橋上長枕埋入式無砟軌道疲勞試驗(yàn)

許釗榮，李瑩，董昆靈，高自遠(yuǎn)，楊榮山，鄭淮林

(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)

隨著現(xiàn)代鐵路橋梁設(shè)計(jì)、建造技術(shù)的不斷提高，大跨度、高時(shí)速的鐵路橋梁逐步投入使用，這些新建橋梁大多選取客貨共線運(yùn)營模式[1?4]。在此運(yùn)營模式下，軌道結(jié)構(gòu)既要保證高速客車運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性與安全性，又要保證重載貨車運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性與耐久性，所以對(duì)軌道結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。世界各國鐵路橋梁一般選擇鋪設(shè)有砟軌道。有砟軌道結(jié)構(gòu)較為成熟，但養(yǎng)護(hù)維修難度高，在重載條件下鋼軌病害、道床粉化板結(jié)、殘余變形大等問題尤為嚴(yán)重。而且隨著橋梁跨度的增大，結(jié)構(gòu)自重、二期恒載對(duì)橋梁變形的影響急劇增大，有砟軌道的劣勢也愈發(fā)明顯[5]。長枕埋入式無砟軌道整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、施工精度易于把握[6]，秦沈客運(yùn)專線沙河特大橋、渝懷線魚嘴2號(hào)隧道均鋪設(shè)此類型無砟軌道，應(yīng)用效果良好。為提高在大跨度橋梁上的適用性，直結(jié)式長枕埋入式無砟軌道取消了底座板，采用門型筋將道床板與橋面板直接連接，進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，降低自重、便于施工，孟加拉帕德瑪大橋鋪設(shè)此類型無砟軌道。然而長枕埋入式無砟軌道內(nèi)部存在新舊混凝土結(jié)合面，這會(huì)使無砟軌道開裂問題更為嚴(yán)重[7-9]。道床板在列車荷載與溫度的反復(fù)作用下發(fā)生開裂，裸露的裂縫受到雨水侵蝕，在動(dòng)荷載與水耦合作用下進(jìn)一步擴(kuò)展。杜香剛等[10?11]開展了長枕埋入式無砟軌道疲勞試驗(yàn)研究，初步得出軌道結(jié)構(gòu)的疲勞特性，但試驗(yàn)未考慮橋梁變形對(duì)無砟軌道受力的影響。徐桂弘等[12?13]對(duì)列車荷載作用下無砟軌道裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究，認(rèn)為行車速度、列車軸重、裂紋深度是影響裂紋擴(kuò)展的重要影響因素。客貨共線條件下的長枕埋入式無砟軌道同時(shí)具有上述3種不利因素，有必要開展試驗(yàn)研究，找出客貨共線條件下結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及其裂紋擴(kuò)展機(jī)理，為橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維修與養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)以及制作

項(xiàng)目依托某雙層鋼桁梁公鐵兩用橋，主橋全長6.15 km，每15.9 m為一個(gè)節(jié)間，橋型布置如圖1所示，軌道采用單元式分布，相鄰道床板間受力不互相影響，故選取單塊道床板進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用與施工現(xiàn)場相同的材料、工序制作足尺軌道模型，其中鋼軌采用UIC60軌；扣件選用WJ-12扣件；長軌枕采用預(yù)制C60軌枕；道床板和橋面板均為C50混凝土，兩者之間采用門型筋連接；道床板澆筑前對(duì)軌枕進(jìn)行編號(hào)(如圖3所示)并涂刷界面劑，①和④軌枕涂刷灰鈣基界面劑，②和⑤軌枕涂刷硅灰水泥基界面劑，③，⑥和⑦設(shè)為空白對(duì)照組；縱梁采用Q235鋼，與橋面板采用剪力釘連接?？v梁利用球鉸支座約束在地面上，模型各結(jié)構(gòu)具體尺寸如圖2和圖3所示，模型在實(shí)驗(yàn)室按照標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)。

