75 kg/m钢轨和60 kg/m钢轨对轨道结构影响的试验研究

许良善，涂英辉，赵 强

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

繁忙线路的轨道结构必须具备可靠性高、承载能力强、维修量少、使用寿命长、经济合理等特点。钢轨是轨道的主要部件，在轨道结构各部件中直接与车轮接触，也是受力最大的部件，钢轨必须具有足够的强度和刚度，以提供运行支承和分散荷载的功能。我国既有铁路多铺设60 kg/m钢轨，大秦铁路二期改造后重车线铺设75 kg/m钢轨，朔黄铁路2005年大修换铺75 kg/m钢轨。对于重载铁路，75 kg/m钢轨具有明显的优越性，主要表现在:在使用期内钢轨伤损减少，轨道安全性提高;轨道整体性好，列车基本阻力减小;轨道受力状态改善，维修工作量减少;使用寿命长，单位运量的钢耗量少。以往使用60 kg/m钢轨和使用75 kg/m钢轨轨道结构受力的情况很难通过室内试验来验证，高速铁路轨道技术国家重点实验室的建成为这一试验提供了可能，本文对两种钢轨对轨道结构影响的试验结果进行了对比分析。

1 实尺轨道模型的铺设及测试

1.1 实尺轨道模型铺设

试验前在高速铁路轨道技术国家重点实验室实尺轨道试验槽铺设了7 m长有砟轨道实尺模型，该模型轨道结构配置为:75 kg/m或60 kg/m钢轨，Ⅲ型枕，Ⅱ型扣件，轨枕间距0.6 m，特级材质一级级配道砟，1∶1.75道床边坡，道床顶面宽度3.60 m，道床厚度0.35 m，砟肩堆高 0.15 m，基床表层级配碎石厚0.40 m，基床底层AB组填料厚2.19 m。

在有砟轨道实尺模型铺设完成后，进行了道床及轨道部件力学性能参数测试，以保证实尺轨道模型的状态与现场基本一致。主要测试项目及结果如下:基床表层路基参数K30为223 MPa/m、Ev2为194.5 MPa、Evd为81 MPa，道床密度为1.66 g/cm3，道床支承刚度为116.8 kN/mm，轨下垫板静刚度为80.1 kN/mm。

1.2 试验内容

为了对比使用60 kg/m钢轨与使用75 kg/m钢轨对轨道结构的影响，主要进行的试验内容如下，试验现场图片见图1。

图1 两种钢轨对轨道结构的影响对比试验

1)轨道结构静刚度试验:了解采用两种钢轨时轨道结构的弹性状态。

2)荷载垂向和纵向传递试验:分析两种钢轨对路基表层受力的影响及使用两种钢轨时的荷载纵向传递性能。

3)钢轨倾翻试验:分析轨道结构抵抗钢轨倾翻的性能，以评估两种钢轨对轨道结构稳定性的影响。

4)振动冲击响应试验:对比两种轨道结构在相同冲击力作用下钢轨、轨枕的振动响应。

2 测试结果与分析

2.1 轨道结构静刚度

利用实验室四通道电液伺服试验系统测试轨道结构静动刚度。选取轨排中间轨枕断面，对两股钢轨同时施加静态荷载，荷载加至400 kN，中间每50 kN静停15 s，选取50 kN及300 kN对应的位移数据，计算割线刚度，将计算后的数值除以2即为轨道结构静刚度，轨道结构静刚度计算公式为

式中，P2为 300 kN，P1为 50 kN，S2，S1分别为垂向荷载P2，P1对应的钢轨垂移。

两种钢轨荷载—位移曲线见图2，计算得到的轨道结构静刚度见表1。对轨道结构施加300 kN垂向荷载，采用75 kg/m钢轨时钢轨垂移1.21 mm，采用60 kg/m钢轨时钢轨垂移1.43 mm，使用两种钢轨的情况下轨道结构静刚度分别为126.0 kN/mm和107.6 kN/mm。与采用60 kg/m钢轨相比，采用75 kg/m钢轨后，轨道结构静刚度增大了17.1%。

图2 轨道结构静刚度荷载—位移曲线

表1 轨道结构静刚度测试结果 kN/mm

2.2 荷载垂向传递及纵向分布

在铺设实尺轨道模型时，在路基表层埋设应力传感器，测试路基表层压应力;在垂向荷载作用点及相邻3根枕的支点位置测试轨下垫板变形。通过轨下垫板荷载—位移曲线可得到对应于垫板变形的压力，此压力即为支点压力。在对轨道结构施加垂向荷载时，可同时得到路基应变及4个位置支点压力的数据。

