無砟軌道列車荷載層間分布特征及壓電式測試系統研究

張魯順 趙國堂 趙 磊 趙如鋒

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院,北京 100044;2.中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部,北京 100844;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國高速鐵路營業里程已達3萬公里,超過世界高鐵總里程的三分之二。無砟軌道具有高精度、高平順性、高穩定性的技術特點,為列車提供了安全可靠的高速運行平臺。無砟軌道列車荷載傳遞特征的研究,是無砟軌道材料、幾何尺寸優化和無砟軌道及下部基礎結構設計的理論依據。

與有砟軌道的散粒體道床相比,無砟軌道的整體性更加明顯,作為多層結構體系,不同型式無砟軌道層間接觸方式的差異性和復雜性,致使荷載傳遞的研究更為困難[1]。無砟軌道荷載傳遞特征的研究,一方面需要從理論分析的角度,對荷載在無砟軌道內部傳遞路徑及分布特征進行分析;另一方面需要研究能夠準確監測高速鐵路無砟軌道在正常服役過程中荷載分布的測試方法,開展現場測試及實尺模型試驗,對理論分析結果進行驗證及校準。無砟軌道理論研究方面,取得了大量理論成果,包括無砟軌道受力分析,振動特性分析及設計理論研究。其中,無砟軌道技術再創新理論組經過大量理論分析,建立了無砟軌道的設計理論體系、提出了相關的設計計算方法,統一了主要的設計計算參數,指導了我國客運專線無砟軌道生產建設[2]。翟婉明[3]在國際上首先提出并建立了車輛-軌道耦合動力學理論,該理論廣泛應用于列車振動特性傳遞研究,為高速鐵路建設提供支撐。模型測試方面,浙江大學蔣紅光等[4-5]率先建成可以模擬行車速度350km/h的大型動態加載裝置,對列車動態運行過程中基床動應力變化情況進行模擬,并對CRTS Ⅰ型板式無砟軌道下部路基系統動力荷載傳遞過程進行了大量試驗分析,得出扣件支點荷載分布和路基各層荷載變化的規律。中南大學吸收了浙江大學模擬加載系統的優點,建立了規模更大、邊界條件等同于實際情況的試驗臺,對CRTS Ⅰ型板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道路基荷載傳遞進行試驗研究,并對所模擬得到的不同速度、軸重情況下基床動應力進行測試與仿真分析[6-7]。現場測試方面,在遂渝客專無砟軌道試驗段、京津城際、京滬高速鐵路棗莊—蚌埠綜合試驗段、盤營和大西高速鐵路CRTS Ⅲ型板式軌道試驗段以及各高速鐵路聯調聯試中,都對無砟軌道動力響應進行了測試,特別是在武廣高速鐵路綜合試驗段對CRTS Ⅰ型板式無砟軌道、CRTS Ⅱ型板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道和Rheda2000無砟軌道進行了系統測試分析,得到了鋼軌、軌道板/道床板、底座板/支承層、軌道與線下工程界面上的受力、變形和振動特性[8],總結出的結論對無砟軌道結構設計和養護維修具有重要的意義。但是,對于列車荷載傳遞的研究多集中于鋼軌支點壓力及下部基礎表面壓應力峰值,無砟軌道層間荷載分布規律研究較少。荷載傳遞測試方法較為繁雜,缺乏對比分析及針對性地創新研發。

本文主要對無砟軌道荷載傳遞特征及測試方法研究,對比分析了現有多種荷載傳遞測試方法的適應性,根據現場實測經驗總結了荷載傳遞測試原則。建立了雙塊式無砟軌道實尺模型試驗,基于自主研發的石基壓電式測試系統和壓電式測力墊板測試系統,分析列車荷載傳遞特征,并與動力學仿真結果對比。列車荷載傳遞理論分析與室內測試結果分析相結合,提高了荷載傳遞研究結果的準確性及測試方法的可靠性。