圖1 橋型布置圖Fig.1 Bridge layout drawing

圖2 模型正視圖Fig.2 Model front view

圖3 模型左視圖Fig.3 Model side view

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂缍刃∮趯?shí)際橋梁跨度，為使得試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芰ΡM可能與實(shí)際橋梁一致，需要對(duì)下部縱梁做出適當(dāng)調(diào)整。建立全橋有限元模型與工裝有限元模型，對(duì)比分析不同尺寸工字梁對(duì)道床板受力的影響，結(jié)果如表1所示?；趹?yīng)力相似原則選擇340 mm縱梁作為本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南虏恐巍?/p>

表1 縱梁尺寸對(duì)模型受力影響Table 1 I-beam size affects the model

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)主要包括位移、混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變等測試內(nèi)容。動(dòng)態(tài)位移采用激光位移計(jì)測試，靜態(tài)位移采用千分表測試，混凝土內(nèi)部應(yīng)變采用DH1204混凝土埋入式應(yīng)變計(jì)測試，鋼筋應(yīng)變采用DH1101焊接式應(yīng)變計(jì)測試，主要試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。除千分表為人工讀數(shù)，其余數(shù)據(jù)均采用IMC動(dòng)態(tài)測試儀采集，采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)在道床板中心線位置通過分配梁進(jìn)行加載，加載方式和裝置如圖5和圖6所示。

圖5 加載方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of loading method

圖6 加載裝置Fig.6 Loading device

表2 試驗(yàn)裝置Table 2 Experimental device

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2.2 測點(diǎn)布置

考慮到試驗(yàn)構(gòu)件為橋上無砟軌道，本次試驗(yàn)主要測試斷面為縱向板中、縱向1/4截面、橫向板中與軌下位置。具體測點(diǎn)布置如圖7所示，測點(diǎn)編號(hào)X-X-X，第1個(gè)字符為測點(diǎn)位置，鋼軌(R)，軌枕(S)，道床板(B)，橋面板(D)，混凝土內(nèi)部(C)，第2個(gè)字符為測試物理量，應(yīng)變(ε)，位移(d)，第3個(gè)字符為測點(diǎn)編號(hào)與方向，數(shù)字為編號(hào)，帶“′”為橫向或垂向，反之為縱向。

圖7 測點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of measuring points

2.3 加載方案

本試驗(yàn)為模擬客貨共線列車通過時(shí)橋上無砟軌道受力行為。

2.3.1 加載頻率

列車荷載的頻率與列車運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)向架固定軸距有關(guān)，具體的關(guān)系如式(1)所示，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算本次試驗(yàn)加載頻率為4.5 Hz。

式中：l為列車轉(zhuǎn)向架的固定軸距，m；v為列車運(yùn)行的速度，m/s。

2.3.2 加載幅值

重載貨車取Pa=25 t軸重進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)載系數(shù)取1.5[14]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[15]，輪軌力大致遵循正態(tài)分布，故此次試驗(yàn)荷載取0.5Pa～1.5Pa即12.5～37.5 kN的正弦周期載荷。

2.3.3 加載次數(shù)與方式

結(jié)合同類型混凝土結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[16?17]，以及軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，本次試驗(yàn)加載次數(shù)取300萬次，分為8個(gè)周期。每周期施加23 h 4.5 Hz的疲勞荷載，每個(gè)疲勞周期結(jié)束后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次靜載測試。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

疲勞試驗(yàn)開始之前需進(jìn)行預(yù)加載，檢查結(jié)構(gòu)、疲勞機(jī)等試驗(yàn)設(shè)備是否正常。預(yù)加載結(jié)束后發(fā)現(xiàn)①和④軌枕界面交界處出現(xiàn)若干細(xì)微裂縫；加載到30萬次，①和④號(hào)軌枕與道床板界面處裂縫開始發(fā)展；加載到150萬次，道床板縱向1/4截面附近出現(xiàn)長約30 cm，寬約0.3 mm的橫向裂縫；加載到200萬次，道床板縱向1/4截面附近出現(xiàn)長約15 cm，寬約0.3 mm，深度為10 mm的橫向裂縫；加載到300萬次，道床板跨中出現(xiàn)長約10 cm，寬約0.4 mm，深度為13 mm的貫通裂縫。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的裂縫開展如圖8所示，圖中單位：萬次。