荷载垂向传递主要测试在相同垂向荷载作用下，使用不同钢轨时对路基表层压应力的影响。试验结果显示，当施加于单股钢轨的垂向荷载为150 kN时，使用75 kg/m轨与使用60 kg/m钢轨测得的路基表层压应力分别为142.3 kPa和179.7 kPa。与使用60 kg/m钢轨相比，使用75 kg/m钢轨后，传递到路基表层的压应力降低了20.8%，可见使用75 kg/m钢轨对降低路基表层压应力有比较明显的作用。

荷载纵向传递是通过测试单股钢轨支点压力的大小来反应的，对单股钢轨施加150 kN垂向荷载，测试荷载作用点位置(0#枕)及依次相邻位置(1#枕、2#枕、3#枕)的支点压力，并计算各处支点压力占垂向荷载的百分比。试验结果见表2，将不同支点位置分配的垂向荷载百分比绘成曲线，即荷载纵向传递曲线见图3。

表2 钢轨不同位置支点压力及其占垂直荷载百分比

图3 使用不同类型钢轨时荷载纵向传递曲线

由表2可知，垂向荷载为150 kN时，使用75 kg/m轨与使用60 kg/m钢轨时荷载作用点位置支点压力分别为52.8 kN和76.8 kN，中间支点分配荷载百分比分别为35.2%和51.2%。与采用60 kg/m钢轨相比，采用75 kg/m钢轨后，中间支点分配荷载百分比降低了16.0%，采用75 kg/m钢轨比采用60 kg/m钢轨明显降低了中间支点荷载集中现象，75 kg/m钢轨能够使垂向荷载分布更合理。

2.3 钢轨倾翻试验

在钢轨倾翻试验时，通过特殊工装对轨排施加恒定垂向荷载300 kN(作用于单股钢轨的垂向荷载为150 kN)，然后对轨道内侧的钢轨轨头施加横向水平荷载，分别记录钢轨的水平荷载和钢轨轨头的横向位移，在钢轨轨头横向位移数值均达到4 mm时，即停止施加水平荷载，取两侧钢轨横向位移的平均值作为最终的钢轨横向位移数据。试验结果见表3，使用两种钢轨时得到的水平荷载和钢轨横向位移曲线见图4。由图4可知，在水平荷载较低时，75 kg/m钢轨对抵抗钢轨倾翻发挥的作用不明显，当垂向荷载为150 kN、水平荷载为120 kN时，使用75 kg/m钢轨与使用60 kg/m钢轨产生的钢轨横移量分别为2.89 mm和3.63 mm，使用75 kg/m钢轨后钢轨横移量降低了20.4%。因此在水平荷载较大时，75 kg/m钢轨更有利于保持轨道结构的稳定。

表3 施加不同水平荷载时钢轨轨头横向位移量

图4 使用两种钢轨时钢轨横向位移与水平力关系曲线

2.4 轨道结构振动冲击

轨道结构振动冲击试验采用落锤冲击试验机进行，通过调整试验机落锤的高度，可对钢轨产生不同的冲击力，在冲击时测试落锤冲击力、钢轨振动加速度、轨枕振动加速度。该试验可模拟现场的振动冲击，得到钢轨、轨枕的振动响应。调整落锤高度，使采用75 kg/m钢轨与采用60 kg/m钢轨得到相同的冲击力100 kN，测试钢轨、轨枕的振动冲击响应。试验结果见表4。与使用60 kg/m钢轨相比，使用75 kg/m钢轨后，钢轨振动加速度降低了4.2%，轨枕振动加速度降低了8.3%，75 kg/m钢轨对降低轨道结构及部件的振动冲击有一定的作用。

表4 冲击力为100 kN时两种轨道结构振动响应

3 结语

采用75 kg/m钢轨比采用60 kg/m钢轨轨道结构静刚度增大了17.1%。当施加于单股钢轨的垂向荷载为150 kN时，使用75 kg/m钢轨传递到路基表层的压应力降低了20.8%，中间支点分配荷载百分比降低了16.0%，使用75 kg/m钢轨对降低路基表层压应力、分散集中荷载有明显的作用。在水平荷载较低时，75 kg/m钢轨对抵抗钢轨倾翻发挥的作用不明显，当垂向荷载为150 kN、水平荷载为120 kN时，使用75 kg/m钢轨后，钢轨横移量降低了20.4%;在水平荷载较大时，75 kg/m钢轨更有利于保持轨道结构的稳定。在冲击力同为100 kN时，使用75 kg/m钢轨后，钢轨振动加速度降低了4.2%，轨枕振动加速度降低了8.3%，降低了轨道结构及部件受到的振动冲击。因此，采用75 kg/m钢轨对改善轨道结构受力状况、提高结构的稳定性、减弱轨道受到的振动冲击具有积极作用。

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