重載鐵路用道砟墊設(shè)計研究

郄錄朝

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

有砟軌道結(jié)構(gòu)是散粒體結(jié)構(gòu)，道砟顆粒之間總是存在著空隙，在外荷載作用下，道砟顆粒相互錯動，空隙減小，道砟顆粒各接觸點(面)之間出現(xiàn)破碎、粉化，使顆粒排列更加緊密。

橋隧地段線下基礎(chǔ)為剛性，比路基區(qū)段的軌道剛度大，在30 t軸重重載列車作用下道砟更容易破碎臟污，降低道床彈性緩沖功能，加劇輪軌之間沖擊，增加養(yǎng)護維修難度和工作量。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①路基與橋隧過渡段剛度改變，測試表明，橋上軌道模量比路基上軌道模量高出14 000～24 000 kN/m/m;②軌道剛度的差異使輪軌沖擊加劇，增加了軌道變形和沉降，導(dǎo)致軌道不平順;③橋上軌道剛度比路基區(qū)段大，而軌道阻尼的相對改變不明顯，這會導(dǎo)致軌道部件性能急速惡化，加速道砟的破碎和粉化。

因此，重載鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)采取措施，降低軌道的剛度，減少道砟粉化，延長養(yǎng)護維修周期。

1 重載鐵路道砟墊應(yīng)用概況

日本新干線、德國高速鐵路、臺灣高速鐵路均在橋上有砟軌道中使用道砟墊，以提高軌道的彈性，改善道砟的受力狀況。

1)國際鐵路聯(lián)盟的717R(UIC Code717R)規(guī)范建議，在橋上采用有砟軌道是保持軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)性最有效的方法，如有需要，可在道砟和橋面之間墊入彈性墊層以降低軌道的剛度，使橋上軌道與相鄰路基上軌道有相近的豎向剛度。

2)德國鐵路的《標準軌距鐵路軌道規(guī)范》(DS82001)中規(guī)定，在人工建筑物，如混凝土橋或鋼橋橋面、隧道或槽形結(jié)構(gòu)物上應(yīng)鋪設(shè)能提高軌道彈性的道砟墊。德國鐵路對剛性基礎(chǔ)上推薦使用的道砟墊型號為USM4015，靜態(tài)模量為0.150 N/mm3。

3)澳大利亞NSW鐵路運輸公司2011年8月新制定的道砟標準(ESC 240)明確規(guī)定在橋上要采取措施降低軌道剛度，建議采用道砟墊，道砟墊設(shè)計要考慮排水等橋梁設(shè)計的要求。道砟墊具體使用情況見表1。道砟墊的形式主要有鞋釘式、開孔式、板式等，不同形式道砟墊性能見圖1。

表1 橋、隧地段剛性基礎(chǔ)上道砟墊推薦剛度

4)我國南京長江大橋鐵路線路由兩側(cè)引橋上的有砟軌道和橋上無砟軌道組成。在經(jīng)歷近40年的運營實踐后，特別是重載快速條件下軌道結(jié)構(gòu)已明顯不適應(yīng)運輸形勢的變化，表現(xiàn)為:由于引橋有砟軌道的道砟厚度不足，出現(xiàn)道床穩(wěn)定性差、變形快、維修周期短等情況;沿線路縱向的明橋和有砟橋出現(xiàn)明顯的剛度差異，造成線路剛度不均勻，影響列車的運行品質(zhì)。

圖1 不同形式道砟墊性能

根據(jù)南京長江大橋有砟橋的線路條件，設(shè)計鋪設(shè)道砟墊以改善其彈性。橋上道床厚25 cm，設(shè)計了3種厚度的橡膠道砟墊進行鋪設(shè)，厚度分別是20，25，30 mm。通過仿真計算和現(xiàn)場測試得出:鋪設(shè)道砟墊對低頻輪軌力、鋼軌和軌枕的垂向位移、鋼軌和軌枕的振動加速度有一定改善;對道床垂向位移、道床振動加速度有明顯改善效果(道床垂向位移可增加50%以上，道床振動加速度可降低45%以上);道砟墊對動力響應(yīng)的影響與列車速度、軌道不平順波長和波深的關(guān)系不大;30 mm厚度的道砟墊對道床的彈性改善效果較好，且其產(chǎn)生的軌道整體動剛度與明橋面的較接近，有利于實現(xiàn)明橋面和引橋的剛度過渡。

2 道砟墊面剛度取值研究

使用道砟墊后橋上的軌道剛度應(yīng)與路基上的軌道剛度一致，如果橋上和路基上采用軌道結(jié)構(gòu)一致，則采用道砟墊后的道床剛度與路基道床剛度一致即可。表2為有砟軌道路基段和橋梁段道床剛度測試結(jié)果。

表2 有砟軌道道床剛度測試結(jié)果

根據(jù)鐵路軌道強度檢算，道砟墊的當量支承剛度Ks=Kb橋Kb路基/(Kb橋－Kb路基)，其中，Kb路基為路基道床支承剛度，取80 kN/mm;Kb橋為橋上道床支承剛度，取170 kN/mm;Ks則為151 kN/mm。根據(jù)德國資料，半根軌枕下砟下膠墊的受力面積為0.6 m2。德國采用B70混凝土軌枕，枕底面積5 930 cm2，中國Ⅲ型軌枕的枕底支承面積7 720 cm2，與德國B70枕面積比為1.3，因此Ⅲ型枕半根軌枕下砟下膠墊的受力面積為0.78 m2，道砟墊的面剛度(靜態(tài)模量)C=Ks/0.78=0.194 N/mm3。

