黨紅玲 張魯順 郭 驍
(1.廣州地鐵集團有限公司,廣州 510330; 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)
隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展,裝配式無砟軌道得到廣泛應用[1-2]。裝配式無砟軌道作為多層結構體系,主要由上層結構(軌道板或道床板)、下層結構(底座板或支承層)和中間層結構組成[3-4]。中間層結構主要為低彈模CA砂漿、高彈模CA砂漿、自密實混凝土、土工布、減振墊等。不同中間層及層間接觸狀態(tài)對軌道結構受力影響顯著。低彈模砂漿層可有效降低軌道結構受力,使荷載在軌道板內(nèi)得到較大的衰減,無砂漿層或接觸剛度較大時將增大軌道板受力[5]。中間層結構是無砟軌道多層結構體系的薄弱結構,極易引發(fā)軌道結構裂紋、離縫、破損、掉塊等多種病害的產(chǎn)生和發(fā)展[6-9]。目前,無砟軌道層間隔離多采用土工布[10],少量采用噴涂聚氨酯隔離層,以及其他具有一定減振性能的隔離層[11-14]。長期運營實踐表明,土工布吸水滲入混凝土,易引起砂漿層開裂、破損等病害;噴涂聚氨酯則易與軌道板牢固粘結,且不易起吊更換。
基于此,提出一種軌道交通裝配式無砟軌道的微彈性隔離層,既方便軌道板起吊更換,又能提供一定彈性,以及提高軌道結構耐久性及絕緣性能。
圖1 雙孔限位板式無砟軌道
為得到微彈性隔離層合理剛度,需研究微彈性隔離層剛度對軌道結構受力的影響。利用ABAQUS有限元軟件建立裝配式無砟軌道精細化分析模型[15-16]。裝配式無砟軌道型式為雙孔限位板式無砟軌道(見圖1),主要由鋼軌、扣件、軌道板、隔離層、自填充混凝土等組成。其中,鋼軌、軌道板、自填充混凝土采用實體單元模擬,扣件采用三向彈簧單元模擬,扣件靜剛度為30 kN/mm。為消除邊界效應,取3塊軌道板建模。列車荷載加載方式為單軸雙輪,數(shù)值取2倍靜輪載(170 kN)[17]。加載位置為軌道板中部。模型底部采用彈性基礎。裝配式無砟軌道有限元模型見圖2。
圖2 裝配式無砟軌道有限元模型
裝配式無砟軌道結構參數(shù)見表1。
表1 裝配式無砟軌道結構參數(shù)
微彈性隔離層面剛度分別取0.01,0.05,0.10,0.20,0.50,0.75,1.0 N/mm3,確定微彈性隔離層合理剛度范圍,并依據(jù)微彈性隔離層剛度指標進行廠內(nèi)試制和試驗。
以微彈性隔離層面剛度0.01 N/mm3為例,軌道結構位移及受力云圖見圖3。
微彈性隔離層面剛度分別為0.01,0.05,0.10,0.20,0.50,0.75,1.00 N/mm3時,對軌道結構位移、軌道結構的縱向、橫向拉應力、軌道結構位移的影響見圖4??梢钥闯?,隨著隔離層剛度的提高,鋼軌、軌道板的垂向位移逐漸減小,軌道板的縱向拉應力逐漸減小,自填充混凝土的縱橫向拉應力逐漸增大。若減小隔離層剛度,將增加軌道結構垂向位移,降低軌道動態(tài)平順性,且增大軌道板受力,但能夠降低自填充混凝土應力。因此,應在保證軌道安全性和平順性的前提下,盡量減小自填充混凝土受力,降低自填充混凝土傷損,在提高軌道平順性和降低自填充混凝土受力之間,合理確定減振墊剛度。
圖4 軌道結構位移及受力隨隔離層剛度的變化規(guī)律
微彈性隔離層可在一般地段裝配式軌道全線采用。參照TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術規(guī)范》[18],普通地段軌道結構鋼軌垂向位移最大允許值為2 mm。根據(jù)計算結果,雖然減小隔離層剛度能夠使自填充混凝土應力降低,但當減振墊面剛度小于0.01 N/mm3時,鋼軌垂向位移值將大于2 mm。因此,從軌道安全性和平順性的角度,減振墊面剛度應大于0.01 N/mm3。
隨著減振墊剛度的增大,軌道結構垂向位移逐漸減小,在超過0.5 N/mm3后,鋼軌、軌道板、自填充混凝土的垂向位移趨于穩(wěn)定,提高隔離層剛度并不能提高軌道動態(tài)平順性。考慮到增加減振墊剛度將使自填充混凝土應力增大,減振墊面剛度值建議不超過0.5 N/mm3。
