张鲁顺 赵国堂 赵 磊 赵如锋

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044;2.中国国家铁路集团有限公司 科技和信息化部,北京 100844;3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081)

我国高速铁路营业里程已达3万公里,超过世界高铁总里程的三分之二。无砟轨道具有高精度、高平顺性、高稳定性的技术特点,为列车提供了安全可靠的高速运行平台。无砟轨道列车荷载传递特征的研究,是无砟轨道材料、几何尺寸优化和无砟轨道及下部基础结构设计的理论依据。

与有砟轨道的散粒体道床相比,无砟轨道的整体性更加明显,作为多层结构体系,不同型式无砟轨道层间接触方式的差异性和复杂性,致使荷载传递的研究更为困难[1]。无砟轨道荷载传递特征的研究,一方面需要从理论分析的角度,对荷载在无砟轨道内部传递路径及分布特征进行分析;另一方面需要研究能够准确监测高速铁路无砟轨道在正常服役过程中荷载分布的测试方法,开展现场测试及实尺模型试验,对理论分析结果进行验证及校准。无砟轨道理论研究方面,取得了大量理论成果,包括无砟轨道受力分析,振动特性分析及设计理论研究。其中,无砟轨道技术再创新理论组经过大量理论分析,建立了无砟轨道的设计理论体系、提出了相关的设计计算方法,统一了主要的设计计算参数,指导了我国客运专线无砟轨道生产建设[2]。翟婉明[3]在国际上首先提出并建立了车辆-轨道耦合动力学理论,该理论广泛应用于列车振动特性传递研究,为高速铁路建设提供支撑。模型测试方面,浙江大学蒋红光等[4-5]率先建成可以模拟行车速度350km/h的大型动态加载装置,对列车动态运行过程中基床动应力变化情况进行模拟,并对CRTS Ⅰ型板式无砟轨道下部路基系统动力荷载传递过程进行了大量试验分析,得出扣件支点荷载分布和路基各层荷载变化的规律。中南大学吸收了浙江大学模拟加载系统的优点,建立了规模更大、边界条件等同于实际情况的试验台,对CRTS Ⅰ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道路基荷载传递进行试验研究,并对所模拟得到的不同速度、轴重情况下基床动应力进行测试与仿真分析[6-7]。现场测试方面,在遂渝客专无砟轨道试验段、京津城际、京沪高速铁路枣庄—蚌埠综合试验段、盘营和大西高速铁路CRTS Ⅲ型板式轨道试验段以及各高速铁路联调联试中,都对无砟轨道动力响应进行了测试,特别是在武广高速铁路综合试验段对CRTS Ⅰ型板式无砟轨道、CRTS Ⅱ型板式无砟轨道、双块式无砟轨道和Rheda2000无砟轨道进行了系统测试分析,得到了钢轨、轨道板/道床板、底座板/支承层、轨道与线下工程界面上的受力、变形和振动特性[8],总结出的结论对无砟轨道结构设计和养护维修具有重要的意义。但是,对于列车荷载传递的研究多集中于钢轨支点压力及下部基础表面压应力峰值,无砟轨道层间荷载分布规律研究较少。荷载传递测试方法较为繁杂,缺乏对比分析及针对性地创新研发。

本文主要对无砟轨道荷载传递特征及测试方法研究,对比分析了现有多种荷载传递测试方法的适应性,根据现场实测经验总结了荷载传递测试原则。建立了双块式无砟轨道实尺模型试验,基于自主研发的石基压电式测试系统和压电式测力垫板测试系统,分析列车荷载传递特征,并与动力学仿真结果对比。列车荷载传递理论分析与室内测试结果分析相结合,提高了荷载传递研究结果的准确性及测试方法的可靠性。

1 无砟轨道荷载传递测试方法

1.1 测试方法适应性分析

无砟轨道列车荷载传递主要测试内容为钢轨支点压力测试和混凝土内部压力测试。现有部分传感测试技术已成功应用于无砟轨道测试中,对适用于列车荷载传递的测试方法,仍需要比较和发展。对商用压力测试传感器的多个技术指标进行对比,并定性地对不同测试方法进行综合评估,见表1。

