有砟道床梯形軌枕橫向阻力試驗(yàn)與構(gòu)成分析

井國(guó)慶1，賈文利1，強(qiáng)偉樂(lè)1，盧煒2

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京10044；2.中國(guó)中鐵股份有限公司，北京10036）

梯形軌枕起源于日本，由兩根縱向預(yù)應(yīng)力混凝土梁和3根起連接作用的橫向圓鋼或方鋼構(gòu)成，適用于城市軌道交通、重載鐵路和高速鐵路[6]：

（1） 在城市軌道交通中，研究表明梯形軌枕能顯著提高道床橫向阻力，基于這一提升作用，梯形軌枕可用于優(yōu)化有砟道床選型，例如降低砟肩堆高、減小砟肩寬度，這一優(yōu)點(diǎn)可在大大節(jié)約道砟用量、減少占地面積[7-10].

（2） 在重載鐵路上，相比Ⅲc型軌枕，梯形軌枕穩(wěn)定性更好，能夠減小列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)傳遞給道床的動(dòng)荷載和振動(dòng). 因此，軌道養(yǎng)護(hù)維修頻率低，使用壽命更長(zhǎng)[9, 11-12].

（3） 在高速鐵路無(wú)砟軌道中，梯形軌枕已有較多應(yīng)用[10,13]；在有砟軌道中，列車(chē)以350 km/h或更高速度運(yùn)營(yíng)時(shí)，存在飛砟風(fēng)險(xiǎn)，而梯型軌枕運(yùn)用在有砟軌道上，采用平肩式道床，可降低飛砟風(fēng)險(xiǎn).

然而，現(xiàn)階段對(duì)梯型軌枕有砟道床橫向阻力數(shù)值和分擔(dān)機(jī)理尚不明確. 本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)定梯形軌枕有砟道床橫向阻力，并與我國(guó)Ⅲc型軌枕進(jìn)行對(duì)比. 需要說(shuō)明的情況是，本次試驗(yàn)道床僅采用小型夯實(shí)機(jī)夯實(shí)，未經(jīng)過(guò)列車(chē)碾壓或大機(jī)穩(wěn)定.

1 方法及材料

1.1 材料

本次試驗(yàn)為道床橫向阻力測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)位于北京交通大學(xué)濱海學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)，鋪設(shè)的12 m有砟道床作為試驗(yàn)平臺(tái). 試驗(yàn)道床厚度350 mm，邊坡坡度1∶1.75. 試驗(yàn)采用道砟材質(zhì)為玄武巖，各項(xiàng)指標(biāo)均符合特級(jí)道砟要求[3].

為保證道床密實(shí)，鋪設(shè)時(shí)采用分層夯實(shí)方法，使用110型電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)，350 mm厚道床分4層4次夯實(shí)鋪設(shè)，軌枕放置后，枕心及砟肩部位采用3層3次夯實(shí). 為確保試驗(yàn)對(duì)比準(zhǔn)確，所有工況嚴(yán)格采用同樣鋪設(shè)夯實(shí)方法，保證道床密實(shí)度相同.

梯形軌枕實(shí)長(zhǎng)5.9 m，名義長(zhǎng)6.0 m （鋪設(shè)間隔0.1 m），質(zhì)量3.6 t，2根預(yù)應(yīng)力混凝土梁長(zhǎng)5 900 mm，寬580 mm，厚185 mm，內(nèi)側(cè)間距840 mm，通過(guò)3根橫截面長(zhǎng)125 mm、寬75 mm的方鋼連接，扣件中心間距600 mm，梯形軌枕與其結(jié)構(gòu)如圖1所示. 對(duì)比試驗(yàn)采用我國(guó)Ⅲc型軌枕.

圖1 梯形軌枕Fig.1 Ladder sleeper

1.2 試驗(yàn)方法

本文為道床橫向阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，梯型軌枕的測(cè)試無(wú)垂向荷載，采用臨近軌道提供橫向反力[13]. 反力裝置分為兩部分，第1部分采用6根長(zhǎng)度4.0 m、外徑48 mm、壁厚3 mm鋼管橫向排列，在1.3 m及2.6 m處加設(shè)橫向鋼管，扣件連接，鋼管一端固定在臨近道岔區(qū)鋼軌上，另一端固定在架立起的鋼軌上，此部分作為基礎(chǔ)部分，可提供穩(wěn)定的反力支撐；第2部分采用4根長(zhǎng)度4.0 m、外徑76 mm、壁厚3.5 mm鋼管，2根一組，一端固定在鋼軌上，另一端放置千斤頂施加推力，此部分為傳力部分，提供直接反力.反力裝置整體情況如圖2所示.

