過施加疲勞荷載，研究復合軌枕無砟軌道的變形和受力特征變化，以及檢查軌道是否出現疲勞損傷，試驗測點布置如圖5所示。

圖5 復合軌枕無砟軌道疲勞試驗測點布置

2 試驗結果及分析

在300萬次疲勞加載過程中，通過從復合軌枕無砟軌道外觀上觀察發現，軌道各部件狀態均良好，未出現疲勞損傷。軌道變形和受力特征變化分析如下。

2.1 變形分析

在復合軌枕無砟軌道疲勞試驗中，激光位移計和IMC動態數據采集儀記錄的鋼軌相對于軌枕的豎向、橫向位移，軌枕相對于道床板的豎向位移，道床板相對于基礎的豎向位移以及軌距加寬隨疲勞加載次數增加的變化如圖6～圖10所示。由于軌下膠墊、復合軌枕具有彈性，道床板與基礎之間存在一定空隙，復合軌枕無砟軌道各部件之間的相對位移在開始加載到連續加載100萬次過程中略微增大。隨著無砟軌道各部件逐漸被壓實，試驗后期各部件相對位移的波動逐漸減小，趨于穩定，軌距在整個加載過程中基本不變。

圖6 鋼軌豎向相對位移

圖7 鋼軌橫向相對位移

圖8 軌枕相對于道床板豎向位移

圖9 道床板相對于基礎豎向位移

圖10 軌距變化

在300萬次疲勞荷載加載過程中，加載點處和加載點側軌枕處鋼軌相對于軌枕的豎向位移分別在2.17～2.36 mm和1.40～1.48 mm范圍內變化，橫向位移在0.42～0.67 mm范圍內變化，軌枕相對于道床板的豎向位移在0.069～0.102 mm范圍內變化，道床板相對于基礎的豎向位移在0.058～0.073 mm范圍內變化，軌距增加量基本穩定在0.1 mm。可以看出，對于復合軌枕無砟軌道結構，軌道上部變形較大，下部變形很小且基本穩定，因此鋪設復合軌枕無砟軌道時應考慮上部構件之間的配套，并在軌道運營過程中，重視軌道上部結構振動和變形方面的監測檢查工作。

2.2 受力分析

根據復合軌枕無砟軌道道床板布置的應變片得到的道床板應力數值變化如圖11所示。道床板拉應力隨著次數增加，波動幅度很小且逐漸趨于穩定。道床板混凝土彈性模量為3.25×104MPa，①處和②處測得的道床板橫向最大拉應力為1.667 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa[20]；③處和④處測得的道床板縱向最大拉應力為0.605 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa。

圖11 道床板應力

3 結論

針對復合軌枕無砟軌道的疲勞性能開展試驗研究。通過建立復合軌枕無砟軌道實尺模型，測試軌道各部件在疲勞荷載作用下的變形和受力變化，從而分析復合軌枕軌道疲勞性能，得到以下結論。

復合軌枕無砟軌道結構在300萬次疲勞加載過程中，隨著軌道結構逐漸被壓實，軌道變形和受力無明顯變化，逐漸減小并趨于穩定。其各部件狀態保持良好，未出現疲勞損傷，說明復合軌枕無砟軌道結構具有較好的疲勞性能，可進行推廣使用。

考慮疲勞試驗中軌道結構各部件的變形特征，使用復合軌枕無砟軌道應考慮軌道上部構件之間的配套，且運營過程中應重視軌道上部結構振動和變形方面的監測檢查工作。