表1 压力测试方法综合评估

通过综合评估可以看出,除电感式压力测试不能用于高频动态测试外,其余测试方法均可满足测试所需的灵敏度和频率响应的要求。其差异主要体现在传感器体积、成本、与混凝土黏结性能及测试对结构受力影响等方面。振弦式压力传感器体积较大,大量布置于无砟轨道各层时或将影响结构截面承载力,霍尔、电涡流、电容式、应变式压力测试传感器封装后与无砟轨道黏结性较差,大量布置影响结构承载力。传感器耐久性考虑其长期监测结构的准确性及自身寿命两方面。振弦式、应变式传感器耐久性和长期稳定性稍差,分布式压力测试传感器仅可用于隔离层,而隔离层处的环境相对混凝土内部更加恶劣,且受到轨道板与底座之间长期拍击作用,使用寿命也将低于预期。测试成本也是测试方法综合评估中需要考虑的重要环节,压阻式、电感式、分布式和光纤光栅式压力测试成本均较大。其中,光纤光栅式压力测试传感器成本较低,但调制解调设备成本高昂。另外,对传感器是否完全国产化进行了调研和总结,国内学者对相关测试传感器均有研究,但除常规的应变式和振弦式测试方法外,大量测试传感器均有待创新研发,尤其是传感器控制芯片领域。总体看来,压电式压力测试方法通过对与混凝土黏结性和结构受力影响性两方面进行创新研发,可以很好的适应于列车荷载传递压力测试。

1.2 测试系统研发

1.2.1 石基压电式压力测试系统

压电式压力传感器基于压电效应,利用压电材料受力后表面产生电荷,经信号电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后成为正比于所受外力的电量输出。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料,压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷,当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态,当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变,压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。

目前压电传感器普遍存在与无砟轨道混凝土结构黏结不良的问题,主要原因是传感器尺寸过大,如振弦式压力盒,尺寸往往达到100 mm 以上,大量埋入混凝土时,将降低无砟轨道结构的承载能力。另一方面,由于传感器材料与混凝土结构间黏结较差,加上温度变化及混凝土收缩变形,极易造成混凝土产生初始应力甚至开裂。本次混凝土内部压力测试采用自主研发的基于压电复合材料的大理石基压力传感器,已获得专利。传感器样件及构成见图1,传感器直径25 mm,高20 mm,主体材料为大理石,与混凝土骨料相近,浇筑完成后与混凝土黏结紧密,大量布置时不影响无砟轨道结构承载力。

图1 石基压电传感器

测试系统由石基压电传感器阵列、数据连接线、信号放大器、数据采集仪、无线传输模块及笔记本电脑组成,见图2。

图2 石基压电式压力测试系统组成

在现场试验时,下部基础平整完成后,进行路基顶面、无砟轨道底面测点布置。在底座板/支承层施工完成,轨道板/道床板钢筋绑扎完成后,进行底座板/支承层顶面、轨道板/道床板底面测点布置。无砟轨道主体结构施工完成后,进行各测点石基压电传感器调试。试验前,将传感器数据线与信号放大器连接,然后将信号放大器与动态数据采集仪连接,各设备接上电源后,将动态数据采集仪连接笔记本电脑收取数据。试验时,采集获取各测点动态压力时程,拟合压力分布曲线。

压电式压力传感器属动态采集传感器,静态加载时不响应,需要采用动态循环加载或落锤冲击加载的方式进行标定。

1.2.2 压电式测力垫板测试系统

压电式测力垫板所用的压电材料与石基压电式压力测试传感器一致,不同之处在于石基压电式传感器采用环氧树脂进行保护,然后封装于标准大理石圆柱中,而测力垫板是在弹性垫板上留出传感器槽,在传感器槽内将压电陶瓷用硅胶封装入弹性垫板,陶瓷片用两根绝缘导线引出,连接至采集仪。考虑钢轨经由轨下垫板、铁垫板,放置于弹性垫板上,在横向力作用下可能出现一定程度的侧倾,在测力垫板两侧均设置一个传感器。所制作完成的测力垫板样件及构成图分别见图3。

图3 压电式测力垫板

基于压电式测力垫板的钢轨支点压力测试系统由压电式测力垫板、数据连接线、信号放大器、数据采集仪、无线传输模块及笔记本电脑等部件组成,见图4。

图4 压电式测力垫板测试系统组成

为获取压电式测力垫板的动态压力与电荷输出大小之间的对应关系,需要用具有标定资质的动态压力试验机对每块垫板进行标定,获取传感器灵敏度曲线。完成传感器封装和标定后,将弹性垫板更换成测力垫板。将各个压电式测力垫板依次经由信号放大器连接至数据采集仪,调试完成后开始测试。

2 荷载传递测试原则

根据现场测试经验及仿真分析计算,从不同角度总结无砟轨道荷载传递测试原则:

(1)整体性。测试原件应尽可能降低对被测结构整体性能的影响,优先采用无损测试方法。埋入无砟轨道内部的传感器应与混凝土材料具有较好的黏结性,尺寸尽量小于混凝土保护层厚度,不得因测试布点而改变结构原有传力体系。

