有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

2019-04-19井国庆1贾文利1强伟乐1卢炜2

西南交通大学学报 2019年1期

关键词：轨枕梯形铺设

井国庆1，贾文利1，强伟乐1，卢炜2

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京10044；2.中国中铁股份有限公司，北京10036）

梯形轨枕起源于日本，由两根纵向预应力混凝土梁和3根起连接作用的横向圆钢或方钢构成，适用于城市轨道交通、重载铁路和高速铁路[6]：

（1）在城市轨道交通中，研究表明梯形轨枕能显著提高道床横向阻力，基于这一提升作用，梯形轨枕可用于优化有砟道床选型，例如降低砟肩堆高、减小砟肩宽度，这一优点可在大大节约道砟用量、减少占地面积[7-10].

（2）在重载铁路上，相比Ⅲc型轨枕，梯形轨枕稳定性更好，能够减小列车经过时传递给道床的动荷载和振动. 因此，轨道养护维修频率低，使用寿命更长[9, 11-12].

（3）在高速铁路无砟轨道中，梯形轨枕已有较多应用[10,13]；在有砟轨道中，列车以350 km/h或更高速度运营时，存在飞砟风险，而梯型轨枕运用在有砟轨道上，采用平肩式道床，可降低飞砟风险.

然而，现阶段对梯型轨枕有砟道床横向阻力数值和分担机理尚不明确. 本文基于现场试验，测定梯形轨枕有砟道床横向阻力，并与我国Ⅲc型轨枕进行对比. 需要说明的情况是，本次试验道床仅采用小型夯实机夯实，未经过列车碾压或大机稳定.

1 方法及材料

1.1 材料

本次试验为道床横向阻力测试，测试地点位于北京交通大学滨海学院试验场内，铺设的12 m有砟道床作为试验平台. 试验道床厚度350 mm，边坡坡度1∶1.75. 试验采用道砟材质为玄武岩，各项指标均符合特级道砟要求[3].

为保证道床密实，铺设时采用分层夯实方法，使用110型电动平板夯实机，350 mm厚道床分4层4次夯实铺设，轨枕放置后，枕心及砟肩部位采用3层3次夯实. 为确保试验对比准确，所有工况严格采用同样铺设夯实方法，保证道床密实度相同.

梯形轨枕实长5.9 m，名义长6.0 m （铺设间隔0.1 m），质量3.6 t，2根预应力混凝土梁长5 900 mm，宽580 mm，厚185 mm，内侧间距840 mm，通过3根横截面长125 mm、宽75 mm的方钢连接，扣件中心间距600 mm，梯形轨枕与其结构如图1所示. 对比试验采用我国Ⅲc型轨枕.

图1 梯形轨枕Fig.1 Ladder sleeper

1.2 试验方法

本文为道床横向阻力现场试验，梯型轨枕的测试无垂向荷载，采用临近轨道提供横向反力[13]. 反力装置分为两部分，第1部分采用6根长度4.0 m、外径48 mm、壁厚3 mm钢管横向排列，在1.3 m及2.6 m处加设横向钢管，扣件连接，钢管一端固定在临近道岔区钢轨上，另一端固定在架立起的钢轨上，此部分作为基础部分，可提供稳定的反力支撑；第2部分采用4根长度4.0 m、外径76 mm、壁厚3.5 mm钢管，2根一组，一端固定在钢轨上，另一端放置千斤顶施加推力，此部分为传力部分，提供直接反力.反力装置整体情况如图2所示.

图2 反力装置Fig.2 Counterforce device

在梯形轨枕横向阻力测试中，采用2个10 t液压千斤顶分别布置在距轨枕端部1 400 mm处的两侧，采用同步分级加载方式；轮辐式压力传感器（量程10 t、灵敏度2 mV/V）连接INV3018A型数据采集仪记录压力值；2个位移计（量程30 mm、精度0.001 mm）分别布置在梯形轨枕千斤顶的对侧两端，测定位移值. 现场布置与测试情况如图3（a）所示.由于采用液压式千斤顶，每一级加载后，需要随时读数、补加压力，以保证推力稳定，待到位移基本不变或1 min后，进行下一级加载. 位移计的读数与记录同推力保持一致，一一对应. 试验进行至阻力大致不变而轨枕位移不断增加时，认为达到阻力极限，停止加载. 每级加载前后记录两组数据. 试验采用严格相同的道床铺设方法，最大限度保证了每次试验道床情况的统一，因此，每种工况进行3次测试. 将平均值绘制成图，取位移2 mm时对应的阻力值为此种工况的道床横向阻力[14-16].

Ⅲc型轨枕横向阻力测试中，采用自制反力架提供反力，1个液压式千斤顶加压，其余控制条件及测试标准与梯形轨枕相同. 现场试验情况如图3（b）所示.

