柔性鋪裝防護(hù)體系在鐵路鋼橋有砟軌道橋面中的適用性

鞠曉臣，左照坤，劉曉光

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，有砟軌道橋面逐漸成為新建鐵路橋梁常采用的一種橋面結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)大多是在鋼橋縱橫梁體系上或正交異性整體鋼橋面上鋪設(shè)混凝土道砟槽板，然后在道砟槽板上依次鋪設(shè)道砟、軌枕、鋼軌等。但由于混凝土道砟槽板一般具有較大的自重，使得橋梁二期恒載較大，且由于道砟槽板抗拉性和變形協(xié)調(diào)性較差，在長期溫度荷載和過往車輛疲勞荷載作用下，道砟槽板較易產(chǎn)生裂紋和破碎現(xiàn)象[1-5]。

借鑒公路鋼橋面柔性鋪裝防護(hù)體系，一些輕薄的柔性鋪裝形式開始在鐵路橋梁中得到應(yīng)用，如東新贛江特大橋采用了6 cm厚雙層環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層[6]、銅陵公鐵兩用長江特大橋采用6 cm厚澆筑式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)體系[7]。與混凝土道砟槽板相比，柔性鋪裝防護(hù)體系對橋梁具有更好的變形協(xié)調(diào)性，且柔性鋪裝橋面結(jié)構(gòu)單線二期恒載可降低約30 kN/m。然而柔性鋪裝防護(hù)體系在鐵路鋼橋中的應(yīng)用剛剛起步，其對鐵路道砟的適應(yīng)性有待更長運(yùn)營時間的驗證。

根據(jù)鐵路鋼橋現(xiàn)場工作情況，橋面鋪裝層所受荷載作用主要包括兩方面，即道砟對其產(chǎn)生的豎向刺穿疲勞作用和水平向磨耗作用。本文以冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層[8-9]為研究對象，對其在鐵路鋼橋有砟軌道橋面的適用性開展試驗研究。

1 柔性鋪裝體系性能指標(biāo)

冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝是指“冷拌樹脂瀝青混凝土+樹脂瀝青黏結(jié)層+環(huán)氧黏結(jié)碎石層+鋼橋面”的鋪裝形式，其結(jié)構(gòu)體系見圖1?？紤]鋪裝體系的實際功能要求，并根據(jù)鋪裝層材料性能試驗，冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝體系中各層的關(guān)鍵性能指標(biāo)見表1—表3。

圖1 冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝體系

表1 環(huán)氧黏結(jié)碎石層性能指標(biāo)

表2 樹脂瀝青(RA)膠結(jié)料性能指標(biāo)

不同柔性鋪裝體系性能對比見表4，可知，冷拌樹脂瀝青混凝土在界面抗剪強(qiáng)度、耐高溫性能等方面都表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。另外，在施工便易性上冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝優(yōu)勢明顯，其施工不需要特殊的施工機(jī)具和苛刻的施工工藝，且施工及養(yǎng)護(hù)時間短，后期維護(hù)方便。

表3 RA混合料性能指標(biāo)

表4 不同柔性鋪裝體系性能對比

2 豎向耐道砟刺穿疲勞試驗

2.1 試驗概況

圖2 試件截面(單位：mm)

依據(jù)在建蕪湖長江公鐵大橋鐵路橋面制作大節(jié)段試驗?zāi)Ｐ停⒈ＷC試驗?zāi)Ｐ完P(guān)鍵部位受力與實橋相似。試件截面如圖2所示，包含2個倒T形大縱梁和4個U形肋，以及2個橫隔板。倒T形大縱梁腹板高722 mm，厚16 mm，下翼緣寬300 mm，厚16 mm。閉口U形肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm，U形肋間距為600 mm。橫隔板間距為3.5 m，厚16 mm；橋面板厚16 mm。試件總體高1.032 m，長3.658 m，寬3 m。在試件鋼面板表面鋪設(shè)33 mm厚冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層，待鋪裝層鋪設(shè)完成后，對鋪裝面厚度和平整度進(jìn)行測量，平整度應(yīng)控制在1.5 mm以內(nèi)。在試件表面鋪設(shè)特級道砟，并采用小型搗固機(jī)對道砟進(jìn)行搗固，道砟厚35 cm。道砟周圍采用擋板圍護(hù)，按照標(biāo)準(zhǔn)在道砟上鋪設(shè)5根Ⅲ型重型混凝土軌枕，軌枕間距600 mm。在軌枕上安裝75 kg/m重載鐵路用鋼軌及配套扣件。