1 無砟軌道荷載傳遞測試方法

1.1 測試方法適應性分析

無砟軌道列車荷載傳遞主要測試內容為鋼軌支點壓力測試和混凝土內部壓力測試。現有部分傳感測試技術已成功應用于無砟軌道測試中,對適用于列車荷載傳遞的測試方法,仍需要比較和發展。對商用壓力測試傳感器的多個技術指標進行對比,并定性地對不同測試方法進行綜合評估,見表1。

表1 壓力測試方法綜合評估

通過綜合評估可以看出,除電感式壓力測試不能用于高頻動態測試外,其余測試方法均可滿足測試所需的靈敏度和頻率響應的要求。其差異主要體現在傳感器體積、成本、與混凝土黏結性能及測試對結構受力影響等方面。振弦式壓力傳感器體積較大,大量布置于無砟軌道各層時或將影響結構截面承載力,霍爾、電渦流、電容式、應變式壓力測試傳感器封裝后與無砟軌道黏結性較差,大量布置影響結構承載力。傳感器耐久性考慮其長期監測結構的準確性及自身壽命兩方面。振弦式、應變式傳感器耐久性和長期穩定性稍差,分布式壓力測試傳感器僅可用于隔離層,而隔離層處的環境相對混凝土內部更加惡劣,且受到軌道板與底座之間長期拍擊作用,使用壽命也將低于預期。測試成本也是測試方法綜合評估中需要考慮的重要環節,壓阻式、電感式、分布式和光纖光柵式壓力測試成本均較大。其中,光纖光柵式壓力測試傳感器成本較低,但調制解調設備成本高昂。另外,對傳感器是否完全國產化進行了調研和總結,國內學者對相關測試傳感器均有研究,但除常規的應變式和振弦式測試方法外,大量測試傳感器均有待創新研發,尤其是傳感器控制芯片領域。總體看來,壓電式壓力測試方法通過對與混凝土黏結性和結構受力影響性兩方面進行創新研發,可以很好的適應于列車荷載傳遞壓力測試。

1.2 測試系統研發

1.2.1 石基壓電式壓力測試系統

壓電式壓力傳感器基于壓電效應,利用壓電材料受力后表面產生電荷,經信號電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后成為正比于所受外力的電量輸出。壓電材料可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料,壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷,當外力撤去后,晶體又恢復到不帶電的狀態,當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變,壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。

目前壓電傳感器普遍存在與無砟軌道混凝土結構黏結不良的問題,主要原因是傳感器尺寸過大,如振弦式壓力盒,尺寸往往達到100 mm 以上,大量埋入混凝土時,將降低無砟軌道結構的承載能力。另一方面,由于傳感器材料與混凝土結構間黏結較差,加上溫度變化及混凝土收縮變形,極易造成混凝土產生初始應力甚至開裂。本次混凝土內部壓力測試采用自主研發的基于壓電復合材料的大理石基壓力傳感器,已獲得專利。傳感器樣件及構成見圖1,傳感器直徑25 mm,高20 mm,主體材料為大理石,與混凝土骨料相近,澆筑完成后與混凝土黏結緊密,大量布置時不影響無砟軌道結構承載力。

圖1 石基壓電傳感器

測試系統由石基壓電傳感器陣列、數據連接線、信號放大器、數據采集儀、無線傳輸模塊及筆記本電腦組成,見圖2。

圖2 石基壓電式壓力測試系統組成

在現場試驗時,下部基礎平整完成后,進行路基頂面、無砟軌道底面測點布置。在底座板/支承層施工完成,軌道板/道床板鋼筋綁扎完成后,進行底座板/支承層頂面、軌道板/道床板底面測點布置。無砟軌道主體結構施工完成后,進行各測點石基壓電傳感器調試。試驗前,將傳感器數據線與信號放大器連接,然后將信號放大器與動態數據采集儀連接,各設備接上電源后,將動態數據采集儀連接筆記本電腦收取數據。試驗時,采集獲取各測點動態壓力時程,擬合壓力分布曲線。

