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年代在美國興起，最初是為了代替日益減小的木枕，經(jīng)過高校、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、澳大利亞、印度等國進(jìn)行了鋪設(shè)，在國內(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，各國學(xué)者針對復(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]也采用該方法測試了 CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ板式，雙塊式無砟軌道及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高度作為對比試驗(yàn)，每個(gè)高度測試均不少于6次。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)為通過落軸激勵(lì)，測試復(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種軌道的測點(diǎn)布置保證完全相同，可以方便地進(jìn)行對比分析。

圖1 測點(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。通過圖2(a)鋼軌加速度時(shí)程曲線可以看出：輪對對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)量僅為彈性軌枕的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)形成相對應(yīng)變，增加耗能，因此，復(fù)合軌枕會(huì)消耗大量的能量，對下部結(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。從加速度最值來看，與彈性軌枕軌道相比，復(fù)合軌枕軌道更有利于減小對道床的沖擊，對基礎(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)合軌枕加速度級比彈性軌枕的大；在16～2 000 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕加速度級有大于或小于彈性軌枕加速度級的情況；在2 000 Hz后，2種軌枕加速度級均迅速減小，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相差不大，變化趨勢也相同，在2 000 Hz后，復(fù)合軌枕道床加速度級迅速減?。辉?～10 Hz時(shí)，復(fù)合軌枕基礎(chǔ)加速度級遠(yuǎn)比彈性軌枕的小，在10 Hz后，2種軌道基礎(chǔ)加速度級相差不大。

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)合軌枕有砟軌道對基礎(chǔ)的減振效果優(yōu)于彈性軌枕有砟軌道對基礎(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)雖對道砟均進(jìn)行了分層夯實(shí)及搗鼓，但密實(shí)度與現(xiàn)場仍有一定差距，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。