列车竖向荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性试验研究①

吴斌，陈文荣，刘参，曾志平，2

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南长沙 410075)

我国通过引进、消化、吸收、再创新，形成了适合我国路情的CRTSⅡ型板式无砟轨道，并成为我国高速铁路(客运专线)的主要轨道结构型式之一，已成功应用于京津、京沪、石武、杭长、沪杭、杭甬、合蚌等多条客运专线［1］。CRTSⅡ型板式无砟轨道结构在我国应用的时间较短，其服役过程中的受力性能已受到广泛关注。田其文等［2］通过7块CRTSⅡ型轨道板的静载和疲劳试验，发现轨道板开裂前基本处于弹性状态，轨道板的静力强度均满足规范要求，但疲劳强度需要进一步加强。李悦等［3］通过CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆(以下简称砂浆)在不同加载荷载形式下的疲劳试验，研究了荷载作用次数、荷载幅值、稳态荷载值及荷载频率对砂浆短期疲劳性能的影响。然而，无砟轨道结构体系是一个多维的结构形式，对于各部分的系统深入研究并不能完全反映工程的实际状态，必须将各部分的研究整合，以实际工作状态作为研究对象，才能得到结构体系工作行为。为此，中国铁路总公司于2010年成立重大科研课题“多因素耦合作用下高速铁路无砟轨道结构体系综合性能试验研究”，对我国典型无砟轨道(CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅠ型双块式)结构体系的动力、疲劳和耐久性能开展1∶1足尺模型试验研究。本文针对列车竖向荷载作用下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系的受力与变形特性开展试验研究;根据无砟轨道梁板和梁体理论［4］，建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元分析模型，对轨道结构在相同荷载工况下的受力与变形进行理论分析;将试验结果与计算结果进行对比，对CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论模型的正确性和适应性进行验证。

1 试验模型概况

试验模型的设计和施工制作如图1所示。桥上CRTRSⅡ型板式无砟轨道结构包括底座、两布一膜滑动层、砂浆、轨道板及侧向挡块等。由于桥梁的刚度相对于其上部的轨道结构大得多，试验中以钢筋混凝土板代替桥面。轨道板由中铁二十局株洲轨道板场生产，模型的原材料和现场施工均由中铁四局沪昆项目部按照实际施工工艺完成。

图1 试验模型设计Fig.1 Design of test model

2 测试内容及元件布置

测试内容包括轨道板和底座混凝土表面水平应变、砂浆水平应变和竖向应力，以及钢轨与轨道板、轨道板与底座、底座与梁面之间竖向相对位移。选取轨道板的板中截面、板端截面和荷载作用力截面位置，布置混凝土表面应变片，具体测点位置及测点编号如图2所示。选择模型中间和边缘位置4个测点预置横向和纵向应变计，分别测量砂浆横向和纵向应变。另外在底座与砂浆之间预置一个土压力盒，测量砂浆竖向应力。具体的布置情况如图3所示。选取18个特征点测量轨道结构位移(如图4 所示)，图中2，4，5，7，9，11，12 和 14 表示钢轨相对于轨道板的竖向位移测点，1，3，6，8，10和13表示轨道板相对于底座的竖向位移测点，15，16，17和18表示底座相对于桥面的竖向位移测点。

3 加载方式

试验装置由加载系统、试件、测试系统和和数据采集分析系统组成，作动器通过分配梁的方式作用在钢轨上，模拟同一转向架2个轮对荷载(如图5所示)。采用PMS－500数显式脉动试验机进行加载。列车轴重取为17 t，假设轨道平顺的条件下取动力系数为 1.2［5］，故最大荷载为 410 kN，并按50，100，150，200，300 和 410 kN 分级加载，分别测得每级加载时各测点的响应值。

图2 混凝土表面应变片布置Fig.2 Arrangement of strain gauges on the surface of the concrete

图3 砂浆应变计和土压力盒布置Fig.3 Mortar strain gauge and the arrangement of soil pressure box

图4 位移测点布置Fig.4 Arrangement of displacement measuring points

4 无砟轨道结构梁板及梁体理论分析模型

基于试验模型的结构特点以及无砟轨道梁板和梁体理论，运用有限元［6－7］软件 ANSYS，分别建立CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体模型。梁板模型中采用梁单元BEAM188模拟钢轨，板壳单元SHELL63模拟轨道板和底座，COMBINE14单元模拟钢轨、轨道板、底座以及梁面之间的连接。梁体模型中采用梁单元BEAM188模拟钢轨，轨道板、砂浆、底座均采用实体单元SOLID65模拟，COMBINE14单元模拟扣件、底座与梁面之间的连接。为了考虑扣件的尺寸效应，将每个钢轨节点与其对应的扣件尺寸范围内的道床板节点均相连，如图6所示。扣件间距0.65 m;道床板为C60混凝土，弹性模量取为36 000 MPa;底座板为C40混凝土，弹性模量取为34 000 MPa;桥面刚度取为1 000 MPa/m。轨道参数选取过程中，砂浆的弹性模量和扣件竖向刚度按实测值选取。在砂浆灌注过程中，按照文献［8］的规定进行取样和试验，得出水泥乳化沥青砂浆弹性模量平均值为8 748 MPa。根据文献［9］的要求，测得试验模型所用20组WJ－8型扣件竖向刚度平均值为39 kN/mm。