1.3 试验工况

为研究梯形轨枕与Ⅲc型轨枕的对比. 设置工况R1为砟肩宽度500 mm、砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕；工况R2为砟肩宽度500 mm、平肩式（砟肩堆高为0）道床、Ⅲc型轨枕. 为研究砟肩宽度对梯形轨枕横向阻力的影响，在平肩式道床基础上，设置工况 A1～A4 分别为砟肩宽度 500、400、300、200 mm.为研究枕心高差的影响，在无砟肩的道床上，设置工况B1～B4分别为枕心饱满、降低40 mm （约为一个道砟粒径）、降低高度50%、枕心内无道砟. 与此同时，工况A1、B1、B4间组合、做差可表示梯形轨枕横向阻力分担. 10种工况具体情况如表1所示.

表1 工况类型Tab.1 Test condition

2 结果与分析

梯形轨枕总长6.0 m，在相同长度上可铺设10根Ⅲc型轨枕，因此道床横向阻力采用每延米阻力（kN/m）进行对比分析.

2.1 梯形轨枕与Ⅲc型轨枕

梯形轨枕与标准工况Ⅲc型轨枕对比如图4所示. 结果表明，R1工况中，Ⅲc型轨枕的横向阻力为16.11 kN/m. 然而，取消砟肩堆高后（R2），Ⅲc型轨枕的横向阻力仅为11.75 kN/m，降低了29%；在相同道床条件上铺设的梯形轨枕（A1）道床横向阻力为18.31 kN/m，相比工况R1，提升约14%，相比工况R2，提升约55%.

图4 梯形轨枕与Ⅲc型轨枕对比Fig.4 Comparison between ladder sleeper and Ⅲc sleeper

2.2 砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力影响

不同砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力影响如图5所示. 这一对比中，梯形轨枕均铺设在平肩式道床上，结果表明，工况A1 （砟肩宽度500 mm），梯形轨枕道床横向阻力为18.31 kN/m；工况A2 （400 mm）为 18.20 kN/m；工况 A3 （300 mm）为 18.14 kN/m；工况A4 （200 mm）为17.93 kN/m. 砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中，道床阻力无明显增加，并且，在砟肩宽度200 mm时，铺设梯形轨枕的道床横向阻力已大于工况R1约13%. 由于梯形轨枕限位凸台宽度200 mm，故200 mm为最低砟肩宽度.

图5 砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力的影响Fig.5 Influence of shoulder width on ladder sleeper lateral resistance

2.3 枕心高差对梯形轨枕道床横向阻力影响

枕心高差对横向阻力的影响如图7所示. 试验均为无砟肩道床，结果表明，枕心无道砟（工况B4）道床横向阻力为6.21 kN/m，填入高度50%道砟（工况 B3）阻力为 11.46 kN/m，降低 40 mm （工况B2）阻力为 13.43 kN/m，枕心饱满（工况 B1）阻力为14.76 kN/m. 这一加高过程中，相比枕心无道砟，阻力分别提高约84%、116%、137%.

图6 枕心高差影响Fig.6 Influence of crib height on ladder sleeper lateral resistance

2.4 梯形轨枕道床阻力分担

工况A1的测试结果为道床横向阻力总值，工况B1的测试结果为轨枕底面与枕心两部分的阻力，工况B4的测试结果为轨枕底面的阻力，A1、B1的测试结果差值可表示砟肩部分阻力，B1、B4的测试结果差值可表示枕心部位阻力，由此可得到3部分道床横向阻力值及其分担. 结果如表2所示.

表2 梯形轨枕阻力分担Tab.2 Ladder sleeper lateral-resistance constitution

相关研究表明，条形轨枕道床横向阻力的来源分为3个部分，受力情况如图7（a）所示，Fbottom表示轨枕底面与道床的摩擦，承担整体阻力值的45%～50%；Fside表示轨枕侧面与枕心部位道砟的摩擦，承担15%～20%；Fend表示轨枕端部道砟抗剪提供的阻力，承担35%～40%[17-19]. 关于梯形轨枕与Ⅲc形轨枕阻力差异分析可总结如下：

（1）梯形轨枕底部面积 6.964 m2，小于相同长度上10根Ⅲc型轨枕7.72 m2，因此梯形轨枕底面提供阻力值占比较小.

（2）不同于Ⅲc轨枕侧面摩擦力Fside，由于梯型轨枕为纵向轨枕，枕心部分由轨枕框架内道砟抗剪（Fcrib）提供. Fside占比较小，而Fcrib则提供了最大部分阻力.

（3）梯形轨枕端头面积为1.09 m2，提供最少部分阻力，相同长度上Ⅲc型轨枕端头面积为0.590 m2.但由于Ⅲc型轨枕端头间隔不连续，每一部分影响扩展深度更大，阻力更大.