試驗加載過程如圖3所示。試驗采用50 t試驗機(jī)進(jìn)行加載，考慮高速客運(yùn)列車軸重為17 t，故沖擊系數(shù)取1.5，試驗機(jī)輸出荷載下限為10 kN，荷載上限為255 kN。荷載通過分載梁作用于鋼軌上，加載頻率為2～4 Hz。采用循環(huán)荷載和靜力荷載交替的方式進(jìn)行試驗，即每當(dāng)循環(huán)荷載循環(huán)50萬次時進(jìn)行1次靜力荷載試驗。試驗加載200萬次時，清除道砟并檢查鋪裝層表面情況。再次填裝道砟，裝配軌枕、鋼軌、扣件等，保持相同的荷載輸出，繼續(xù)加載300萬次。

圖3 試驗加載過程

試驗中對關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置如圖4(a)所示。測點(diǎn)位于兩橫隔板跨中，其中，S1～S9為應(yīng)力測點(diǎn)，S3,S5和S7為雙向應(yīng)力測點(diǎn)(順橋向和橫橋向)，D1和D2為豎向位移測點(diǎn)。由于道砟為離散體，隨著加載次數(shù)的增加道砟狀態(tài)可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致軌枕發(fā)生位移。因此，試驗過程中通過新型徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀對軌枕的豎向位移進(jìn)行測量。測試點(diǎn)布置在中間3根軌枕的兩端(G2～G7)，測點(diǎn)距離軌枕端部約25 mm;在鋼橋面板跨中兩側(cè)邊緣布置測點(diǎn)(G1和G8)作為軌枕位移基準(zhǔn)參考點(diǎn)，如圖4(b)所示。

圖4 測點(diǎn)布置

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果可知，橋面板應(yīng)力和位移隨著加載次數(shù)的增加并沒有明顯的變化。循環(huán)荷載作用一段時間后，在300 kN靜力荷載作用下，橋面總體受力依然較小，倒T形縱梁下翼緣(S1，S2，S8，S9)順橋向應(yīng)力約為12 MPa，U形肋下翼緣順橋向應(yīng)力約為18 MPa,其他測點(diǎn)應(yīng)力均不足5 MPa。測點(diǎn)D1和D2的豎向位移約為0.33 mm。

在300 kN靜力荷載作用下軌枕豎向位移見表5?？芍?，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軌枕位移基本沒有變化，表明道砟狀態(tài)在加載過程中保持較好。軌枕豎向位移約為0.86 mm，參考點(diǎn)橋面板豎向位移約為0.23 mm。由于道砟處于散粒狀態(tài)，因此軌枕豎向相對位移約為0.63 mm。

表5 在300 kN靜力荷載作用下軌枕豎向位移 mm

加載200萬次后，清除道砟并對鋪裝層表面情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鋪裝層未出現(xiàn)明顯的局部凸起、凹陷、磨損、刺穿或破碎現(xiàn)象，加載后鋪裝層表面孔隙率有所增加。軌枕作用下方U形肋或倒T形梁腹板與面板連接處局部下凹，最深下凹約4 mm，如圖5(a)所示。加載500萬次時，鋪裝層依然未產(chǎn)生明顯破壞，但與加載200萬次時相比，軌枕作用下方的凹痕數(shù)量和下凹深度有一定增加，最深下凹約5 mm，如圖5(b)所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知，該鋪裝防護(hù)層具有良好的耐道砟豎向刺穿疲勞性能。

圖5 鋪裝層凹痕情況(單位：mm)

循環(huán)荷載作用500萬次后，采用滲水儀對鋪裝層進(jìn)行滲水試驗[10-11]，檢查循環(huán)荷載作用后鋪裝層的防水性能。將鋪裝層劃分成30 cm×30 cm的方格區(qū)域，選擇荷載主要作用的2個方格和邊緣受荷載影響很小的2方格進(jìn)行試驗，見圖6。4個測點(diǎn)處鋪裝層均未發(fā)生滲水現(xiàn)象，說明鋪裝層在疲勞荷載作用過后防水功能依然完好。