圖8 疲勞荷載后結(jié)構(gòu)裂紋開展Fig.8 Structural cracks develop after fatigue loading

可以看出，涂刷灰鈣基界面劑的①和④軌枕界面交界處裂縫較多，未涂刷界面劑的③和⑥軌枕也出現(xiàn)了不同程度的裂縫，涂刷硅灰水泥基界面劑的②和⑤軌枕未出現(xiàn)明顯裂縫。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 位移測試

利用激光位移計(jì)持續(xù)記錄疲勞荷載作用時(shí)各測點(diǎn)的豎向位移，隨著疲勞荷載的作用，各測點(diǎn)位移幅值變化如圖9所示；每個(gè)加載周期結(jié)束后，利用千分表測量靜載條件下枕上鋼軌相對(duì)于軌枕、枕間鋼軌相對(duì)于道床板的豎向位移，位移情況如圖10所示。由圖9可以看出，疲勞荷載作用下鋼軌位移幅值較為穩(wěn)定，而橋面板位移幅值有明顯降低趨勢，200萬次疲勞荷載作用后橋面板位移趨于穩(wěn)定。由圖10可以看出，隨著疲勞荷載的反復(fù)作用，軌下墊板、彈性墊板等構(gòu)件之間的縫隙被壓實(shí)。相同荷載水平下，鋼軌與軌枕的相對(duì)位移逐漸降低，在一個(gè)周期疲勞荷載(37萬次)后，鋼軌垂向剛度達(dá)到穩(wěn)定，約為148 kN/mm。

圖9 各測點(diǎn)位移幅值變化Fig.9 Change in displacement amplitude

圖10 鋼軌豎向相對(duì)位移Fig.10 Relative vertical displacement of rail

4.2 應(yīng)力應(yīng)變測試

利用各測點(diǎn)在疲勞荷載作用過程中應(yīng)力幅值的變化來探究疲勞損傷對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。在疲勞荷載作用下，道床板整體受壓，混凝土最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在道床板軌下位置約為3.3 MPa。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋面板板底約為1.04 MPa。門型筋最大應(yīng)力約為10.2 MPa。軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值隨疲勞荷載次數(shù)的變化統(tǒng)計(jì)如圖11所示，由圖表可見疲勞荷載作用過程中軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平無明顯波動(dòng)，可以推斷道床板內(nèi)部無結(jié)構(gòu)性疲勞傷損。

圖11 應(yīng)力幅值變化Fig.11 Stressamplitude change

利用有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元模型應(yīng)力如圖12所示，選取部分關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比如表3所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果來看，除了軌下道床板壓應(yīng)力“B-ε-5′”與道床板跨中板邊縱向應(yīng)力“B-ε-2′”差異較大，其余部位差異較小，橋上無砟軌道整體為受壓狀態(tài)，各部位應(yīng)力水平均未超限。

圖12 道床板應(yīng)力Fig.12 Stress diagram of slab

表3 各測點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比Table 3 Stress comparison of each measuring point

5 結(jié)論

1)長枕埋入式無砟軌道可以較好地適應(yīng)客貨共線條件下的鐵路橋梁，300萬次疲勞荷載作用過程中，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變水平較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)破壞與應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

2)疲勞作用下橋上長枕埋入式無砟軌道整體為受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力3.3 MPa出現(xiàn)在軌下位置，最大拉應(yīng)力為1.04 MPa出現(xiàn)在橋面板板底位置，門型筋最大拉應(yīng)力為10.2 MPa。

3)在4.5 Hz，12.5～37.5 kN疲勞荷載作用下，長枕與道床板新舊混凝土交界處率先出現(xiàn)裂縫，隨后長枕端部出現(xiàn)朝向道床板邊緣的延伸裂縫，累計(jì)300萬次疲勞荷載后，道床板板中出現(xiàn)貫穿縱橫向裂縫。

4)長枕埋入式無砟軌道開裂問題需要重視，施工需注意新舊混凝土交界界面處理。硅灰水泥基界面劑可以有效抑制列車荷載作用下界面交界處裂縫開展。