3 000万次列车荷载作用下Ⅲ型板式轨道力学性能演化试验

吴斌，魏炜，曾志平, 2，王俊东，李世业



3 000万次列车荷载作用下Ⅲ型板式轨道力学性能演化试验

吴斌1，魏炜1，曾志平1, 2，王俊东1，李世业1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

利用CRTSⅢ型板式轨道-路基结构足尺试验模型，模拟高速列车荷载作用，进行3 000万次疲劳试验，对扣件刚度、隔离层刚度及各部件加速度的演化规律进行分析。研究结果表明：扣件动静刚度均随荷载作用次数增幅分别为116%和30%，动静刚度比呈线性增加，疲劳荷载作用到1 000万次左右时，动静刚度比达到1.5；根据试验结果拟合得到隔离层刚度与荷载作用次数呈二次函数关系，相关系数为0.975，据此可以预测3 600万次时刚度达到最大值，约为初始刚度2.4倍；钢轨及轨道板加速度降幅分别为63%和34%，底座加速度增幅为54%；研究成果可为CRTSⅢ型板式轨道状态评估研究及养维策略制定提供参考。

CRTSⅢ型板式轨道；疲劳；试验；性能；演化

近年来，高速铁路在整个铁路运输系统中占据着日益重要的角色，各国对无砟轨道均开展了相应的研究和应用[1−4]。鉴于既有板式(CRTSⅠ型、CRTSⅡ型)及双块式(CRTSⅠ型、CRTSⅡ型)无砟轨道存在离缝、板端翘曲、轨道板上拱及混凝土开裂等不利服役状态，我国通过不断改进和创新，形成了CRTSⅢ型板式无砟轨道系统[5]，在新建高速铁路中得到了广泛应用。目前，国内对CRTSⅢ型板式无砟轨道的静动力及疲劳性能进行了大量的理论和试验研究。孙璐等[6]通过改变列车荷载作用位置，研究CRTSⅢ型板式无砟轨道结构受力性能变化特征。任勃[7]基于列车-轨道耦合动力学理论对减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道的动力特性进行分析和研究。何燕平[8]运用有限元方法，分别开展了列车、温度荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的疲劳性能数值分析。刘学毅等[9]考虑温度与列车荷载的耦合作用，开展CRTSⅢ型板式无砟轨道结构500万次列车荷载疲劳试验，分析轨道结构各部件位移及轨道板应力。截至目前，国内外千万次及以上的长期荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构体系疲劳性能试验尚属空白。为快速获得CRTS Ⅲ型板式无砟轨道各层结构及界面的工作特性，揭示结构体系受力性能演化规律，本文依托中国铁路总公司重大试验专项，以CRTSⅢ型板式无砟轨道−路基结构足尺试验模型为基础进行试验，获得了3 000万次列车疲劳荷载下扣件刚度、隔离层刚度及各部件加速度的演化规律。

1 试验概述

1.1 试验模型及测试元件布置

本试验依托高速铁路建造技术国家工程实验室的轨道-路基动力模型试验系统开展[10]。

试验静态测试内容主要包括钢轨与轨道板相对位移、轨道板与底座相对位移等，动态测试内容主要包括钢轨、轨道板及底座加速度，以及钢轨与轨道板相对位移、轨道板与底座相对位移，测试采用imc数据采集仪进行实时采集。测试元件包括位移传感器、加速度传感器及千分表等，均置于钢轨轨顶面、轨道板顶面及底座顶面，主要布置在板中的测点2及两侧的板端测点1和测点3，具体布置方式如图1所示。

1.2 试验加载系统及荷载模拟

利用轨道−路基动力加载系统进行加载，该系统采用多个激振器来模拟高速铁路列车荷载，共包含5个作动器，同时布置在一块CRTSⅢ型板式无砟轨道结构上，分别置于1，3，5，7和9号承轨台上方，承轨台编号见图1(a)，现场试验作动器布置如图2所示。

图2 试验作动器布置

试验模拟列车运行时速为350 km/h，轴重170 kN，通过列车−轨道动力学仿真分析[7]，求得相邻车厢的相邻转向架不同轮对经过轨道时单个扣件垂向力时程，根据轨道−路基动力加载系统对加载输入函数的要求，拟合作动器所需加载时程曲线(图3)[11]。动载每作用40万次停机进行一次静载加载测试，静载的加载方式为分级加载，将荷载值为0 kN时的位移设为相对位移的零点，从单个作动器荷载值为10 kN开始，每增加20 kN记录千分表位移读数及静态应变采集仪读数，直至最大加载值130 kN。其加载时程如图4所示。

