板式無砟軌道錨固銷釘限位技術(shù)的試驗研究

王繼軍

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所 100081)

板式無砟軌道結(jié)構(gòu)錨固銷釘限位技術(shù)是采用銷釘將軌道板和混凝土底座栓接牢固，通過前期的仿真計算，初步表明了該方案的可行性。錨固銷釘限位較凸形擋臺限位單元板式具有一定優(yōu)勢，如底座澆筑后可用于物流運(yùn)輸、省去凸形擋臺混凝土二次施工、避免了軌道電路絕緣問題等。

采用錨固銷釘限位的板式無砟軌道既可作為一種新型無砟軌道結(jié)構(gòu)，也可作為單元板式或縱連板式軌道結(jié)構(gòu)的維修預(yù)案，為我國無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的深入研究以及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)提供支撐。本文旨在已有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國客運(yùn)專線單元板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行錨固銷釘限位技術(shù)的試驗研究。

荷蘭至比利時高速鐵路曾采用過銷釘錨固系統(tǒng)將作為軌下基礎(chǔ)的樁板結(jié)構(gòu)和混凝土道床板進(jìn)行連接。從銷釘靜態(tài)受力、動態(tài)疲勞以及環(huán)境腐蝕等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，最終確定銷釘?shù)奈镄灾笜?biāo)及其布置形式，如圖1所示。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)上錨固銷釘限位平縱斷面(單位:mm)

隨著我國高速鐵路建設(shè)工程大規(guī)模展開，銷釘錨固技術(shù)也開始被應(yīng)用于國內(nèi)高速鐵路項目中。已開通運(yùn)營的城際鐵路部分地段采用了錨固銷釘限位系統(tǒng)，主要應(yīng)用于橋梁固定支座處Ⅱ型軌道板和底座板之間的連接，以傳遞二者之間的縱向作用力。在客運(yùn)專線部分地段樁板結(jié)構(gòu)上，錨固銷釘系統(tǒng)作為雙塊式無砟軌道的限位裝置亦得以應(yīng)用。

1 錨固銷釘方案設(shè)計

考慮我國高速鐵路建設(shè)對于無砟軌道結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的要求，所選取銷釘、配套膠體材料、板下隔離層應(yīng)具有良好的疲勞性能和抗腐蝕能力。根據(jù)前期研究資料，相同形式尺寸的碳鋼材質(zhì)銷釘與 HRB500級鋼筋的靜態(tài)承載能力相差不大，但對于疲勞承載能力碳鋼銷釘則優(yōu)于HRB500級鋼筋。本文研究時銷釘選擇碳鋼材質(zhì)。根據(jù)前期仿真計算結(jié)果及CRTS I型軌道板的配筋設(shè)計，提出了兩種銷釘布置方案，如圖2和圖3所示。

混凝土底座采用Ⅰ型板式無砟軌道設(shè)計方案，根據(jù)銷釘布置方式，適當(dāng)改變底座鋼筋布置間距，以避免底座鉆孔過程中切斷受力鋼筋。銷釘在底座中埋深不得小于150 mm，在軌道板中埋深不得小于180 mm。砂漿填充層采用高彈模砂漿。

2 銷釘限位設(shè)計的力學(xué)試驗研究

針對提出的兩種銷釘設(shè)計方案，分別進(jìn)行了單個銷釘靜態(tài)承載力、疲勞承載力以及實尺模型銷釘承載能力的試驗，從兩個方面最終給出銷釘?shù)暮侠聿贾梅桨?、?shù)量、間距和埋深。

2.1 銷釘承載能力試驗研究

2.1.1 靜力試驗

理論計算表明，銷釘限位板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中銷釘承受的軸向拉壓力較小，而水平向剪力是銷釘受力的控制因素，因此首先進(jìn)行單根銷釘剪切承載能力研究，“U”形試件如圖4所示。銷釘直徑選取32 mm和40 mm兩種。

試驗過程如圖5，加載力與位移曲線如圖6所示。試驗結(jié)果表明，直徑40 mm銷釘承載能力明顯大于直徑32 mm銷釘，試件破壞前，銷釘變形基本是在彈性范圍內(nèi)，底座中埋深對銷釘承載能力影響性不明顯，試件的破壞形式主要以“U”形試件在彎拉荷載作用下開裂為主，并有部分試件出現(xiàn)砂漿填充層的開裂。

圖2 銷釘布置方式一(單位:mm)

圖3 銷釘布置方式二(單位:mm)

圖4 “U”形試件加載示意(單位:mm)

圖5 單根銷釘承載能力加載過程

2.1.2 疲勞試驗

在靜力試驗的基礎(chǔ)上，模擬現(xiàn)場條件進(jìn)行了銷釘?shù)钠谛阅茉囼?。采用圖7所示裝置在實驗室內(nèi)進(jìn)行單根銷釘?shù)钠诔休d能力研究。試驗采用直徑40 mm和32 mm銷釘各4個。實際疲勞荷載上下限分別為15～91 kN和27～154 kN，疲勞次數(shù)均為200萬次，以對比兩種銷釘?shù)钠诔休d能力。