圖2 反力裝置Fig.2 Counterforce device

在梯形軌枕橫向阻力測(cè)試中，采用2個(gè)10 t液壓千斤頂分別布置在距軌枕端部1 400 mm處的兩側(cè)，采用同步分級(jí)加載方式；輪輻式壓力傳感器（量程10 t、靈敏度2 mV/V）連接INV3018A型數(shù)據(jù)采集儀記錄壓力值；2個(gè)位移計(jì)（量程30 mm、精度0.001 mm）分別布置在梯形軌枕千斤頂?shù)膶?duì)側(cè)兩端，測(cè)定位移值. 現(xiàn)場(chǎng)布置與測(cè)試情況如圖3（a）所示.由于采用液壓式千斤頂，每一級(jí)加載后，需要隨時(shí)讀數(shù)、補(bǔ)加壓力，以保證推力穩(wěn)定，待到位移基本不變或1 min后，進(jìn)行下一級(jí)加載. 位移計(jì)的讀數(shù)與記錄同推力保持一致，一一對(duì)應(yīng). 試驗(yàn)進(jìn)行至阻力大致不變而軌枕位移不斷增加時(shí)，認(rèn)為達(dá)到阻力極限，停止加載. 每級(jí)加載前后記錄兩組數(shù)據(jù). 試驗(yàn)采用嚴(yán)格相同的道床鋪設(shè)方法，最大限度保證了每次試驗(yàn)道床情況的統(tǒng)一，因此，每種工況進(jìn)行3次測(cè)試. 將平均值繪制成圖，取位移2 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力值為此種工況的道床橫向阻力[14-16].

Ⅲc型軌枕橫向阻力測(cè)試中，采用自制反力架提供反力，1個(gè)液壓式千斤頂加壓，其余控制條件及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與梯形軌枕相同. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況如圖3（b）所示.

1.3 試驗(yàn)工況

為研究梯形軌枕與Ⅲc型軌枕的對(duì)比. 設(shè)置工況R1為砟肩寬度500 mm、砟肩堆高150 mm、Ⅲc型軌枕；工況R2為砟肩寬度500 mm、平肩式（砟肩堆高為0）道床、Ⅲc型軌枕. 為研究砟肩寬度對(duì)梯形軌枕橫向阻力的影響，在平肩式道床基礎(chǔ)上，設(shè)置工況 A1～A4 分別為砟肩寬度 500、400、300、200 mm.為研究枕心高差的影響，在無(wú)砟肩的道床上，設(shè)置工況B1～B4分別為枕心飽滿、降低40 mm （約為一個(gè)道砟粒徑）、降低高度50%、枕心內(nèi)無(wú)道砟. 與此同時(shí)，工況A1、B1、B4間組合、做差可表示梯形軌枕橫向阻力分擔(dān). 10種工況具體情況如表1所示.

表1 工況類(lèi)型Tab.1 Test condition

2 結(jié)果與分析

梯形軌枕總長(zhǎng)6.0 m，在相同長(zhǎng)度上可鋪設(shè)10根Ⅲc型軌枕，因此道床橫向阻力采用每延米阻力（kN/m）進(jìn)行對(duì)比分析.

2.1 梯形軌枕與Ⅲc型軌枕

梯形軌枕與標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅲc型軌枕對(duì)比如圖4所示. 結(jié)果表明，R1工況中，Ⅲc型軌枕的橫向阻力為16.11 kN/m. 然而，取消砟肩堆高后（R2），Ⅲc型軌枕的橫向阻力僅為11.75 kN/m，降低了29%；在相同道床條件上鋪設(shè)的梯形軌枕（A1）道床橫向阻力為18.31 kN/m，相比工況R1，提升約14%，相比工況R2，提升約55%.

圖4 梯形軌枕與Ⅲc型軌枕對(duì)比Fig.4 Comparison between ladder sleeper and Ⅲc sleeper

2.2 砟肩寬度對(duì)梯形軌枕道床橫向阻力影響

不同砟肩寬度對(duì)梯形軌枕道床橫向阻力影響如圖5所示. 這一對(duì)比中，梯形軌枕均鋪設(shè)在平肩式道床上，結(jié)果表明，工況A1 （砟肩寬度500 mm），梯形軌枕道床橫向阻力為18.31 kN/m；工況A2 （400 mm）為 18.20 kN/m；工況 A3 （300 mm）為 18.14 kN/m；工況A4 （200 mm）為17.93 kN/m. 砟肩寬度由200 mm增加至500 mm過(guò)程中，道床阻力無(wú)明顯增加，并且，在砟肩寬度200 mm時(shí)，鋪設(shè)梯形軌枕的道床橫向阻力已大于工況R1約13%. 由于梯形軌枕限位凸臺(tái)寬度200 mm，故200 mm為最低砟肩寬度.