图3 动荷载加载时程曲线

图4 静荷载分级加载时程

2 扣件刚度测试结果分析

2.1 静动力加载结果分析

试验采用WJ-8B型扣件，扣件设计静刚度30 kN/mm±5 kN/mm。在疲劳荷载作用3 000万后，得到动、静载作用下各测点位置位移测试结果。轨道结构中部取测点2位置测试数据，用字母M表示，轨道结构端部取测点1和3位置测试数据平均值，用字母E表示，D和S分别代表动载作用和静载作用，例如：M-S-扣件，表示轨道结构中部静载作用下扣件最大压缩形变量。由试验数据分析可知，动、静载作用下，轨道结构端部扣件形变量均大于中部。以轨道结构中部在动、静载作用下扣件最大压缩形变量随荷载作用次数变化为例，如图5所示，动、静载作用下扣件形变量减小幅度分别为54%和41%，动载降幅大于静载，导致动静刚度变化不 一致。

根据静载各级加载的测试数据，可反映扣件静刚度随荷载大小变化趋势，取疲劳作用0万次，1 000万次，2 000万次及3 000万次时轨道结构中部扣件压缩形变量随静载变化如图6所示，由图6可知，初始状态(0万次)时，扣件静压缩形变量随静载增加约呈线性变化，此时扣件处于纯弹性变形阶段，随疲劳作用次数增加，扣件静刚度随静载增加均呈非线性变化，刚度值随荷载加大而增加，并且非线性程度随疲劳荷载作用次数增加而增强。

图5 扣件最大压缩形变量随作用次数变化

图6 扣件压缩形变量随荷载变化

2.2 扣件刚度变化分析

为探究扣件全寿命期力学性能演化规律，将试验全过程扣件最大压缩变形量的测试结果进行计算分析，得到扣件动静刚度、扣件动静刚度等变化规律特性。

扣件动静刚度及动静刚度比均为扣件系统弹性性能重要评价指标，扣件动静刚度比越大，对垫板的塑性形变、使用寿命越不利，且减弱了振动的传递速率[12−13]。根据文献[14]的扣件节点动静刚度试验方法进行计算，扣件节点静刚度计算公式如式(1)所示：

式中：s为静刚度，kN/mm；1和2为向被测系统的钢轨施加的最小及最大荷载，分别取值5 kN及55 kN；1s和2s为钢轨在加载至1和2时的位移，mm。

根据静载试验测试结果，通过线性差值法获取静载试验5 kN及55 kN荷载作用下钢轨相对轨道板位移值，由计算分析得到扣件静刚度与疲劳作用次数间变化曲线，同理，由动载作用下测试结果，得到扣件动刚度变化曲线，如图7所示，扣件动静刚度比实测与拟合值对比如图8所示。

由图7可知，扣件动静刚度均疲劳随荷载作用次数而增大，荷载作用到3 000万次时，动刚度由34.7 kN/mm增加到75.0 kN/mm，静刚度由27.5 kN/mm增加到35.7 kN/mm，增幅分别为116%和30%，动刚度增幅远大于静刚度。

由图8可知，扣件动静刚度比随荷载作用次数增大，且基本呈线性变化，故采用一次函数进行拟合得出扣件动静刚度比随荷载作用次数变化关系式如式(2)所示，曲线拟合优度2=0.964，由拟合关系式可得出当荷载作用到1 050万次后动静刚度比大于1.5，超过规范要求[14]，根据试验数据计算所得结果为1 080万次，拟合值与实测值吻合良好，若按照每小时发20列8节编组的高速列车计算[8]，对应服役年限仅为8 a左右，建议在无砟轨道的养护维修中应注意对扣件的力学性能进行定期检查，及时替换性能老化的垫板。

式中：d/K为动静刚度比；为疲劳荷载作用次数，百万次。

图7 扣件动静刚度变化

图8 扣件动静刚度比变化实测值与拟合值

3 隔离层刚度测试结果分析

3.1 静动力加载试验分析

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构在自密实混凝土和底座之间设置了一层土工布作为隔离层，具有改善结构体系受力、缓和自密实混凝土与底座之间相互作用等功能。因此，探讨隔离层力学性能演化规律显得尤为重要。