(2)测试范围。通过现场测试及仿真分析发现,单轮荷载主要由5个扣件承担,为保证测试效果以及考虑不同轨道结构型式、扣件刚度及间距等因素影响,将测试范围外延1个扣件间距。因此,钢轨支点压力测试范围应涵盖连续7个扣件节点,依据测试目标不同,相应提升测试范围,例如评估一个转向架上两轮对间相互影响时,钢轨支点压力测试范围需涵盖转向架轴距,并在此基础上向两侧各延伸3个扣件节点。无砟轨道结构层横向布点时,测试传感器数量应大于7个,依据对称原则进行单边布置时,传感器数量应大于4个,钢轨正下方和轨道板中心位置处必须设置测点。无砟轨道结构层纵向布点时,测试范围应尽量覆盖5个扣件节点并向两侧延长1.2 m,依据测试目标可适当加长。单元板式无砟轨道应覆盖整块板的纵向长度,可对称布点,测点数量可依据对称原则减半。

(3)测试频率。列车运行速度360km/h时,典型钢轨支点压力和混凝土压应力频谱曲线见图5。由图5可见,钢轨支点压力频率成分在0～500 Hz之间均有分布,无砟轨道动态压力主要分布在0～100 Hz之间,采样频率应达到分析频率的2.5倍。因此,钢轨支点压力和无砟轨道荷载分布测试频率分别不小于1 250、250 Hz。

图5 钢轨支点压力及混凝土压应力频谱曲线

(4)压力测试传感器准确度等级参考GB/T 13283—2008《工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级》[9]中的准确度定义方法,取为0.2,即允许的基本误差为满量程输出的±0.2%。其试验方法参考GB/T 15478—2015《压力传感器性能试验方法》[10]执行。

(5)压力数据采集时,需要将所有测点连接至同一数据采集仪或置于同一网络时间下,避免各通道数据的时间偏差或延迟。保证传感器同步,有利于后期数据处理。

3 荷载传递实尺模型试验

3.1 试验设计

3.1.1 试验概况

高速铁路无砟轨道列车荷载传递测试方法,在京沈高速铁路辽宁段经过行车测试验证[11],为研究不同型式无砟轨道车辆荷载传递规律,在高速铁路轨道技术国家重点实验室内建立双块式无砟轨道实尺模型。应用自主研发的石基压电式压力测试系统及压电式测力垫板测试系统,对钢轨经由扣件系统传递至无砟轨道表面的钢轨支点压力分布规律、道床板、支承层底部荷载分布规律进行了系统性试验。

3.1.2 试验模型

实尺模型试验平台建造于实验室的试验槽内,下部基础为混凝土桥,试验平台场地与现场见图6。模型尺寸与现场双块式无砟轨道基本一致,道床板尺寸为5.85 m×2.8 m×0.26 m,支承层尺寸为5.85 m×3.3 m×0.3 m,扣件间距0.65 m。自上而下依次为CHN60钢轨、WJ-8扣件、SK-2型双块式轨枕、C40道床板、C15 素混凝土支承层。道床板内部设置双层配筋。

现场试验时,安装完整钢轨和扣件,加载试验现场见图6。

图6 试验平台及现场

3.1.3 测点布置

测试内容为单侧9个节点的钢轨支点压力,道床板底部和支承层底部共布置石基压电式压力测点20个,按照对称原则进行布置。道床板和支承层压力传感器上下对应,横向测点按照理论分析获取的布置原则布置于拐点处,纵向布置于钢轨及扣件节点正下方,在荷载作用点一侧扣件间距范围内加密一个传感器测点,具体布置位置见图7。

图7 石基压电式传感器测点布置

3.2 试验结果及分析

3.2.1 钢轨支点压力分布特征分析

依据试验现场实际工况,利用ABAQUS有限元软件建立车辆-双块式无砟轨道耦合动力学模型,与现场试验结果对比,有限元模型见图8。车型为CRH380B,轴距2.5 m,定距17.375 m,轴重17 t。车辆动力学模型建立时采用多刚体动力学建模方法[3],车辆各项力学参数参照文献[12],轮轨间法向作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定,切向蠕滑力由蠕滑理论确定。双块式无砟轨道由钢轨、扣件系统、道床板和支承层等组成,均采用实体单元模拟,相关参数见表2,接触面刚度为桥梁支承刚度1 000 MPa/m,不考虑轨道平顺性的影响。

图8 车辆-双块式无砟轨道耦合动力学有限元模型

表2 双块式无砟轨道计算参数

钢轨支点压力分布典型测试结果见图9,9个测点均为测力垫板输出值,加载力为100、170 k N时,对应荷载作用点位置处的钢轨支点压力分别为-17.5、-30.1 k N,与加载力的幅值呈线性关系。荷载影响范围基本为5个扣件节点,在此影响范围内,荷载作用位置处的轮载分配比率约为32%,与之相邻的两个扣件位置处轮载分配比率分别约为24%、10%,动力学仿真结果与现场试验结果差异较小,京沈高速铁路辽宁段行车测试结果,荷载作用位置处的轮载分配比率为32%～37%[11],试验结果略微偏小。

