復(fù)合軌枕有砟軌道動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

趙振航，沈毓婷，魏強(qiáng)，江萬(wàn)紅，耿浩，李成輝

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610031；2.中國(guó)鐵路總公司 工程管理中心,北京，100038；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都，610031)

隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)不同地質(zhì)條件及環(huán)境需求，研發(fā)了多種型式的軌道結(jié)構(gòu)。TB 10621—2014“高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范”[1]中規(guī)定在特殊區(qū)域，如鐵路穿越活動(dòng)斷裂帶的野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)時(shí)，需要考慮鋪設(shè)具有減振性能的有砟軌道。目前有砟軌道減振措施主要是鋪設(shè)具有減振性能的軌枕(如彈性軌枕、復(fù)合軌枕)、鋪設(shè)道砟墊及固化道床等。復(fù)合軌枕于20世紀(jì)90年代在美國(guó)興起，最初是為了代替日益減小的木枕，經(jīng)過(guò)高校、鐵路公司、廠家等組成的團(tuán)隊(duì)不斷研究而生產(chǎn)，復(fù)合軌枕主要以廢舊輪胎、塑料等為原料，以玻璃纖維絲為加勁物輔以化學(xué)添加劑而制成，具有質(zhì)量輕、高彈性、阻尼大、線膨脹系數(shù)大、在潮濕或昆蟲、菌類環(huán)境下不易降解等特性。目前，復(fù)合軌枕在美國(guó)、澳大利亞、印度等國(guó)進(jìn)行了鋪設(shè)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，僅在山西中南部通道鋪設(shè)了 1 km試驗(yàn)段[2]。目前，各國(guó)學(xué)者針對(duì)復(fù)合軌枕進(jìn)行了較多研究。復(fù)合軌枕為熱塑性材料，受溫度影響較大，LOTFY等[3-5]測(cè)試了不同溫度下復(fù)合軌枕的彈性模量、極限應(yīng)變等參數(shù)，同時(shí)測(cè)試了螺紋道釘?shù)目拱魏涂辜粜阅埽瑸榕c復(fù)合軌枕配套的螺紋道釘提供設(shè)計(jì)使用依據(jù)。段海濱[2]建立了動(dòng)力學(xué)模型，分析復(fù)合軌枕有砟軌道的動(dòng)力響應(yīng)。VIJAY等[6]對(duì)復(fù)合軌枕進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，得出了復(fù)合軌枕疲勞性能良好。以往的研究對(duì)復(fù)合軌枕軌道的研究多為材料性能分析，動(dòng)力性能研究多為理論分析，試驗(yàn)研究較少。為了深入研究復(fù)合軌枕有砟軌道動(dòng)力特性，本文作者建立復(fù)合軌枕有砟軌道實(shí)尺模型，通過(guò)落軸激勵(lì)試驗(yàn)，分析其動(dòng)力特性，為有砟減振軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 模型鋪設(shè)

為了能較好地說(shuō)明復(fù)合軌枕有砟軌道動(dòng)力性能，試驗(yàn)中也鋪設(shè)了較為成熟的彈性軌枕有砟軌道進(jìn)行對(duì)比。以往的研究中，有砟軌道承受列車垂向荷載，軌道鋪設(shè)5根軌枕進(jìn)行受力分析。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，同時(shí)節(jié)省試驗(yàn)成本，試驗(yàn)中，2種軌枕數(shù)量均為6根。實(shí)驗(yàn)前對(duì)道砟進(jìn)行清洗，保證其性能要求。模型的鋪設(shè)按照現(xiàn)場(chǎng)施工要求，2種軌道結(jié)構(gòu)道砟的夯實(shí)、搗鼓方法均相同，道砟截面尺寸滿足我國(guó)350 km/h有砟軌道要求[7]。復(fù)合軌枕有砟軌道主要由CHN60鋼軌、彈條Ⅱ分開式扣件、復(fù)合軌枕、一級(jí)道砟、道砟墊組成，彈性軌枕有砟軌道扣件采用彈條Ⅱ型扣件、軌枕由Ⅲ混凝土枕+枕下膠墊組成，其他結(jié)構(gòu)與復(fù)合軌枕軌道相同。