轨道结构中部位置动、静载作用下隔离层最大压缩形变量随荷载作用次数变化如图9所示，分析可得，静载下隔离层形变量随作用次数而减小，降幅为58%，动载下其形变量先减小，作用到1 000万次后有增大趋势，最终隔离层动静位移几乎趋于相等，此时其振动传递性能接近于理想弹性体，减振性能已大幅退化。

隔离层静载各级加载测试结果如图10所示，其变化趋势与扣件近似，可知隔离层静刚度非线性趋势也随荷载作用次数增加而增强。

图9 隔离层最大压缩形变量随作用次数变化

图10 隔离层压缩形变量随荷载变化

3.2 隔离层刚度变化分析

隔离层刚度随疲劳作用次数变化趋势可根据试验数据分析而得到。根据实测曲线显示，隔离层刚度增长逐渐平缓并有趋于稳定的趋势，采用二次函数形式重新进行数据回归和拟合，得到隔离层刚度(N/mm3)与疲劳荷载作用次数(百万次)的关系式如式(3)所示，实测曲线及拟合曲线如图11所示，由图11可见，拟合曲线与测试值有较好的一致性。通过分析比较，可采用式(3)对疲劳隔离层刚度进行预测。

根据试验和拟合结果可知，隔离层初始刚度约为0.45 N/mm3。当荷载作用0~2 000万次之间，刚度平均增幅为0.027 N/mm3每百万，刚度增加较快；当荷载作用2 000~3 000万次之间，刚度平均增幅为0.011 N/mm3每百万次，刚度增加较为缓慢。由式(3)可推算，疲劳荷载作用次数到3 600万次左右时，隔离层刚度达到最大值1.10 N/mm3，此时隔离层刚度达到最大值，所对应的服役年限约为26 a[8]。隔离层具体刚度变化如表1所示。

图11 隔离层刚度变化实测值与拟合值

Fig. 11 Measurement and fitting on changes of isolated layer stiffness

表1 隔离层刚度变化

4 轨道结构振动特性分析

加速度作为轨道结构在动荷载作用下产生振动响应的直观指标，在一定程度上可反映动载激励下轨道结构的性能和状态。

动载作用下轨道结构加速度随作用次数变化如图12所示，图中轨道板、底座对应主坐标轴，钢轨对应次坐标轴，由图12可知，就试验全过程而言，钢轨及轨道板加速度随荷载作用次数增加而减小，分别从60.74 m/s2和4.12 m/s2降至22.54 m/s2和2.46 m/s2，降幅分别为63%和34%，底座加速度随荷载作用次数由1.65m/s2增至2.53 m/s2，增幅54%。因扣件动静刚度比增大，橡胶回弹性能减弱，垫板的黏弹损耗随之增加，阻尼系数也在一定程度上加大[15]，使得钢轨加速度减小，进而加大了传递到轨下结构及下部基础的振动，而隔离层刚度的增加导致轨道板和底座的加速度值逐步接近，隔离层的减振性能进一步退化。

图12 动载下轨道结构加速度变化

5 结论

1) 随着疲劳荷载次数增加，扣件动、静刚度增大，增幅分别为116%和30%，动静刚度比呈线性增加，荷载作用1 000万次左右时，动静刚度比大于1.5。

2) 长期疲劳荷载作用下，隔离层刚度与疲劳荷载作用次数呈二次函数关系式，据此可预测不同服役年限的隔离层刚度取值，如隔离层最大刚度约为1.10 N/mm3(约为初始刚度的2.4倍)，对应服役年限为26 a。

3) 随着疲劳荷载次数增加，钢轨及轨道板加速度减小，底座板加速度增加，变化幅度分别为63%，34%和54%。

4) 研究成果可为CRTSⅢ型板式轨道状态评估研究及养维策略制定提供参考。

[1] 刘学毅, 赵坪锐, 杨荣山, 等. 客运专线无砟轨道设计理论与方法[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2010: 25−47. LIU Xueyi, ZHAO Pingrui, YANG Rongshan, et al. Design theory and method of passenger dedicated line ballastless track[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2010: 25−47.

[2] Mirza O, Kaewunruen S, Kwok K. Design and modelling of pre-cast steel-concrete composites for resilient railway track slabs[J]. Steel and Composite Structures, 2016, 22(3): 537−565.

[3] CHEN B, Oderji S Y, Chandan S. Feasibility of Magnesium Phosphate Cement (MPC) as a repair material for ballastless track slab[J]. Construction and Building Materials, 2017, 154(11): 270−274.