图9 钢轨支点压力分布曲线

3.2.2 道床板底部压力分布特征分析

道床板底部压应力横向分布典型测试结果见图10(a),测试结果表明,道床板底部压应力最大值位于钢轨正下方,加载力为100、170 k N时,对应板下压应力分别为-86.6、-147.3 k Pa,基本上与加载力的幅值呈线性关系。从横向荷载分布范围实测结果中可以看出,道床板底部荷载横向基本呈双峰型分布,板中及板两侧位置处压应力较小,两钢轨间荷载叠加效应不明显。单侧荷载在道床板底部的影响范围约为0.7 m,约占道床板单侧横向宽度的50%,因此,从荷载传递横向分布规律的角度考虑,道床板宽度仍有一定的优化空间。动力学仿真结果与现场试验结果差异较小,传感器测试效果较好。

图10 道床板底部压应力横向及纵向分布曲线(虚线为对称描绘)

道床板底部压应力纵向分布典型测试结果见图10(b),测试结果表明,道床板底部压应力最大值位于钢轨正下方。加载力为100、170 k N时,与其纵向相邻0.325 m 位置处压应力为-10.8、-18.4 k Pa。与其纵向相邻0.65 m 位置处,即相邻第一个轨枕位置处,出现另一个峰值,压应力为-64.8、-110.1 k Pa,该压应力为荷载作用点正下方最大值的75%左右,且基本上与支点处分配的轮载力的幅值呈线性关系。道床板底纵向扣件间叠加效应不明显,因此,扣件位置处峰值较大,而扣件间位置处出现明显的波谷。

3.2.3 支承层底部压力分布特征分析

支承层底部压应力横向分布典型测试结果见图11(a),测试结果表明,支承层底部压力最大值位于钢轨正下方,加载力为100、170 k N时,对应支承层下压应力分别为-14.2、-24.3 k Pa,武广客专武汉综合试验段测试结果,轴重换算成17 t时,支承层底部压应力为-20 k Pa左右[8],由于室内试验接触面刚度较大的原因,结果略大于测试结果。从横向荷载分布范围实测结果中可以看出,支承层底部荷载分布基本呈M型分布,钢轨下压应力大,侧边和板中处压应力小,板中位置处略大于板侧边位置处。

图11 支承层底部压应力横向及纵向分布曲线(虚线为对称描绘)

支承层底部压应力纵向分布典型测试结果见图11(b),加载力为100、170 k N时,与其纵向相邻0.325 m和0.65 m 位置处即一个扣件间距处压应力较为接近。支承层底部荷载纵向传递范围较远,2号测点位置处压应力约为峰值处的20%,1号测点位置处压应力约为峰值处的5%。荷载在支承层底部纵向范围内影响范围7个扣件节点,约为4 m。整体来看,由于仿真分析时轨道结构下部基础刚度取典型值与试验平台实际刚度有差距,而下部基础刚度对支承层底部压应力影响较大,致使仿真结果略高于实测值,但不影响其规律性分析。

4 结论

本文综合评估了不同荷载传递测试方法的适应性,总结了荷载传递现场测试原则。基于双块式无砟轨道实尺试验平台,开展了双块式无砟轨道轮载下钢轨支点压力和道床板、支承层底部荷载分布规律试验,并与动力学仿真分析结果对比,得出主要结论如下:

(1)石基压电测试系统及压电式测力垫板测试系统在荷载传递试验中,测试结果准确可靠,可用于无砟轨道结构健康监测。

(2)单轮载主要由5个扣件承担,荷载作用处的轮载分配比率约为32%,与之相邻的两个扣件位置处轮载分配比率分别约为24%、10%。

(3)道床板底部荷载横向呈双峰型分布,板中及板两侧位置处压应力较小,两钢轨间荷载叠加效应不明显。横向分布范围约占道床板宽度的50%,道床板宽度具有一定的优化空间。道床板底部压应力纵向分布在扣件处出现峰值,且与支点处分配的轮载力幅值呈线性关系,扣件间叠加效应不明显,靠近轮载处出现明显的波谷。

(4)支承层底部荷载横向呈M型分布,轨下压应力大,侧边和板中处压应力小。支承层底部压应力纵向影响范围为7个扣件节点,约为4 m。

(5)本文所总结的测试原则,可为无砟轨道结构整体受力现场测试提供参考;所得荷载传递分布规律,可为无砟轨道尺寸优化和下部基础设计取值提供理论依据。