因此,綜合考慮提高裝配式軌道平順性和降低自填充混凝土受力,建議微彈性隔離層面剛度范圍為0.05~0.5 N/mm3。
在合理剛度范圍的基礎上,應考慮施工維修性、經(jīng)濟性及絕緣性能的要求。選取土工布、橡膠、聚氨酯的隔離層分別進行剛度對比測試。土工布、橡膠、聚氨酯樣品見圖5。
圖5 3種不同材質(zhì)隔離層材料樣品
聚氨酯和橡膠材質(zhì)需要進行多次試制才能達到指定的剛度指標,第一次測試2塊聚氨酯和3塊橡膠材質(zhì)樣品,厚度均為8 mm,采用電液伺服疲勞試驗機對試制的隔離層靜剛度、壓縮模量等參數(shù)進行測試,見圖6。
3種不同材質(zhì)隔離層測試結果見表2。
圖7為3種不同材質(zhì)隔離層材料剛度測試曲線??梢钥闯觯S著荷載的增加,土工布壓縮變形量快速遞減,面剛度范圍在0.3~0.6 N/mm3。聚氨酯荷載由0增至2 kN時,變形量快速增大到1 mm,荷載繼續(xù)增大時,變形量開始線性增大。即前期變形量增加較快,后期變形量隨著荷載的增大,變形量近似呈線性增大,后期剛度較為穩(wěn)定。橡膠墊類似于聚氨酯,荷載由0增至1 kN時,變形量快速增大到0.6 mm,荷載繼續(xù)增大時,變形量增速放緩,變形量較小。即前期變形量增加較快,后期變形量變化較小。但每次試驗剛度值差異較大,表現(xiàn)出較高離散性。
圖6 隔離層材料剛度及模量測試
表2 3種不同材質(zhì)隔離層測試結果匯總
圖7 3種不同材質(zhì)隔離層材料剛度測試曲線
綜上,在施加較大動荷載的工況下,土工布剛度隨著荷載變化呈線性變化;聚氨酯墊剛度在荷載達到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定;而橡膠墊后期壓縮變形很小,但剛度急劇變化,動剛度浮動范圍較大??紤]到土工布受環(huán)境影響較大,且在潮濕或露天環(huán)境容易吸水,對其耐久性和剛度影響較大;另外橡膠墊動剛度變化較為劇烈,對其性能有一定影響。因此,依據(jù)測試結果,決定采用聚氨酯墊作為隔離層。
高分子材料老化指的是受到存儲、加工和服役環(huán)境中的光照、氧氣、溫度、機械應力、濕度、酸堿度等作用而引起的降解過程。熱氧老化和光氧老化則是聚合物材料老化降解的兩種最主要的形式。此外,環(huán)境中氧的存在對于老化的促進作用不容忽視。因此,提高高分子材料最有效的措施是在材料中添加抗氧劑、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑,以及延緩材料老化的無機添加劑。
依據(jù)GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》,對聚氨酯減振墊疲勞性能進行測試,以壓縮永久變形率30%作為臨界值,試樣在60 ℃、70 ℃、80 ℃下的平均失效時間分別為2 769 h、870 h、256 h。實際使用溫度假設為23 ℃,依據(jù)GB/T 20028—2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》及Arrhenius方程,得出樣品壽命為61.8年,滿足無砟軌道結構耐久性60年的要求。
通過分析微彈性隔離層剛度對軌道結構力學特性的影響,隔離層材料試制及測試,耐久性測試等方面,得出主要結論如下。
(1)考慮裝配式軌道平順性和自填充混凝土受力,建議微彈性隔離層材質(zhì)面剛度范圍為0.05~0.5 N/mm3。
(2)土工布剛度隨著荷載變化呈線性變化,聚氨酯剛度在荷載達到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定,橡膠后期壓縮變形較小,但剛度急劇變化。建議采用聚氨酯材料作為微彈性隔離層。
(3)依據(jù)對聚氨酯減振墊疲勞性能的測試,聚氨酯彈性墊的壽命為61.8年,滿足無砟軌道結構耐久性的要求。