圖6 滲水試驗

3 水平向耐道砟磨耗試驗

3.1 試驗概況

圖7 試驗裝置與試件示意

鋪裝層耐道砟水平磨耗試驗裝置包括反力架、20 t 作動器、壓力傳感器、采集儀、無底鋼箱、鋪裝層試件、工字鋼支撐梁等，如圖7所示。反力架和鋪裝層試件通過螺栓固定在工字鋼支撐梁上，作動器一端通過螺栓固定在反力架上，另一端與無底鋼箱連接，在作動器與無底鋼箱連接的螺栓上穿有墊片式壓力傳感器，用于測量作動器對無底鋼箱的拉力。無底鋼箱通過卡槽置于鋪裝試件上部，且底部與鋪裝層上表面不接觸。在無底鋼箱內(nèi)部填充道砟及配重，道砟與鋪裝層直接接觸，通過作動器帶動無底鋼箱左右往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)道砟對鋪裝層的水平磨耗作用。

鋪裝層試件鋼板尺寸為720 mm×570 mm×20 mm，其上鋪設(shè)尺寸為470 mm×356 mm×33 mm的鋪裝層。無底鋼箱采用4塊鋼板焊接而成，容積為360 mm×300 mm×537 mm，壁厚40 mm，其側(cè)壁兩塊鋼板底部伸出35 mm，與試件鋪裝層配合形成卡槽，以保證無底鋼箱沿鋪裝層做單向往復(fù)運(yùn)動。

試驗中道砟厚35 cm，重度20 kN/m3。采用Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，質(zhì)量353 kg，軌枕按 1 667 根/km計算，鋼軌為60 kg/m。若軌枕及其上部荷載按45°擴(kuò)散，經(jīng)道砟傳遞至鋼橋面板，則“鋼軌+軌枕+道砟”實際作用在鋼橋面板上的應(yīng)力為8.31 kPa。經(jīng)換算無底鋼箱內(nèi)“道砟+配重”質(zhì)量為89.79 kg。試驗之前，先在無底鋼箱內(nèi)填筑35 cm厚道砟，然后在道砟上部放置配重，使“道砟+配重”總質(zhì)量為89.79 kg，以模擬實際工程中道砟與鋪裝層的接觸情況。

在正式試驗之前進(jìn)行空箱試驗，用于測量未填筑道砟時作動器對無底鋼箱的作用力。作動器加載頻率為0.02 Hz，每一周期行程為0.14 m。對空箱進(jìn)行加載，直至采集儀顯示所施加荷載的幅值趨于穩(wěn)定為止。試驗結(jié)果表明，當(dāng)作動器大約運(yùn)行32個周期時，其對無底鋼箱的作用力幅值趨于穩(wěn)定，幅值大小為 1 250 N，即作動器對空箱施加最大荷載為 1 250 N?？障湓囼炌瓿珊?，按要求在無底鋼箱內(nèi)填筑道砟進(jìn)行正式試驗。

3.2 試驗結(jié)果分析

通過應(yīng)變計測量得到作動器對無底鋼箱的作用力為 2 200 N，可知道砟與鋪裝層之間的摩擦力為950 N，摩擦因數(shù)為1.06。試驗過程中試件變化情況如圖8所示。當(dāng)?shù)理呐c鋪裝層相對滑動行程約200 m時，無底鋼箱與鋪裝層表面之間的縫隙開始出現(xiàn)道砟碎屑;當(dāng)?shù)理呐c鋪裝層相對滑動行程約300 m時，無底鋼箱與鋪裝層表面之間縫隙開始有大量道砟碎屑涌出，此時磨耗試驗結(jié)束。

圖8 試驗過程中試件變化情況

試驗前后鋪裝層表面情況對比如圖9 所示?？梢姡?00 m后鋪裝層表面變得更光滑，但幾乎沒有破損。

圖9 試驗前后鋪裝層表面對比

4 結(jié)論

本文以冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層為研究對象，對其在鐵路鋼橋有砟軌道橋面上的適用性開展研究，得到結(jié)論如下：

1)通過與環(huán)氧瀝青混凝土和澆筑式瀝青混凝土鋪裝性能指標(biāo)對比可知，冷拌樹脂瀝青混凝土在施工周期、后期修復(fù)以及施工便易性上都明顯優(yōu)于前兩者。

2)根據(jù)耐道砟豎向刺穿疲勞試驗，在500萬次1.5倍高速列車軸重循環(huán)荷載作用下，冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層未出現(xiàn)明顯的局部凸起、磨損、刺穿或破碎現(xiàn)象，狀態(tài)良好，并且其防水功能依然完好。

3)根據(jù)耐道砟水平向磨耗試驗可知，鋪裝層與道砟之間的摩擦因數(shù)約為1.06。冷拌樹脂瀝青混凝土鋪裝層具有較好的耐道砟水平向磨耗性能，在道砟摩擦粉碎的情況下，鋪裝層表面無明顯損傷。