复合轨枕有砟轨道温度适应性试验研究

赵振航，刘增杰，江万红，耿浩，闫雪，李成辉



复合轨枕有砟轨道温度适应性试验研究

赵振航1，刘增杰2，江万红3，耿浩1，闫雪1，李成辉1

(1. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031； 2. 中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100038； 3. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

针对复合轨枕线膨胀系数较大的特点，在步入式高低温室内铺设复合轨枕有砟轨道实尺模型，对轨道施加温度荷载，研究其温度适应性。试验中测试了不同温度下的轨距、轨枕长度变化量、钢轨和轨枕的温度。研究结果表明：复合轨枕随温度变化热胀冷缩现象明显，进而引起轨距变化，环境温度变化10 ℃，复合轨枕有砟轨道轨距变化约0.78~0.81 mm。建议复合轨枕有砟轨道最好铺设在较恒温地区，如隧道内；若在高速铁路中铺设，复合轨枕年温差最大应不超过50 ℃，同时要注意控制铺枕温度。本文的研究可为复合轨枕的进一步推广提供技术指导。

复合轨枕；轨距；温度荷载；适应性

复合轨枕是以废旧塑料、废轮胎、废油漆及其他工业废渣等难降解的高分子废弃物为原料，以玻璃纤维丝为加劲物辅以化学添加剂制备而成[1−3]。最初研制复合轨枕是为了代替日益减少的木枕，目前复合轨枕主要应用在美国、澳大利亚和巴西等国家的重载铁路和城市轨道，在国内应用较少，仅在中南部通道重载铁路铺设了试验段[1]。复合轨枕具有弹性好、阻尼大的特点，可以减小对道床的冲击，对减缓道砟粉化、基础减振有一定效果[4]。由于复合轨枕密度小，约800~1 200 kg/m3，每根枕质量110 kg左右，质量较混凝土枕小得多，在现场铺设或维修更换时较为方便，可以提高铺设、维修效率。复合轨枕也较为稳定，在自然环境中，不受潮湿的影响而改变性能，也不像木材容易受到昆虫、菌类等繁殖而结构遭到破坏。随着我国经济的持续发展，工业废弃物越来越多，传统的处理方式如焚烧、掩埋、热解，不仅效率低而且会造成二次污染，若能工业废物再利用，则可以很好的保护环境[5]。因此，若能将复合轨枕轨道结构进一步推广，则既可为保护环境做贡献，又可为有需求地段多提供一种合理的轨道结构。目前，影响复合轨枕进一步推广最突出的问题就是其为热塑性材料，线膨胀系数较大，约为混凝土的10倍。虽然复合轨枕是一种热的不导体，在阳光照射下，轨枕的表面可能会有温度变化，日温差不会引起内部温度变化过大，但若铺设地区年温差较大，则会引起轨道结构几何形位变化过大，影响行车安全性[6−8]。以往并没有针对此问题进行详细研究，本文设计试验对复合轨枕有砟轨道施加温度荷载，测试其轨道几何形位变化，研究其适应的年温差条件。

1 试验概况

1.1 试验设备

本次试验在步入式高低温室内进行，温室长5 m，宽3 m，有足够的空间进行实尺模型试验，温室采用较好的压缩机和制冷配件，可以有效地控制温度，运行噪音低，寿命长，可控温度范围为−50~60 ℃，温室控制界面简洁，操作简便。

1.2 模型铺设

实尺模型的铺设既要考虑到温室的尺寸，又要保证铺轨的质量，考虑到温室宽度3 m，轨枕间距为0.6 m，轨枕宽度0.22 m，需要保证道砟对轨枕的足够约束作用，试验中铺设3根复合轨枕，这样两侧轨枕的侧面仍约有0.5 m长度的道砟对轨枕约束，保证铺轨质量，试验前对道砟进行清洗，保证其性能要求。模型的铺设按照现场施工要求，对有砟道床进行了夯实、捣固，模型道床顶面宽度3.6 m，道床厚度0.35 m，道床边坡1:1.75，道床截面尺寸满足我国350 km/h有砟轨道要求[9]。复合轨枕有砟轨道主要由CHN60钢轨、弹条Ⅱ分开式扣件、复合轨枕和一级道砟组成[10]，轨距为1.435 m，轨道结构如图1所示。

图1 轨道结构图

1.3 试验工况

试验主要考虑温度变化对轨道几何形位的影响，设置10 ℃为1级，对温室进行升温或降温，由于每一工况下，均需要试验人员进入温室测量，考虑到人员能承受的温度，则温室设置温度范围−20~40 ℃。每一工况温室保持温度24 h，这样可以充分保证轨道结构温度与温室环境温度相近。

1.4 测试内容

轨道几何形位主要包括轨距、高低和水平等，轨枕高度较小，温度变化下，轨枕同步伸缩，引起的轨道高低、水平均较小，而轨距变化是相对的，温度变化对轨距影响较大，所以温度变化影响复合轨枕有砟轨道几何形位的主要因素为轨距，因此，试验主要测试轨距的变化，同时在3根枕的一侧牵线，布置直尺，测试轨枕长度的变化(如图2所示)，另外测试环境、钢轨和轨枕的温度，保证其相近，证明轨道结构温度变化可靠合理。