圖6 單根銷釘力與位移曲線

圖7 疲勞試驗試件布置(單位:mm)

疲勞循環(huán)中荷載與銷釘位移曲線如圖8所示。試驗結(jié)果表明:①直徑40 mm銷釘在27～154 kN進(jìn)行200萬次加載后，試件無損壞，表明在砂漿填充層有隔離層條件下，可承受150 kN的疲勞荷載。在試驗荷載條件下銷釘為彈性變形。②直徑32 mm銷釘在15～91 kN進(jìn)行疲勞后試件無損壞(實際進(jìn)行250萬次)，在27～154 kN疲勞荷載作用下兩試件均破壞(混凝土開裂)。③疲勞試驗結(jié)束后將兩種直徑銷釘從試件中取出，銷釘均無明顯彎曲(塑性變形)。

2.2 實尺模型試驗研究

為了驗證錨固銷釘設(shè)計方案中銷釘數(shù)量、埋深和布置的合理性，鋪設(shè)了錨固銷釘限位板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實尺模型，研究在無銷釘條件下軌道板的縱向承載能力;在銷釘、鋼軌、扣件約束作用下軌道板縱向承載能力，包括設(shè)置隔離層與不設(shè)置隔離層兩種工況;在銷釘、鋼軌、扣件約束作用下軌道板橫向承載能力以及軌道結(jié)構(gòu)是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.2.1 無銷釘條件

圖8 銷釘荷載—位移關(guān)系曲線

實尺模型中為模擬實際條件，考慮扣件系統(tǒng)約束作用下對軌道板進(jìn)行頂推試驗，包括進(jìn)行軌道板縱向頂推和軌道板端橫向頂推，以考察僅有扣件系統(tǒng)約束條件下軌道板的承載能力。

試驗表明，在扣件約束狀態(tài)下，當(dāng)荷載 <160 kN時，軌道板無位移，此時軌道板與砂漿或砂漿與底座的摩擦力起主導(dǎo)作用。在軌道板端部施加100 kN的橫向荷載，軌道板會產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)，影響軌道幾何形位，銷釘?shù)牟贾眯杩紤]這一因素。

2.2.2 銷釘約束條件

僅有扣件系統(tǒng)約束時軌道板在縱、橫兩個方向均無足夠的承載能力，根據(jù)理論計算及總體設(shè)計方案中銷釘?shù)牟贾梅绞?，在實尺模型軌道板上進(jìn)行銷釘錨固后再次進(jìn)行縱向、橫向頂推試驗。試驗結(jié)果表明:在銷釘及扣件約束狀態(tài)下，當(dāng)施加荷載 <300 kN時，軌道板基本無位移;超過此荷載后，軌道板開始產(chǎn)生滑移，銷釘開始明顯受力，但軌道板整體縱向變形幅值很小，加載至700 kN時軌道板變形僅為0.3 mm，銷釘?shù)母孔畲罄瓚?yīng)變也僅為 80×10－6～100×10－6。在縱向荷載作用下，軌道板上所布置的4根銷釘受力基本相同。在軌道板中部橫向加載，以研究在橫向荷載作用下銷釘受力分配及軌道板抵抗橫向力的能力。試驗數(shù)據(jù)表明，在160 kN橫向力作用下，軌道板基本無位移，隨著荷載增大，變形和受力才出現(xiàn)，各銷釘受力基本相當(dāng)。對于兩種銷釘布置方案，3 390 mm間距的方案其板端橫向抗力要大于1 360 mm方案。后者在軌道板端部施加100 kN的橫向力，在完全不考慮板底和砂漿之間黏結(jié)力的情況下，軌道板變形也僅0.1 mm，不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

通過對單個銷釘進(jìn)行的靜力承載試驗、疲勞試驗以及實尺模型進(jìn)行的相關(guān)試驗研究可知:

1)同等條件下應(yīng)采用直徑較大的銷釘可以降低混凝土的局部應(yīng)力;直徑40 mm銷釘承載能力明顯大于直徑32 mm銷釘，40 mm銷釘可承受150 kN、200萬次的疲勞荷載而不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

2)兩種銷釘?shù)淖冃位臼窃趶椥苑秶鷥?nèi)。結(jié)構(gòu)的破壞表征為銷釘周邊混凝土局部應(yīng)力過大而開裂。底座中埋深對銷釘承載能力影響不明顯。

3)僅有扣件系統(tǒng)約束條件下，板式軌道結(jié)構(gòu)縱向、橫向均無足夠承載能力。而采用錨固銷釘限位時，板式無砟軌道結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗縱向和橫向荷載，且有較大安全儲備。

4)基于目前所設(shè)計的銷釘布置方式，采用4根間距在1 360 mm以上、直徑40 mm的銷釘方案應(yīng)力幅值較小且受力均勻，可滿足設(shè)計要求。

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