1.2 試驗(yàn)方法及工況

本次試驗(yàn)采用落軸沖擊的方法，該方法能很好地測(cè)試不同沖擊下軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，許多學(xué)者[8-14]也采用該方法測(cè)試了 CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ板式，雙塊式無(wú)砟軌道及Ⅲ型枕、Ⅱ型枕有砟軌道的動(dòng)力特性。

引起輪軌相互作用過(guò)大的原因主要是由于車輪存在扁疤或鋼軌存在短波不平順。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的計(jì)算公式，以CRH2型車為例，假設(shè)其車輪存在35 mm扁疤，計(jì)算對(duì)應(yīng)的落軸高度約為20 mm。因此，本文選取落軸高度20 mm為典型工況，另外增加10 mm和30 mm高度作為對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)高度測(cè)試均不少于6次。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)為通過(guò)落軸激勵(lì)，測(cè)試復(fù)合軌枕和彈性軌枕有砟軌道的動(dòng)力性能，主要的測(cè)試內(nèi)容從上到下依次為鋼軌的應(yīng)變、加速度、軌枕加速度、道床加速度、基礎(chǔ)加速度，具體的布點(diǎn)如圖1所示。2種軌道的測(cè)點(diǎn)布置保證完全相同，可以方便地進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Measuring point layouts

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加速度時(shí)程曲線

圖2 加速度時(shí)程曲線圖(落軸高度20 mm)Fig.2 Time histories of accelerations (wheel-drop load of height of 20 mm)

落軸沖擊下軌道各結(jié)構(gòu)的加速度時(shí)程曲線如圖2所示。通過(guò)圖2(a)鋼軌加速度時(shí)程曲線可以看出：輪對(duì)對(duì)2種軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌均有2次明顯的沖擊，第1次沖擊作用下復(fù)合軌枕鋼軌加速度最大值為 252.57g(g為重力加速度，g=9.81 m/s2)，彈性軌枕鋼軌加速度最大值為217.42g。復(fù)合軌枕鋼軌加速度最大值雖然比彈性軌枕的大，但衰減較快，到第2次沖擊前基本衰減為0 m/s2。由圖2(b)～(d)可以看出：在落軸激勵(lì)下，2種軌道軌枕的加速度峰值相差不大，彈性軌枕加速度衰減略快；彈性軌枕的道床加速度峰值為7.36g，略大于復(fù)合軌枕道床加速度的峰值5.26g，彈性軌枕的道床加速度衰減也較快；同樣，彈性軌枕的基礎(chǔ)加速度峰值也略大于復(fù)合軌枕基礎(chǔ)的峰值，2種結(jié)構(gòu)下基礎(chǔ)的衰減均較慢。

2種軌道結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)力特性與其各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(如質(zhì)量、鋼軌、阻尼等)密切相關(guān)。復(fù)合軌枕質(zhì)量?jī)H為彈性軌枕的1/3左右，軌道結(jié)構(gòu)參振質(zhì)量比彈性軌枕的小，受到落軸沖擊后對(duì)鋼軌的沖擊大，使得鋼軌的加速度峰值較大。而復(fù)合軌枕內(nèi)含有橡膠成分和高密度聚乙烯等高分子材料，其結(jié)構(gòu)阻尼較大，各種材料的模量不同，當(dāng)承受相同應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變不同，會(huì)形成相對(duì)應(yīng)變，增加耗能，因此，復(fù)合軌枕會(huì)消耗大量的能量，對(duì)下部結(jié)構(gòu)(如道床、基礎(chǔ))起到隔振的作用，減小道床和基礎(chǔ)的振動(dòng)。