圖5 砟肩寬度對(duì)梯形軌枕道床橫向阻力的影響Fig.5 Influence of shoulder width on ladder sleeper lateral resistance

2.3 枕心高差對(duì)梯形軌枕道床橫向阻力影響

枕心高差對(duì)橫向阻力的影響如圖7所示. 試驗(yàn)均為無(wú)砟肩道床，結(jié)果表明，枕心無(wú)道砟（工況B4）道床橫向阻力為6.21 kN/m，填入高度50%道砟（工況 B3）阻力為 11.46 kN/m，降低 40 mm （工況B2）阻力為 13.43 kN/m，枕心飽滿 （工況 B1）阻力為14.76 kN/m. 這一加高過(guò)程中，相比枕心無(wú)道砟，阻力分別提高約84%、116%、137%.

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

2.4 梯形軌枕道床阻力分擔(dān)

工況A1的測(cè)試結(jié)果為道床橫向阻力總值，工況B1的測(cè)試結(jié)果為軌枕底面與枕心兩部分的阻力，工況B4的測(cè)試結(jié)果為軌枕底面的阻力，A1、B1的測(cè)試結(jié)果差值可表示砟肩部分阻力，B1、B4的測(cè)試結(jié)果差值可表示枕心部位阻力，由此可得到3部分道床橫向阻力值及其分擔(dān). 結(jié)果如表2所示.

表2 梯形軌枕阻力分擔(dān)Tab.2 Ladder sleeper lateral-resistance constitution

相關(guān)研究表明，條形軌枕道床橫向阻力的來(lái)源分為3個(gè)部分，受力情況如圖7（a）所示，F(xiàn)bottom表示軌枕底面與道床的摩擦，承擔(dān)整體阻力值的45%～50%；Fside表示軌枕側(cè)面與枕心部位道砟的摩擦，承擔(dān)15%～20%；Fend表示軌枕端部道砟抗剪提供的阻力，承擔(dān)35%～40%[17-19]. 關(guān)于梯形軌枕與Ⅲc形軌枕阻力差異分析可總結(jié)如下：

（1） 梯形軌枕底部面積 6.964 m2，小于相同長(zhǎng)度上10根Ⅲc型軌枕7.72 m2，因此梯形軌枕底面提供阻力值占比較小.

（2） 不同于Ⅲc軌枕側(cè)面摩擦力Fside，由于梯型軌枕為縱向軌枕，枕心部分由軌枕框架內(nèi)道砟抗剪（Fcrib）提供. Fside占比較小，而Fcrib則提供了最大部分阻力.

（3）梯形軌枕端頭面積為1.09 m2，提供最少部分阻力，相同長(zhǎng)度上Ⅲc型軌枕端頭面積為0.590 m2.但由于Ⅲc型軌枕端頭間隔不連續(xù)，每一部分影響擴(kuò)展深度更大，阻力更大.

圖7 軌枕橫向阻力構(gòu)成Fig.7 Constitution of lateral resistance

3 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試梯形軌枕橫向阻力，并與Ⅲc型軌枕進(jìn)行對(duì)比，分析了梯形軌枕道床阻力特性，結(jié)論如下：

（1） 砟肩寬度500 mm情況下，梯形軌枕平肩式道床，與Ⅲc型軌枕，砟肩堆高150 mm及平肩式相比，道床橫向阻力分別提升約14%、55%.

（2） 梯形軌枕砟肩寬度由200 mm增加至500 mm過(guò)程中阻力無(wú)明顯增加，由于梯形軌枕限位凸臺(tái)寬200 mm，故不再降低砟肩寬度.

（3） 梯形軌枕枕心高差由無(wú)砟變?yōu)樘钊?0%道砟、較承軌臺(tái)低40 mm、飽滿，這一過(guò)程中，道床橫向阻力分別提高約84%、116%、137%，即枕心道砟道床阻力貢獻(xiàn)顯著.

（4） 本次試驗(yàn)基于平肩式結(jié)構(gòu)，梯形軌枕底部阻力占道床橫向阻力總值34%；枕心提供約47%；端頭阻力提供約19%.

（5） 砟肩寬度200 mm、平肩式道床上采用梯形軌枕，道床橫向阻力已超過(guò)阻力最大的Ⅲc型軌枕工況（砟肩寬度500 mm、砟肩堆高150 mm） 13%，由此表明采用梯形軌枕可大幅降低軌道占地及道砟用量.