3 我國重載鐵路用道砟墊設(shè)計研究

3.1 道砟墊性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外道砟墊技術(shù)資料和計算分析，提出我國重載鐵路用道砟墊剛度技術(shù)參數(shù):靜態(tài)模量為(0.15±0.01)N/mm3;動態(tài)模量與靜態(tài)模量比不大于2.4?？紤]制造和鋪設(shè)，根據(jù)經(jīng)驗，道砟墊總厚度取15 mm，另外道砟墊表面用簾子布保護防破損。道砟墊寬1.25 m，長度按生產(chǎn)需要設(shè)計，道砟墊結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 道砟墊尺寸(單位:mm)

3.2 道砟墊室內(nèi)試驗

1)道砟墊靜動剛度試驗

進行道砟墊靜動剛度試驗時，最大荷載加載至0.25 N/mm2，取0.02～0.10 N/mm2的割線模量為道砟墊模量。

試驗結(jié)果表明:0.02～0.10 N/mm2對應(yīng)的道砟墊割線模量為0.140～0.154 N/mm3，滿足靜態(tài)模量(0.15±0.01)N/mm3的技術(shù)要求，5 Hz荷載作用下的動靜剛度比為1.30～1.58，滿足德國道砟墊供貨技術(shù)條件[1]要求(＜2.4)。

2)道砟墊疲勞性能試驗

在室內(nèi)采用兩塊1.0 m×0.5 m道砟墊試件，按30 t的換算荷載，進行總計1 250萬次的疲勞荷載試驗(圖3)。疲勞試驗前后道砟墊靜態(tài)模量變化率為3.76%，試驗后未發(fā)現(xiàn)有明顯的破損，道砟墊接頭也未發(fā)現(xiàn)傷損。

圖3 道砟墊疲勞試驗(單位:mm)

3)道砟墊使用效果試驗

為測試道砟墊使用效果，結(jié)合疲勞荷載試驗測試了試驗前后道砟粒徑級配、道砟粉化、道床剛度和累積變形。

試驗前后道砟粒徑級配曲線變化見圖4。由圖可見:試驗前后道砟粒徑級配均無明顯變化，道砟損失率僅為1.02%，但室內(nèi)試驗由于設(shè)備限制，不能完全模擬現(xiàn)場的高頻沖擊，具體使用效果還需現(xiàn)場試驗進一步驗證。道床累積變形統(tǒng)計見圖5，由圖可見，在初始時道床還不穩(wěn)定，道床累積變形較大，在加載10萬次以后，累積變形開始趨于收斂。道床靜、動剛度變化統(tǒng)計見圖6和圖7，由圖可見，鋪設(shè)道砟墊后道床始終保持良好的彈性。

圖4 疲勞試驗前后道砟粒徑級配曲線

圖5 道床累積變形

圖6 道床靜剛度變化

圖7 道床動剛度變化

4 結(jié)語

道砟墊靜態(tài)模量為0.140～0.154 N/mm3，滿足(0.15±0.01)N/mm3的技術(shù)要求;5 Hz荷載作用下的動靜剛度比為1.30～1.58，滿足＜2.4的技術(shù)要求。

疲勞試驗前后道砟墊靜態(tài)模量變化率為3.76%，試驗后未發(fā)現(xiàn)有明顯的破損，道砟墊接頭也未發(fā)現(xiàn)傷損。鋪設(shè)道砟墊后道床道砟粉碎率很小，軌道彈性保持能力較好。

目前，道砟墊已在山西中南部鐵路通道長鎮(zhèn)道大橋進行了鋪設(shè)試驗。

[1]German Federal Railways Specification.DB-TL918071 Technical Conditions for the Supply of Ballast Mat[S].Munchen:German Federal Railways Specification，1998.

[2]DEUTSCHE NORM.DIN 45673-5 Mechanische Schwingungen-Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen-Teil 5:Labor-Prüfverfahren für Unterschottermatten[S].Berlin:DEUTSCHE NORM，2010.

[3]NSW Transport Railcorp.ESC 240 Ballast[S].New South Wales:NSW Transport Railcorp，2011.

[4]周宇，徐玉德，周紅青，等.南京長江大橋有砟道床彈性改善的研究[J].鐵道工程學(xué)報，2009(1):53-57.

[5]曾樹谷.鐵路散粒體道床[M].北京:中國鐵道出版社，1997.

[6]郝瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2000.

[7]國際重載協(xié)會.國際重載鐵路最佳應(yīng)用指南——線路施工與運營維修[M].北京:中國鐵道出版社，2011.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB 2034—88 鐵路軌道強度檢算方法[S].北京:中國鐵道出版社，1988.

[9]中國鐵道科學(xué)研究院.30噸軸重重載鐵路有砟軌道關(guān)鍵技術(shù)研究總報告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.