[4] YANG E H, WANG K C P, LUO Q. Asphalt concrete layer to support track slab of high-speed railway[J]. Transportation Research Record, 2015, 25(5): 6−14.

[5] 王宇航, 王继军. CRTSⅢ型板式无砟轨道的多尺度有限元模型[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(3): 468− 474. WANG Yuhang, WANG Jijun. Multi-scale finite element model for CRTS III type slab ballastless track structures[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(3): 468−474.

[6] 孙璐, 段雨芬. 高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构受力特性研究[J]. 铁道工程学报, 2013, 30(11): 33−39. SUN Lu, DUAN Yufen. Static response analysis of CRTSⅢ ballastless track structure[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2013, 30(11): 33−39.

[7] 任勃. 减振型CRTSⅢ板式无砟轨道试验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2016. REN Bo. Experimental research on vibration characterristics of vibration CRTSⅢ slab ballastless track[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2016.

[8] 何燕平. CRTSⅢ型板式无砟轨道疲劳特性研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011. HE Yanping. Study on fatigue property of the CRTSⅢ slab track[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011.

[9] 刘学毅, 刘丹, 赵坪锐, 等. CRTSⅢ型板式无砟轨道疲劳性能试验研究[J]. 铁道工程学报, 2016, 33(11): 51−56. LIU Xueyi, LIU Dan, ZHAO Pingrui, et al. Experimental research on the fatigue behavior test of CRTSⅢ slab track[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(11): 51−56.

[10] 吴斌, 朱坤腾, 曾志平, 等. 列车荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(7): 1229−1233. WU Bin, ZHU Kunteng, ZENG Zhiping, et al. Experimental study on the mechanical characteristics of CRTSⅢ slab ballastless track under train load[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(7): 1229− 1233.

[11] 中国铁道科学研究院, 中南大学. 服役状态下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构体系经时性能试验研究[R]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2015. China Academy of Railway Sciences, Central South University. Experimental study on performance of CRTS Ⅲ slab track structure in service[R]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2015.

[12] XIAO X B, JIN X S, WEN Z F. Effect of disabled fastening systems and ballast on vehicle derailment[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 2007, 129(2): 217− 229.

[13] 张攀, 周昌盛, 王平. 轨下垫板刚度的时变特性及其影响研究[J]. 铁道标准设计, 2015, 59(9): 49−52. ZHANG Pan, ZHOU Changsheng, WANG Ping. Study on time variant characteristics and effects of rail pad Stiffness[J]. Railway Standard Design, 2015, 59(9): 49− 52.

[14] 科技基[2007]207号. WJ-8型扣件暂行技术条件[S]. Science and technology[2007] No. 207. Temporary technical conditions for WJ-8 type fasteners[S].

[15] Kaewunruen S, Kimani S K. Damped frequencies of precast modular steel-concrete composite railway track slabs[J]. Steel and Composite Structures, 2017, 25(4): 427−442.

Study on the evolution of mechanical properties of CRTSⅢ slab track under 30 million times train load

WU Bin1, WEI Wei1, ZENG Zhiping1, 2, WANG Jundong1, LI Shiye1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Based on the full-scale test model of CRTSⅢ slab track-subgrade structure system, the evolution of mechanical properties for fastener stiffness, isolated layer stiffness and acceleration on each parts of track structure were studied under 30 million high-speed train fatigue load tests. The results show that: The dynamic and static stiffness of fastening increased by 116% and 30%, respectively, and the ratio of dynamic stiffness and static stiffness increased linearly with the increasing of train load times. After 10 million fatigue load tests, the ratio of dynamic stiffness and static stiffness was larger than 1.5. Based on the test results, the stiffness of isolated layer changes in accordance with quadratic function, and the correlation coefficient is 0.975. It was estimated that the maximum stiffness is 2.4 times of the initial after 36 million fatigue load tests. The acceleration of rail and slab track reduced by 63% and 34% respectively while the acceleration of support increased by 54%. The research is useful to guide the mechanical properties study and maintenance of CRTSⅢ slab track structure.

CRTSⅢ slab track; fatigue; experiment; mechanical properties; evolution

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.001

U213

A

1672 − 7029(2019)01 − 0001 − 07

2018−01−22

中南大学研究生自主探索创新项目(2017zzts749)；中国铁路总公司科研试验项目(SY2016G001)；高速铁路基金研究联合基金资助项目(U1734208)

曾志平(1975−)，男，湖南宁乡人，教授，博士，从事铁路轨道结构研究；E−mail：hzzp7475@126.com

(编辑 阳丽霞)