弹性轨枕+道砟垫有砟轨道疲劳性能试验研究

闫 雪,沈毓婷,耿 浩,霍新伟

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

随着国内铁路大规模建设，高速、重载铁路已成为我国铁路发展的主流。有砟轨道在我国时速250 km及以下的高速铁路中普遍使用，但在桥梁、隧道、涵洞等特殊区段，由于其下部基础一般为混凝土材料，自身刚度较大，在高速重载列车的反复作用下会加快道砟粉化速率，增加养护维修工作量及其费用[1-3]。为降低轨道整体刚度，减轻轮轨相互作用，减少道砟粉化，铺设弹性轨枕、合成轨枕及道砟垫等提高轨道结构弹性的措施得以推广。我国《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)以及《重载铁路设计规范》(TB10625—2017)中均规定“在桥隧等特殊区段铺设有砟轨道时宜采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层即道砟垫”，以减小轨道整体刚度，减缓道砟粉化速率[4-5]。

目前国内外学者针对弹性轨枕及道砟垫进行了一定程度的研究，文献[1]介绍了日本学者对弹性轨枕与普通轨枕两种轨道结构进行的疲劳试验研究，得出弹性轨枕有砟轨道道床下沉量远小于普通轨枕有砟轨道，且枕下胶垫耐久性良好。文献[6]中德国学者对枕下胶垫进行室内试验测试其静载、动载模量，并通过现场试验测试其减振效果。文献[7-8]采用有限元方法分析了桥上、涵洞地段铺设弹性轨枕的动力响应。文献[9-12]通过现场试验，分析了桥上、涵洞区段弹性轨枕有砟轨道相对于普通轨枕有砟轨道的静、动力学特性。文献[13]通过室内实尺模型试验，比较了弹性轨枕与普通轨枕有砟轨道在静载作用下的道床横向阻力、轨道支承刚度，以及在疲劳荷载下道床沉降高度和枕下胶垫的耐久性能。文献[14-16]采用有限元方法计算分析了道砟垫对桥梁和涵洞区段有砟轨道动力响应时频特性的影响，并提出了道砟垫刚度的合理取值范围。文献[17-18]通过现场试验，得出道砟垫的铺设能够明显降低道床的受力和振动，提高轨道弹性。目前国内一般采取单一的提高轨道弹性的措施，并没有弹性轨枕+道砟垫两者组合的有砟轨道结构的应用实例，本文提出在桥、隧、涵等特殊区段或可尝试应用该种轨道结构。而在现场铺设前需考虑其疲劳特性，因此有必要对其疲劳性能进行试验研究。

基于此，本文进行了弹性轨枕+道砟垫有砟轨道疲劳特性实尺模型试验，试验依据轨道结构实际受荷特点，通过对其施加300万次周期循环荷载，测试其钢轨、轨枕位移，轨距，道床沉降高度，轮轨力变化规律来反映轨道结构的疲劳特性，并观测轨道结构疲劳损伤的发生、发展过程，本文研究成果可为以后的轨道应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设备

本文试验为弹性轨枕+道砟垫有砟轨道结构实尺模型疲劳试验。试验中通过AMSLER脉冲疲劳试验机(图1)施加疲劳荷载，疲劳机最大荷载500 kN，精度500 N，示值允许偏差≤1%。采用IMC动态数据采集仪，进行数据采集和分析，量程为32通道。

图1 脉冲疲劳试验机

1.2 模型铺设

试验之前首先进行有砟轨道的铺设，弹性轨枕+道砟垫有砟轨道主要由CHN60钢轨、弹条Ⅱ型分开式扣件、弹性轨枕、一级道砟、道砟垫组成。本文采用6根弹性轨枕进行试验，由Ⅲ型混凝土枕+枕下胶垫组成，枕下胶垫静刚度为70 kN/mm，枕下胶垫粘结过程严格按照厂家提供的作业指导书进行。试验前对道砟进行清洗，粒径分类，保证其性能要求。模型的铺设按照现场施工要求，对道砟进行夯实、捣鼓，道砟截面尺寸满足我国规范要求[19]。试验采用道砟垫面刚度为0.1 N/mm3。轨道结构如图2所示。

图2 弹性轨枕有砟轨道

1.3 试验荷载模拟及施加

在疲劳试验中，试验荷载如何准确地模拟列车荷载是保证试验准确的重要因素。试验荷载主要用来模拟高速列车在运行时轮对对钢轨的反复冲击作用。而轮轨相互作用是一个复杂的过程，作用力并非固定值，而是符合一定统计规律的随机荷载。运用数理统计的方法对现场测试以及数值仿真所得的数据进行分析，表明作用力符合正态分布[20]。而试验所采用的脉冲疲劳试验机所施加的荷载只能为幅值确定的正弦荷载，本试验参考文献[20]中采用的方法，首先将列车荷载按正态分布的特征进行分级，再根据各级荷载所占频率确定加载次数。

本试验按照最不利的荷载货车轴重25 t考虑，考虑一定安全因数，正弦幅值最大值为375 kN，最小值125 kN，加载频率为4 Hz，疲劳次数为300万次。荷载施加参考《高速铁路扣件系统试验方法 第4部分：组装疲劳性能试验》(TB/T 3396.4—2015)中所规定的试验方法，加载点位于有砟轨道中央位置[21]。