图2 轨枕纵向位移标记线

2 试验结果及分析

2.1 温度变化

试验用到的复合轨枕为成品，无法在内部设置温度传感器，而轨道结构传热较慢，因此，为了充分保证环境和结构温度相同，每个工况均保持环境24 h恒温后进行测试，首先不设置温室温度，将温室门打开24 h后测试，初始温度为外界环境温度，然后将温室降温，10 ℃为1级，降至−20 ℃再升温到40℃，再降温至外界大气温度，完成循环。测量环境、钢轨和复合轨枕表面温度如图3所示，环境温度、钢轨和复合轨枕表面温度同步，相差极小，可以保证轨道结构与环境温度几乎相同。

图3 轨道结构和环境温度关系图

2.2 轨距变化

试验中共铺设3根复合轨枕，如图1所示，从左向右轨枕编号分别为1，2和3，分别测试了3根轨枕处轨距随温度的变化(如图4所示)，复合轨枕随着温度变化有明显的热胀冷缩变化，使得轨距产生变化，虽然测试数据存在着离散性，3根轨枕处轨距仍较为一致。温度变化62.1 ℃的条件下，轨距最大变化量为5.3 mm，与混凝土枕相比，对温度变化较为敏感，在客货共线或客运专线铺设时，需要考虑复合轨枕有砟轨道的温度适应性。

(a) 1号轨枕处；(b) 2号轨枕处；(c) 3号轨枕处

为更直观的分析温度变化对复合轨枕有砟轨道轨距的影响，对不同温度下，测试的轨距进行拟合，得到拟合曲线如图5所示，由拟合的线性方程可知，环境温度变化10 ℃，试验条件下复合轨枕轨距约变化0.78~0.81 mm。

参照《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函(2005)285号)[10]和《高速铁路设计规范》[11]中规定正线有砟轨道轨距精度达到±2 mm，因此，建议复合轨枕年温差应小于50 ℃，避免在烈日地区铺设，最好在较恒温地区铺设，如隧道内。若在年温差较大地区铺设，应参照无缝线路中设计锁定轨温理念控制铺枕温度，铺枕温度范围示意图如图6所示，以轨距变化2 mm为限值，则复合轨枕允许温升和温降为25 ℃，如复合轨枕年温度变化0~40 ℃地区，应保证铺枕温度为20±5 ℃范围内，这样才能保证轨道几何形位精度。

(a) 1号轨枕处；(b) 2号轨枕处；(c) 3号轨枕处

图6 铺枕温度示意图

2.3 枕端位移

试验中同样测试了3根轨枕的长度变化，如图7所示，轨枕长度随温度变化同轨距随温度变化基本一致，存在一定离散性，与道砟密实度和测量误差均有一定关系，温度变化62.1 ℃的条件下，轨枕一侧长度最大变化量为4.9 mm，轨枕长度变化同样可以说明复合轨枕对温度变化较为敏感。

(a) 1号轨枕；(b) 2号轨枕；(c) 3号轨枕

3 结论

1) 复合轨枕对温度变化较为敏感，随着温度的升高而增长，随着温度的降低而缩短，进而引起轨距变化，当环境温度变化10 ℃时，复合轨枕有砟轨道轨距变化约0.78~0.81 mm。

2) 从温度适应性角度考虑，建议复合轨枕有砟轨道最好铺设在较恒温地区，如隧道内，避免阳光直射；若在高速铁路中铺设，复合轨枕年温差最大不应超过50 ℃，同时应参照无缝线路中设计锁定轨温理念控制铺枕温度。

3) 复合轨枕的进一步推广可为环境保护，废物再利用做出贡献，本文的研究可为其适应的年温差条件提供指导。

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Experimental study on temperature adaptability of composite sleeper ballast track

ZHAO Zhenhang1, LIU Zengjie2, JIANG Wanhong1, GENG Hao1, YAN Xue1, LI Chenghui1

(1. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Engineering Management Center of China Railway Corporation, Beijing 100038, China; 3. China Railway Eryuan Group Ltd, Chengdu 610031, China)

In view of the large linear expansion coefficient of composite sleeper, a full-scale model of composite sleeper ballast track was built in the walk-in test room for high-low temperature, and a temperature load was applied to the track to study its temperature adaptability. In the test, the gauge at different temperatures, the length of the sleeper, the temperature of the sleeper and the rail were tested. The results show that the phenomenon of thermal expansion and contraction of the composite sleeper is obvious with the change of temperature, which leads to the change of gauge. When the environmental temperature changes by 10 ℃, the gauge of composite sleeper ballast track changes about 0.78~0.81 mm. It is suggested that the composite sleeper ballast track should be laid in a relatively constant temperature zone, such as the tunnel; if it is laid in a high-speed railway, the maximum annual temperature difference of the composite sleeper should not exceed 50 ℃, and attention should be paid to control the temperature when the sleepers are laid. This research can provide technical guidance for the further promotion of the composite sleeper.

composite sleeper; gauge; temperature load; temperature adaptability

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.007

U213.244

A

1672 − 7029(2019)03 − 0605 − 05

2018−04−06

国家自然科学基金资助项目(51708459，51778543，U1434208)；成兰铁路专题试验资助项目(CLRQT-2016-006)

李成辉(1955−)，男，四川成都人，教授，博士，从事轨道结构及轨道动力学研究；E−mail：chli163chli@163.com

(编辑 涂鹏)