图5 加载方式Fig.5 Loading mode

5 试验结果与理论计算结果对比分析

5.1 混凝土表面应变对比

对于轨道板和底座混凝土表面应变的理论计算，采用梁板模型和梁体模型2种模型，按照分级加载方式进行计算分析，得出测点处混凝土表面应力，应力除以相对应位置的混凝土弹性模量，从而得到应变，然后再与实测值进行对比，如表1所示。

表1 2种模型计算值与试验实测值对比Table 1 Comparison between calculated values of two kinds of model and experimental values με

图6 CRTSⅡ型板式无砟轨道力学模型Fig.6 Mechanical model of CRTS Ⅱ Slab Track

由表1可知:除表中h1－h1－t－t和q2－h1－t－t 2个测点混凝土表面应变实测值与模型计算值偏差较大外，其他测点混凝土表面应变实测值与模型计算值相差不大。在荷载作用力截面处测点的混凝土表面应变大于板中截面和板端截面的混凝土表面应变。通过对比分析可看出，混凝土表面应变梁板模型计算值比梁体模型计算值与实测值更吻合。因此，在列车竖向静荷载作用下，对混凝土表面应变进行分析时，采用梁板模型更能反映轨道结构表面应力状态，建议用梁板模型进行计算分析。

5.2 砂浆应力对比

通过梁板模型和梁体模型计算得到在分级加载作用下砂浆竖向应力，与实测值的对比如图7所示。从中可见，砂浆竖向压应力的实测值与2种模型计算出的结果相差不大。但当作用力大于200 kN时，梁体模型的计算值与实测值更吻合。梁板模型采用竖向弹簧单元模拟砂浆层，忽略和砂浆横纵向的约束影响，不能很好地反映砂浆的受力状态，导致计算值与实测值出现偏差。

图7 砂浆竖向应力计算值与实测值对比Fig.7 Comparison of calculated values and measured values of mortar vertical stress

砂浆测点位置的横向和纵向应力实测值由实测砂浆横向和纵向应变值乘以砂浆弹性模量得到，由于梁板模型采用弹簧单元模拟砂浆层，不能反映砂浆的横纵向应变，因此，理论计算值由梁体模型计算得到。实测值与计算值的对比如图8所示。

由图8中可以看出:除了板角测点s2－s1处的砂浆纵向应力随着荷载作用的增大而减小外，其他测点的砂浆横纵向应力均随着荷载作用的增大而增大。由图8(b)，(c)和(d)可看出，沿着轨道纵向，随着荷载作用的增大，砂浆纵向应力变化趋势由递增变化为递减，可知，沿轨道纵向，轨道板板角发生了翘曲，轨道板与砂浆层离缝，使得板角处砂浆层应力变化由递增逐渐变为递减。通过图8对比分析可看出，由梁体模型得到的砂浆横向和纵向应力计算值与实测值基本保持一致。因此，在列车竖向静荷载作用下，对砂浆横纵向应力进行分析时，采用梁体模型能够很好地反映砂浆内部的应力状态，建议用梁体模型进行计算分析。

图8 砂浆横向和纵向应力计算值与实测值对比Fig.8 Comparison between calculated values and measured values of mortar transverse and longitudinal stress

5.3 各部件竖向相对位移对比

由桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构分级加载试验，测得布置测点处的钢轨相对于轨道板、轨道板相对于底座及底座相对于梁面的竖向位移，并根据无砟轨道梁板理论，建立分析模型得到对应测点处的位移计算值，各测点位移计算值与实测值结果对比如图9和图10所示。

图9 钢轨相对与轨道板竖向位移计算值与实测值对比Fig.9 Comparison between calculated values and measured values of vertical displacement of the rail relative to the track board

图10 底座相对于桥面竖向位移计算值与实测值对比Fig.10 Comparison between calculated values and measured values of vertical displacement of the base relative to the bridge deck

通过图9和图10结果对比可以看出:钢轨相对于轨道板、底座相对于梁面竖向相对位移的梁板模型计算值与实测值具有良好的一致性。另外计算值与实测值结果表明，轨道板与底座竖向相对位移的梁板模型计算值与实测值相差较大。理论计算时，由于轨道板与砂浆粘结良好，砂浆弹性模量较大、厚度较小，轨道板与底座几乎没有相对位移，而实测最大值达到0.20 mm。这主要是由于轨道板与砂浆之间产生离缝造成的。开始试验前，在加载点附近选择四个离缝比较明显的观测点，用显微镜观测轨道板板边与砂浆的离缝情况，观测结果的平均值为0.36 mm。由上述分析可得，在列车竖向静荷载作用下，对轨道各结构层竖向变形进行分析时，采用梁板模型能够很好地反映轨道各结构层的变形状态，建议用梁板模型进行计算分析。

6 结语

(1)在列车竖向静荷载作用下，对混凝土表面应变进行分析时，采用梁板模型更能反映轨道结构表面应力状态，建议用梁板模型进行计算分析。

(2)在列车竖向静荷载作用下，对砂浆横纵向应力进行分析时，采用梁体模型能够很好地反映砂浆内部的应力状态，建议用梁体模型进行计算分析。

(3)在列车竖向静荷载作用下，对轨道各结构层竖向变形进行分析时，采用梁板模型能够很好地反映轨道各结构层的变形状态，建议用梁板模型进行计算分析。

(4)在列车荷载作用下，CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的轨道板板角容易产生翘曲，使得轨道板与砂浆产生离缝，使轨道结构更加容易发生破坏，影响轨道结构的耐久性。

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