壓電式壓力傳感器屬動態采集傳感器,靜態加載時不響應,需要采用動態循環加載或落錘沖擊加載的方式進行標定。

1.2.2 壓電式測力墊板測試系統

壓電式測力墊板所用的壓電材料與石基壓電式壓力測試傳感器一致,不同之處在于石基壓電式傳感器采用環氧樹脂進行保護,然后封裝于標準大理石圓柱中,而測力墊板是在彈性墊板上留出傳感器槽,在傳感器槽內將壓電陶瓷用硅膠封裝入彈性墊板,陶瓷片用兩根絕緣導線引出,連接至采集儀。考慮鋼軌經由軌下墊板、鐵墊板,放置于彈性墊板上,在橫向力作用下可能出現一定程度的側傾,在測力墊板兩側均設置一個傳感器。所制作完成的測力墊板樣件及構成圖分別見圖3。

圖3 壓電式測力墊板

基于壓電式測力墊板的鋼軌支點壓力測試系統由壓電式測力墊板、數據連接線、信號放大器、數據采集儀、無線傳輸模塊及筆記本電腦等部件組成,見圖4。

圖4 壓電式測力墊板測試系統組成

為獲取壓電式測力墊板的動態壓力與電荷輸出大小之間的對應關系,需要用具有標定資質的動態壓力試驗機對每塊墊板進行標定,獲取傳感器靈敏度曲線。完成傳感器封裝和標定后,將彈性墊板更換成測力墊板。將各個壓電式測力墊板依次經由信號放大器連接至數據采集儀,調試完成后開始測試。

2 荷載傳遞測試原則

根據現場測試經驗及仿真分析計算,從不同角度總結無砟軌道荷載傳遞測試原則:

(1)整體性。測試原件應盡可能降低對被測結構整體性能的影響,優先采用無損測試方法。埋入無砟軌道內部的傳感器應與混凝土材料具有較好的黏結性,尺寸盡量小于混凝土保護層厚度,不得因測試布點而改變結構原有傳力體系。

(2)測試范圍。通過現場測試及仿真分析發現,單輪荷載主要由5個扣件承擔,為保證測試效果以及考慮不同軌道結構型式、扣件剛度及間距等因素影響,將測試范圍外延1個扣件間距。因此,鋼軌支點壓力測試范圍應涵蓋連續7個扣件節點,依據測試目標不同,相應提升測試范圍,例如評估一個轉向架上兩輪對間相互影響時,鋼軌支點壓力測試范圍需涵蓋轉向架軸距,并在此基礎上向兩側各延伸3個扣件節點。無砟軌道結構層橫向布點時,測試傳感器數量應大于7個,依據對稱原則進行單邊布置時,傳感器數量應大于4個,鋼軌正下方和軌道板中心位置處必須設置測點。無砟軌道結構層縱向布點時,測試范圍應盡量覆蓋5個扣件節點并向兩側延長1.2 m,依據測試目標可適當加長。單元板式無砟軌道應覆蓋整塊板的縱向長度,可對稱布點,測點數量可依據對稱原則減半。

(3)測試頻率。列車運行速度360km/h時,典型鋼軌支點壓力和混凝土壓應力頻譜曲線見圖5。由圖5可見,鋼軌支點壓力頻率成分在0～500 Hz之間均有分布,無砟軌道動態壓力主要分布在0～100 Hz之間,采樣頻率應達到分析頻率的2.5倍。因此,鋼軌支點壓力和無砟軌道荷載分布測試頻率分別不小于1 250、250 Hz。

圖5 鋼軌支點壓力及混凝土壓應力頻譜曲線

(4)壓力測試傳感器準確度等級參考GB/T 13283—2008《工業過程測量和控制用檢測儀表和顯示儀表精確度等級》[9]中的準確度定義方法,取為0.2,即允許的基本誤差為滿量程輸出的±0.2%。其試驗方法參考GB/T 15478—2015《壓力傳感器性能試驗方法》[10]執行。