1.4 试验内容

本次试验主要测试内容为：弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在疲劳荷载作用下的钢轨竖向和横向位移，轨枕竖向位移，轨距，道床沉降高度以及加载点处轮轨力，并观察钢轨、轨枕、扣件、枕下胶垫及道砟垫在测试之后是否保持完好。测点位置如图3所示，开始疲劳试验前先进行预加载，检验加载设备、采集记录仪器是否正常，以剔除原始条件的不确定性，然后连续加载300万次，并进行数据的采集和存储。试验开始时首先记录轨道初始状态数据，以后每间隔30万次采集和储存数据。测试位移时，每次记录位移后均重新归零。

图3 轨道结构布点示意

2 试验结果及分析

2.1 位移分析

(1)钢轨位移

以150万次疲劳荷载加载为例，钢轨相对于轨枕的竖向位移、横向位移时程曲线分别如图4、图5所示；随着疲劳次数增加，钢轨竖向相对位移、横向相对位移峰值变化曲线分别如图6、图7所示，具体数值见表1。

图4 钢轨相对于轨枕的竖向相对位移曲线

图5 钢轨横向相对位移曲线

图6 钢轨竖向相对位移峰值变化曲线

图7 钢轨横向相对位移峰值变化曲线

在300万次疲劳荷载加载过程中，钢轨相对于轨枕的竖向相对位移和横向位移随着加载次数的增加，基本逐渐减小，趋于稳定。由于每次测试位移之后均归零，相对位移的减小说明了弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在加载过程中道床逐渐密实，轨道状态逐渐稳定。枕间钢轨竖向相对位移峰值在1.22～1.57 mm变化，枕上钢轨竖向相对位移峰值在0.88～1.54 mm变化，钢轨横向位移在1.20～1.67 mm变化。

表1 钢轨位移峰值

(2)轨枕位移

以150万次疲劳荷载加载为例，1、2号轨枕相对于道床的竖向相对位移时程曲线如图8所示；随着疲劳次数增加，1、2号轨枕竖向相对位移峰值变化曲线如图9所示，具体数值见表2。在300万次疲劳加载过程中，轨枕相对于道床的竖向相对位移逐渐减小，趋于稳定，这说明了在加载过程中，道床逐渐密实。1号轨枕竖向相对位移峰值在2.32～2.77 mm变化，2号轨枕竖向相对位移峰值在1.13～1.38 mm变化。

图8 轨枕相对于道床的竖向相对位移曲线

(3)轨距

图9 轨枕竖向相对位移峰值变化曲线

荷载循环次数/×104次轨枕竖向相对位移/mm1号轨枕2号轨枕初始2.771.38302.471.13602.461.22902.531.261202.591.301502.431.191802.481.142102.441.132402.371.192702.321.143002.321.15

图10 轨距变化曲线

随着疲劳次数增加，轨距变化曲线如图10所示。在300万次疲劳荷载加载过程中，轨距变化很小，基本稳定在1 435 mm，说明弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在疲劳荷载作用下，能够很好地保证轨距的稳定，轨道几何形位良好。

(4)道床下沉高度

随着疲劳次数增加，道床下降高度变化曲线如图11所示。计初始状态道床下沉高度为0，加载次数为30万次时，道床下沉2 mm，加载60～90万次时，道床下沉高度为3 mm，相对下沉幅度减小，说明在加载过程中，道床逐渐压实，加载120万次之后道床高度趋于稳定，道床最终下沉4 mm。文献[10]中的试验结果得出，普通轨枕有砟轨道与未加道砟垫的弹性轨枕有砟轨道在疲劳荷载作用下的道床初始下沉量分别为8.92 mm与3.47 mm，且普通轨枕有砟轨道在150万次疲劳荷载之后仍有较大下沉，两种轨道在300万次疲劳荷载后，道床最终沉降分别为13 mm与5.5 mm。而本文中提出的弹性轨枕+道砟垫有砟轨道的道床初始下沉量仅为2 mm，加载120万次之后，道床高度趋于稳定，最终下沉4 mm，说明该新型轨道明显优于普通轨枕有砟轨道以及未加道砟垫的弹性轨枕有砟轨道，有利于减轻线路的养护维修工作量。

图11 道床下沉高度变化曲线

2.2 轮轨力分析

随着疲劳次数增加，轮轨力峰值见表3，轮轨力峰值变化曲线如图12所示。

图12 轮轨力峰值变化曲线

在300万次疲劳荷载加载过程中，轮轨力峰值基本变化很小，轮轨垂向力在疲劳加载前期，由于疲劳试验机稳定性等因素有所波动，整体在173.22～192.53 kN变化，轮轨横向力在81.89～100.34 kN变化，说明弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在列车荷载循环作用下，受力仍能够保持稳定，轨道状态保持良好。

3 结论

本文通过对弹性轨枕+道砟垫有砟轨道施加疲劳荷载，测试其轨道状态的变化，得出以下结论。

(1)300万次疲劳荷载前后弹性轨枕+道砟垫有砟轨道轨枕、枕下胶垫、道砟垫状态均完好，未出现破坏，有较好的耐久性，能够保证行车安全与舒适。

(2)在疲劳试验中，随着加载次数的增多，钢轨和轨枕位移均逐渐减小趋于稳定；轨距基本保持不变；道床在加载初期因循环荷载作用逐渐密实高度有所下降，后期压实高度不变；轮轨力在加载过程中基本保持稳定。说明弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在疲劳荷载作用下，仍能够保持良好的几何形位及受力状态，保证行车安全。

(3)弹性轨枕+道砟垫有砟轨道结构采取两种增加轨道弹性的措施，且疲劳特性良好，或可应用于桥、隧、涵等特殊区段，以减缓道砟粉化速率。