2.2 落軸高度影響

為分析不同沖擊下，各結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，測(cè)試了10，20和30 mm落軸高度下鋼軌、軌枕、道床、基礎(chǔ)的加速度最大值，如圖3所示(平均值為6次測(cè)試的最大值的平均值)。由圖3可知：隨著落軸高度的增大，2種軌道鋼軌、軌枕、道床和基礎(chǔ)的加速度最大值均有所增大；3種落軸高度下復(fù)合軌枕軌道鋼軌和軌枕的加速度均比相同高度下彈性軌枕軌道的大，而道床和基礎(chǔ)加速度則比彈性軌枕軌道的小。從加速度最值來(lái)看，與彈性軌枕軌道相比，復(fù)合軌枕軌道更有利于減小對(duì)道床的沖擊，對(duì)基礎(chǔ)減振效果更好。

2.3 頻域分析

圖3 不同落軸高度加速度最值和均值圖Fig.3 The maximum values and mean values of accelerations under different wheel-drop load heihgts

圖4 1/3倍頻程加速度級(jí)Fig.4 One-third octave vertical frequency-weighted vibration acceleration level

參照文獻(xiàn)[8]中計(jì)算公式，得到軌道各結(jié)構(gòu)1/3倍頻程加速度級(jí)如圖4所示。由圖4(a)可知：在1～2 500 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕鋼軌加速度級(jí)均比彈性軌枕的小，尤其是在1～10 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕鋼軌加速度級(jí)遠(yuǎn)比彈性軌枕的低；在2 500～3 150 Hz時(shí)，2種軌道鋼軌加速度級(jí)相差很小。由此可見，在落軸沖擊下，復(fù)合軌枕有砟軌道會(huì)顯著降低鋼軌的低頻振動(dòng)。由圖4(b)可知：在1～16 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕加速度級(jí)比彈性軌枕的大；在16～2 000 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕加速度級(jí)有大于或小于彈性軌枕加速度級(jí)的情況；在2 000 Hz后，2種軌枕加速度級(jí)均迅速減小，2種軌枕振動(dòng)主要集中在2 000 Hz以下。從圖4(c)和(d)可以看出：在2 000 Hz以下，2種軌道道床加速度級(jí)相差不大，變化趨勢(shì)也相同，在2 000 Hz后，復(fù)合軌枕道床加速度級(jí)迅速減??；在1～10 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕基礎(chǔ)加速度級(jí)遠(yuǎn)比彈性軌枕的小，在10 Hz后，2種軌道基礎(chǔ)加速度級(jí)相差不大。

由上述分析可知，2種軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異主要表現(xiàn)在1～10 Hz范圍內(nèi)，該頻段內(nèi)，復(fù)合軌枕振動(dòng)能量較大，明顯減小了復(fù)合軌枕軌道的鋼軌和基礎(chǔ)振動(dòng)。對(duì)比2種有砟減振軌道，在1～10 Hz范圍內(nèi)，復(fù)合軌枕有砟軌道對(duì)基礎(chǔ)的減振效果優(yōu)于彈性軌枕有砟軌道對(duì)基礎(chǔ)的減振效果，當(dāng)大于10 Hz時(shí)，2種軌道的減振效果相近。

圖5 傳遞函數(shù)Fig.5 Transfer functions

傳遞函數(shù)可以分析軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性[9]，圖5所示為鋼軌-軌枕、鋼軌-道床的傳遞函數(shù)。由圖5可知：2種軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌-軌枕和鋼軌-道床傳遞函數(shù)差異主要也表現(xiàn)在1～10 Hz范圍內(nèi)，在該頻段內(nèi)，復(fù)合軌枕有砟軌道的鋼軌振動(dòng)小，軌枕振動(dòng)大，因此，復(fù)合軌枕有砟軌道鋼軌-軌枕傳遞函數(shù)明顯比彈性軌枕軌道的高；2種軌道道床振動(dòng)雖相差不大，但復(fù)合軌枕有砟軌道的鋼軌-道床傳遞函數(shù)也明顯比彈性軌枕軌道的高。在10 Hz以上時(shí)，2種軌道的鋼軌-軌枕和鋼軌-道床傳遞函數(shù)趨勢(shì)相同，大小也相差較小。