(5)壓力數據采集時,需要將所有測點連接至同一數據采集儀或置于同一網絡時間下,避免各通道數據的時間偏差或延遲。保證傳感器同步,有利于后期數據處理。

3 荷載傳遞實尺模型試驗

3.1 試驗設計

3.1.1 試驗概況

高速鐵路無砟軌道列車荷載傳遞測試方法,在京沈高速鐵路遼寧段經過行車測試驗證[11],為研究不同型式無砟軌道車輛荷載傳遞規律,在高速鐵路軌道技術國家重點實驗室內建立雙塊式無砟軌道實尺模型。應用自主研發的石基壓電式壓力測試系統及壓電式測力墊板測試系統,對鋼軌經由扣件系統傳遞至無砟軌道表面的鋼軌支點壓力分布規律、道床板、支承層底部荷載分布規律進行了系統性試驗。

3.1.2 試驗模型

實尺模型試驗平臺建造于實驗室的試驗槽內,下部基礎為混凝土橋,試驗平臺場地與現場見圖6。模型尺寸與現場雙塊式無砟軌道基本一致,道床板尺寸為5.85 m×2.8 m×0.26 m,支承層尺寸為5.85 m×3.3 m×0.3 m,扣件間距0.65 m。自上而下依次為CHN60鋼軌、WJ-8扣件、SK-2型雙塊式軌枕、C40道床板、C15 素混凝土支承層。道床板內部設置雙層配筋。

現場試驗時,安裝完整鋼軌和扣件,加載試驗現場見圖6。

圖6 試驗平臺及現場

3.1.3 測點布置

測試內容為單側9個節點的鋼軌支點壓力,道床板底部和支承層底部共布置石基壓電式壓力測點20個,按照對稱原則進行布置。道床板和支承層壓力傳感器上下對應,橫向測點按照理論分析獲取的布置原則布置于拐點處,縱向布置于鋼軌及扣件節點正下方,在荷載作用點一側扣件間距范圍內加密一個傳感器測點,具體布置位置見圖7。

圖7 石基壓電式傳感器測點布置

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 鋼軌支點壓力分布特征分析

依據試驗現場實際工況,利用ABAQUS有限元軟件建立車輛-雙塊式無砟軌道耦合動力學模型,與現場試驗結果對比,有限元模型見圖8。車型為CRH380B,軸距2.5 m,定距17.375 m,軸重17 t。車輛動力學模型建立時采用多剛體動力學建模方法[3],車輛各項力學參數參照文獻[12],輪軌間法向作用力由赫茲非線性彈性接觸理論確定,切向蠕滑力由蠕滑理論確定。雙塊式無砟軌道由鋼軌、扣件系統、道床板和支承層等組成,均采用實體單元模擬,相關參數見表2,接觸面剛度為橋梁支承剛度1 000 MPa/m,不考慮軌道平順性的影響。

圖8 車輛-雙塊式無砟軌道耦合動力學有限元模型

表2 雙塊式無砟軌道計算參數

鋼軌支點壓力分布典型測試結果見圖9,9個測點均為測力墊板輸出值,加載力為100、170 k N時,對應荷載作用點位置處的鋼軌支點壓力分別為-17.5、-30.1 k N,與加載力的幅值呈線性關系。荷載影響范圍基本為5個扣件節點,在此影響范圍內,荷載作用位置處的輪載分配比率約為32%,與之相鄰的兩個扣件位置處輪載分配比率分別約為24%、10%,動力學仿真結果與現場試驗結果差異較小,京沈高速鐵路遼寧段行車測試結果,荷載作用位置處的輪載分配比率為32%～37%[11],試驗結果略微偏小。

圖9 鋼軌支點壓力分布曲線

3.2.2 道床板底部壓力分布特征分析

道床板底部壓應力橫向分布典型測試結果見圖10(a),測試結果表明,道床板底部壓應力最大值位于鋼軌正下方,加載力為100、170 k N時,對應板下壓應力分別為-86.6、-147.3 k Pa,基本上與加載力的幅值呈線性關系。從橫向荷載分布范圍實測結果中可以看出,道床板底部荷載橫向基本呈雙峰型分布,板中及板兩側位置處壓應力較小,兩鋼軌間荷載疊加效應不明顯。單側荷載在道床板底部的影響范圍約為0.7 m,約占道床板單側橫向寬度的50%,因此,從荷載傳遞橫向分布規律的角度考慮,道床板寬度仍有一定的優化空間。動力學仿真結果與現場試驗結果差異較小,傳感器測試效果較好。

