某線框架板式軌道CA砂漿傷損動力試驗研究

蔡世昱，周 建，楊榮山

(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)

某線于2007年建成通車，鋪設(shè)有CRTSⅠ型和Ⅱ型板式軌道，起初運行普通客運列車和動車，自2010年開始運行貨車，據(jù)現(xiàn)場反映，在運行貨車前無砟軌道已有破壞跡象，運行貨車后破壞情況大為加劇。該線路CA砂漿采用灌注袋施工，現(xiàn)場調(diào)查表明，CRTSⅠ型板式軌道局部破壞較為嚴重，主要表現(xiàn)為:邊角處砂漿豎向開裂，并呈弧狀露出軌道板，顯示砂漿層受到較強的擠壓作用而破壞;砂漿脆化嚴重，部分砂漿已嚴重粉化，粉化的黑稀泥狀物質(zhì)中可見大量砂粒.本次現(xiàn)場試驗主要針對框架板式軌道CA砂漿傷損進行動力測試試驗，從而分析CA砂漿傷損(碎裂、掉塊等)修復前后鋼軌及軌道板的動力學響應(yīng)，評估CA砂漿傷損對軌道結(jié)構(gòu)受力和行車安全的影響，以及針對現(xiàn)場CA砂漿碎裂等病害的現(xiàn)有修復技術(shù)加以評估。

1 試驗概況

本次試驗地點位于該線某路橋過渡段處路基側(cè)，軌道結(jié)構(gòu)類型為框架板式無砟軌道。試驗針對一塊軌道板進行，該軌道板位于路橋過渡段路基側(cè)，軌道板左側(cè)距離橋頭10 m左右，軌道板右側(cè)距離龍鳳隧道100 m左右，所處位置受力較為復雜?，F(xiàn)場測試軌道板如圖1所示，圖中圓圈為CA砂漿傷損位置。

圖1 框架板式軌道CA砂漿損傷動力測試

1.1 試驗工況

(1)工況一:左端CA砂漿傷損位置未修補，右端CA砂漿傷損位置使用SKD803修補膠修補;

(2)工況二:左端 CA砂漿傷損位置使用SKD803修補膠修補，右端 CA砂漿傷損位置使用SKD803修補膠修補，后保持不變;

(3)工況三:左端CA砂漿傷損位置和右端CA砂漿傷損位置均使用SKD801填縫膠進行灌縫施工。

1.2 試驗內(nèi)容

(1)測試3種工況，列車荷載作用下鋼軌垂向加速度、垂向位移響應(yīng);

(2)測試3種工況，列車荷載作用下軌道板垂向加速度、垂向位移響應(yīng)。

1.3 測點布置

在CA砂漿傷損位置的線路一側(cè)鋼軌上布置加速度計位置2個(左端和右端)、位移計位置3個(左端、中部和右端)，軌道板上布置加速度計位置3個(左端、中部和右端)、位移計位置3個(左端、中部和右端)。

在CA砂漿傷損位置的線路另一側(cè)軌道板上布置加速度計位置3個(左端、中部和右端)。

共計布置加速度計8個，位移計6個。具體測點布置如圖2所示。

圖2 框架板式軌道CA砂漿傷損動力測試測點布置示意

1.4 測試方法

(1)用彈片式位移計測試3種工況下各測點的鋼軌、軌道板垂向位移響應(yīng);

(2)用加速度計測試3種工況下各測點的鋼軌、軌道板垂向加速度響應(yīng)。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

由于該線屬于客貨混跑線路，本次試驗針對測試數(shù)量較多的CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4種機車類型進行數(shù)據(jù)處理分析。數(shù)據(jù)處理過程中舍棄個別明顯存在偏差的數(shù)據(jù)，取剩余數(shù)據(jù)的均值和峰值進行以下對比分析。需要說明的是，由于機車車輛軸重不一，故提取數(shù)據(jù)時CRH1型按前兩節(jié)機車計，其他3種機車類型按機車計。本次試驗涉及的4種類型機車車輛基本參數(shù)如表1所示。

表1 4種機車類型基本參數(shù)

測試數(shù)據(jù)顯示列車上行和下行對軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)沒有明顯影響，故此處不做分析。

2.1 鋼軌動力響應(yīng)分析

試驗測試了CA砂漿傷損位置線路一側(cè)的鋼軌垂向加速度響應(yīng)(左端和右端)，以及鋼軌垂向位移響應(yīng)(左端、中部和右端)。鋼軌作為列車荷載直接作用于基礎(chǔ)，分析鋼軌的垂向動力響應(yīng)可以有效評估CA砂漿傷損對行車安全性和舒適性影響。