3 軌道動(dòng)剛度和阻尼

根據(jù)振動(dòng)理論，利用落軸試驗(yàn)可以測(cè)試軌道結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)剛度和阻尼，落軸試驗(yàn)計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度和阻尼的公式如下：

式中：K為軌道結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度；W為輪對(duì)重力；ζ為臨界阻尼系數(shù)比；C為軌道結(jié)構(gòu)整體阻尼系數(shù)；t0為沖擊力持續(xù)時(shí)間。ζ可由沖擊速度和反彈速度求得，具體公式如下：

本次試驗(yàn)輪對(duì)重力W為12 kN，t0和T1可以由落軸沖擊下鋼軌的應(yīng)變時(shí)程曲線獲取(如圖6所示)，將已知參數(shù)代入式(1)和(2)即可求得不同落軸高度下軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度和阻尼，如圖7和圖8所示。

由圖7可知：2種軌道的動(dòng)剛度均較低，這主要由2方面原因決定，其一為本身性質(zhì)，2種軌道結(jié)構(gòu)均具有較好的彈性，彈性軌枕有砟軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)、枕下膠墊、道床、道砟墊提供，復(fù)合軌枕有砟軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)、復(fù)合軌枕、道床、道砟墊提供；其二為施工質(zhì)量，本次室內(nèi)試驗(yàn)雖對(duì)道砟均進(jìn)行了分層夯實(shí)及搗鼓，但密實(shí)度與現(xiàn)場(chǎng)仍有一定差距，因此，也會(huì)影響軌道動(dòng)剛度。在不同高度沖擊下，彈性軌枕有砟軌道動(dòng)剛度較為穩(wěn)定，約為38 kN/mm，隨著高度的增加，復(fù)合軌枕有砟軌道動(dòng)剛度略有增加，由28 kN/mm增加到32 kN/mm。由圖8可知：復(fù)合軌枕有砟軌道阻尼比彈性軌枕軌道的略大，不同落軸高度下復(fù)合軌枕有砟軌道阻尼為170～195 kN·s/m，彈性軌枕有砟軌道阻尼為146～178 kN·s/m。

圖6 鋼軌應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.6 Time history of impact strain of rail

圖7 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度Fig.7 Dynamic stiffness of track structure

圖8 軌道結(jié)構(gòu)阻尼Fig.8 Damping of track structure

4 結(jié)論

1) 隨著落軸高度的增大，2種軌道動(dòng)力響應(yīng)均有所增大；對(duì)比2種軌道，復(fù)合軌枕有砟軌道鋼軌加速度較大，衰減快；2種軌道軌枕加速度相近；復(fù)合軌枕有砟軌道道床和基礎(chǔ)加速度略小，道床衰減較快；2種軌道基礎(chǔ)加速度均衰減較慢。

2) 在1～10 Hz范圍內(nèi)，復(fù)合軌枕振動(dòng)能量較大，減小了其軌道鋼軌和基礎(chǔ)的振動(dòng)，使得2種軌道動(dòng)力特性差異較大，故復(fù)合軌枕有砟軌道減振效果優(yōu)于彈性軌枕有砟軌道減振效果；在10 Hz以上時(shí)，2種軌道的減振效果相近。

3) 2種軌道結(jié)構(gòu)均由多層結(jié)構(gòu)提供彈性，因此彈性較好，使得動(dòng)剛度均較小。復(fù)合軌枕有砟軌道動(dòng)剛度為28～32 kN/mm，彈性軌枕有砟軌道動(dòng)剛度約為38 kN/mm；復(fù)合軌枕有砟軌道阻尼略大于彈性軌枕軌道阻尼，復(fù)合軌枕有砟軌道阻尼為170～195 kN·s/m，彈性軌枕有砟軌道阻尼為146～178 kN·s/m。