圖10 道床板底部壓應力橫向及縱向分布曲線(虛線為對稱描繪)

道床板底部壓應力縱向分布典型測試結果見圖10(b),測試結果表明,道床板底部壓應力最大值位于鋼軌正下方。加載力為100、170 k N時,與其縱向相鄰0.325 m 位置處壓應力為-10.8、-18.4 k Pa。與其縱向相鄰0.65 m 位置處,即相鄰第一個軌枕位置處,出現另一個峰值,壓應力為-64.8、-110.1 k Pa,該壓應力為荷載作用點正下方最大值的75%左右,且基本上與支點處分配的輪載力的幅值呈線性關系。道床板底縱向扣件間疊加效應不明顯,因此,扣件位置處峰值較大,而扣件間位置處出現明顯的波谷。

3.2.3 支承層底部壓力分布特征分析

支承層底部壓應力橫向分布典型測試結果見圖11(a),測試結果表明,支承層底部壓力最大值位于鋼軌正下方,加載力為100、170 k N時,對應支承層下壓應力分別為-14.2、-24.3 k Pa,武廣客專武漢綜合試驗段測試結果,軸重換算成17 t時,支承層底部壓應力為-20 k Pa左右[8],由于室內試驗接觸面剛度較大的原因,結果略大于測試結果。從橫向荷載分布范圍實測結果中可以看出,支承層底部荷載分布基本呈M型分布,鋼軌下壓應力大,側邊和板中處壓應力小,板中位置處略大于板側邊位置處。

圖11 支承層底部壓應力橫向及縱向分布曲線(虛線為對稱描繪)

支承層底部壓應力縱向分布典型測試結果見圖11(b),加載力為100、170 k N時,與其縱向相鄰0.325 m和0.65 m 位置處即一個扣件間距處壓應力較為接近。支承層底部荷載縱向傳遞范圍較遠,2號測點位置處壓應力約為峰值處的20%,1號測點位置處壓應力約為峰值處的5%。荷載在支承層底部縱向范圍內影響范圍7個扣件節點,約為4 m。整體來看,由于仿真分析時軌道結構下部基礎剛度取典型值與試驗平臺實際剛度有差距,而下部基礎剛度對支承層底部壓應力影響較大,致使仿真結果略高于實測值,但不影響其規律性分析。

4 結論

本文綜合評估了不同荷載傳遞測試方法的適應性,總結了荷載傳遞現場測試原則。基于雙塊式無砟軌道實尺試驗平臺,開展了雙塊式無砟軌道輪載下鋼軌支點壓力和道床板、支承層底部荷載分布規律試驗,并與動力學仿真分析結果對比,得出主要結論如下:

(1)石基壓電測試系統及壓電式測力墊板測試系統在荷載傳遞試驗中,測試結果準確可靠,可用于無砟軌道結構健康監測。

(2)單輪載主要由5個扣件承擔,荷載作用處的輪載分配比率約為32%,與之相鄰的兩個扣件位置處輪載分配比率分別約為24%、10%。

(3)道床板底部荷載橫向呈雙峰型分布,板中及板兩側位置處壓應力較小,兩鋼軌間荷載疊加效應不明顯。橫向分布范圍約占道床板寬度的50%,道床板寬度具有一定的優化空間。道床板底部壓應力縱向分布在扣件處出現峰值,且與支點處分配的輪載力幅值呈線性關系,扣件間疊加效應不明顯,靠近輪載處出現明顯的波谷。

(4)支承層底部荷載橫向呈M型分布,軌下壓應力大,側邊和板中處壓應力小。支承層底部壓應力縱向影響范圍為7個扣件節點,約為4 m。

(5)本文所總結的測試原則,可為無砟軌道結構整體受力現場測試提供參考;所得荷載傳遞分布規律,可為無砟軌道尺寸優化和下部基礎設計取值提供理論依據。