2.1.1 鋼軌垂向加速度

三種工況下，各種機車類型對應(yīng)的鋼軌垂向加速度響應(yīng)如表2所示。

表2 列車荷載作用下鋼軌垂向加速度響應(yīng) ×g

由表2可以得出以下結(jié)論:

(1)在列車荷載作用下，CA砂漿傷損左端位置鋼軌垂向加速度和CA砂漿傷損右端位置鋼軌垂向加速度響應(yīng)基本一致，并且在修復前后無明顯變化;

(2)對于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4種機車類型，在同種工況下，列車荷載作用下鋼軌垂向加速度響應(yīng)大小順序依次為SS7C型＞CRH1型＞HXD3C型＞HXD1C型;對于 SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3種軸重比較接近的機車類型，行車速度越大，列車荷載作用下鋼軌垂向加速度響應(yīng)越大，表明在CA砂漿傷損位置，鋼軌垂向加速度響應(yīng)對行車速度較為敏感;對于SS7C型和CRH1型兩種機車類型，CRH1型行車速度約是SS7C型的1.5倍，SS7C型機車軸重約是CRH1型的1.4倍，而SS7C型列車荷載作用下鋼軌垂向加速度響應(yīng)約為CRH1型的1.3倍，表明在CA砂漿傷損位置，鋼軌垂向加速度響應(yīng)對列車軸重較為敏感。

2.1.2 鋼軌垂向位移

3種工況下，各種機車類型對應(yīng)的鋼軌垂向位移響應(yīng)如表3所示。

由表3可以得出以下結(jié)論:

(1)在列車荷載作用下，CA砂漿傷損左端位置、無CA砂漿傷損中部位置和CA砂漿傷損右端位置鋼軌垂向位移響應(yīng)基本一致，并且在修復前后無明顯變化;

(2)對于SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3種軸重比較接近的機車類型，在同種工況下，列車荷載作用下鋼軌垂向位移響應(yīng)基本一致;SS7C型、HXD3C型、HXD1C型和CRH1型相比，前3種列車軸重較大，而后一種列車軸重較小，雖然后一種列車行車速度較大，前3種列車荷載作用下對應(yīng)位置鋼軌垂向位移響應(yīng)仍為后一種列車荷載作用的2～3倍，表明在列車行車速度不高(低于200 km/h)的情況下，鋼軌垂向位移響應(yīng)對列車軸重較為敏感。

表3 列車荷載作用下鋼軌垂向位移響應(yīng) mm

2.2 軌道板動力響應(yīng)分析

試驗測試了CA砂漿傷損位置線路一側(cè)的軌道板垂向加速度響應(yīng)(左端、中部和右端)及軌道板垂向位移響應(yīng)(左端、中部和右端)。并且測試了CA砂漿傷損位置線路另一側(cè)的軌道板垂向加速度響應(yīng)(左端、中部和右端)。

軌道板一方面承受來自列車荷載經(jīng)鋼軌和扣件傳遞來的動荷載，另一方面直接置于CA砂漿填充層之上，在列車荷載作用下對CA砂漿傷損狀態(tài)有直接的感應(yīng)。因此，對軌道板的垂向動力響應(yīng)分析可以有效評估CA砂漿傷損對軌道結(jié)構(gòu)受力以及耐久性影響，是制定CA砂漿傷損修復技術(shù)指標的重要依據(jù)。

2.2.1 軌道板垂向加速度

3種工況下，各種機車類型對應(yīng)的軌道板垂向加速度響應(yīng)如表4所示。

由表4可以得出以下結(jié)論:

(1)在列車荷載作用下，在CA砂漿傷損線路一側(cè)，CA砂漿傷損左端位置、CA砂漿傷損右端位置軌道板垂向加速度響應(yīng)是無CA砂漿傷損中部位置的3倍左右，在傷損修復后減小到1～2倍，即傷損部位修復后，軌道板垂向加速度響應(yīng)沿縱向趨于均勻，而在傷損位置修復前后軌道板垂向加速度響應(yīng)并無明顯變化;

(2)在列車荷載作用下，CA砂漿傷損線路一側(cè)與線路另一側(cè)相比，軌道板垂向加速度響應(yīng)量值和規(guī)律均比較一致，表明傷損雖然發(fā)生在軌道板一側(cè)，軌道板垂向加速度響應(yīng)沿橫向比較一致;

表4 列車荷載作用下軌道板垂向加速度響應(yīng) xg

(3)對于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4種機車類型，在同種工況下，列車荷載作用下鋼軌垂向加速度響應(yīng)大小順序依次為SS7C型＞HXD3C型＞CRH1型＞HXD1C型;對于SS7C型、HXD3C型和CRH1型機車類型，速度較低軸重較重的前兩種機車較速度較高軸重較輕的動車的列車荷載作用下軌道板垂向加速度響應(yīng)大的多，表明在CA砂漿傷損位置，在行車速度不高(低于200 km/h)的情況下，軌道板垂向加速度響應(yīng)對列車軸重更為敏感;同樣對于SS7C型、HXD3C型和HXD1C型3種軸重比較接近的機車類型，行車速度越大，列車荷載作用下軌道板垂向加速度響應(yīng)越大，表明在CA砂漿傷損位置，軌道板垂向加速度響應(yīng)對行車速度也較為敏感。

2.2.2 軌道板垂向位移

3種工況下，各種機車類型對應(yīng)的軌道板垂向位移響應(yīng)如表5所示。

表5 列車荷載作用下軌道板垂向位移響應(yīng)mm

由表5和圖3～圖6可以得出以下結(jié)論:

(1)在列車荷載作用下，對于工況一，CA砂漿傷損左端位置和CA砂漿傷損右端較無CA砂漿傷損中部位置軌道板垂向位移響應(yīng)沿縱向呈現(xiàn)“兩邊高中間低”的現(xiàn)象;對于工況二，CA砂漿傷損左端位置經(jīng)SKD803修補膠修補后，左端位置軌道板垂向位移明顯降低;對于工況三，CA砂漿傷損左端位置和右端位置經(jīng)SKD801填縫膠灌縫后，軌道板垂向位移響應(yīng)沿縱向明顯區(qū)域均勻，表明CA砂漿傷損修復后，軌道板結(jié)構(gòu)整體受力明顯改善;

(2)工況二和工況一相比，對于 CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4種機車類型，列車荷載作用下CA砂漿傷損左端位置軌道板垂向位移響應(yīng)均值分別從0.140、0.187、0.189 mm和0.180 mm降低到0.060、0.122、0.111 mm 和 0.124 mm，表 明 使 用SKD803修補膠后，修補膠對降低軌道板垂向位移響應(yīng)作用明顯;

(3)工況三和工況二相比，對于CRH1型、SS7C型、HXD3C型和HXD1C型4種機車類型，列車荷載作用下CA砂漿傷損左端位置軌道板垂向位移響應(yīng)均值分別從0.060、0.122、0.111 mm和0.124 mm降低到0.023、0.035、0.027 mm 和 0.045 mm，表 明 使 用SKD801填縫膠后，可能由于填縫膠或者修補膠隨著時間的強度變化因素影響，軌道板垂向位移響應(yīng)繼續(xù)明顯降低;

(4)對于4種機車類型，在同種工況下，SS7C型、HXD3C型、HXD1C型3種機車類型列車荷載作用下鋼軌垂向位移響應(yīng)均較CRH1型要大，表明在列車行車速度不高(低于200 km/h)的情況下，軌道板垂向位移響應(yīng)對列車軸重更為敏感。

圖3 3種工況CRH1型列車荷載作用下軌道板垂向位移響應(yīng)

圖4 3種工況SS7C型列車荷載作用下軌道板垂向位移響應(yīng)

圖5 3種工況HXD3C型列車荷載作用下軌道板垂向位移響應(yīng)

圖6 3種工況HXD1C型列車荷載作用下軌道板垂向位移響應(yīng)

3 試驗結(jié)論

(1)在列車荷載作用下，CA砂漿傷損左端位置、無CA砂漿傷損中部位置和CA砂漿傷損右端位置鋼軌垂向加速度響應(yīng)基本一致，CA砂漿傷損左端位置、無CA砂漿傷損中部位置和CA砂漿傷損右端位置鋼軌垂向位移響應(yīng)基本一致，并且在修復前后無明顯變化，即鋼軌垂向加速度響應(yīng)和垂向位移響應(yīng)對CA砂漿傷損不敏感;

(2)CA砂漿傷損修復前后，軌道板垂向加速度響應(yīng)沿縱向趨于均勻，而在傷損位置修復前后軌道板垂向加速度響應(yīng)并無明顯變化，軌道板垂向加速度響應(yīng)對CA砂漿傷損并不十分敏感，經(jīng)修復后軌道板結(jié)構(gòu)振動有改善的趨勢;

(3)CA砂漿傷損修復前后，軌道板垂向位移響應(yīng)沿縱向幾乎均勻，傷損修復后軌道板垂向位移響應(yīng)明顯降低，軌道板結(jié)構(gòu)整體受力明顯改善;

(4)在CA砂漿傷損位置，鋼軌垂向加速度響應(yīng)和垂向位移響應(yīng)、軌道板垂向加速度響應(yīng)和垂向位移響應(yīng)對列車軸重和行車速度較為敏感，表現(xiàn)為行車速度不高(低于200 km/h)的情況下列車軸重影響更為明顯。

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