軌道檢測技術(shù)實驗課程創(chuàng)新型教學模式探索

路宏遙，婁小強，張澤群，王凱超，要會濤

（上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海 201620）

0 引言

鐵路是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和交通運輸?shù)拇髣用}，在經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中扮演著重要的角色。我國高速鐵路投入運營總里程到2025 年預計將達到3.8 萬km，覆蓋全國大部分大中城市［1］。高速鐵路的重心已經(jīng)逐漸從建設(shè)階段向運營維護階段過渡，面對大規(guī)模的投入運營的高速鐵路線路，應當怎樣科學有效地對其進行維護，保持其安全性與可靠性，也成為鐵道工程專業(yè)理論教學和實踐環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容［2-3］。

目前，鐵道工程基礎(chǔ)設(shè)施維護保養(yǎng)技術(shù)是我院鐵道工程專業(yè)學生教學培養(yǎng)計劃中的重要一環(huán)，其主要目標是培養(yǎng)學生對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在運營階段的檢測、維護等方面的綜合素質(zhì)，使他們以后在今后的工作中能夠從事軌道設(shè)計、施工與維修工作，具備解決現(xiàn)場實際問題的能力［4］。然而，區(qū)別于傳統(tǒng)的有砟碎石道床結(jié)構(gòu)的鐵路，現(xiàn)階段高速鐵路多采用混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，線路整體縱向剛度更加均勻。作為暴露在自然條件下的多層混凝土結(jié)構(gòu)，線路在服役過程中更容易受到溫度等氣象參數(shù)的影響［5］，造成不同層間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形，出現(xiàn)層間剪切破壞與離縫掉塊等問題，影響列車運營的安全性［6］。傳統(tǒng)鐵道工程的教學與實踐環(huán)節(jié)中并未能充分考慮高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護維修方法與既有普速鐵路的差異性，主要還是通過理論知識的講解為主，有效的實驗開展與建模仿真工作受到條件的限制未能有效開展，存在教學過程中學生參與度較低，絕大多數(shù)的學生往往是被動接受專業(yè)知識等問題［7-8］。為適應高速鐵路的發(fā)展對專業(yè)技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)高等教育人才在解決問題時理論知識的運用與實際動手能力的結(jié)合能力，需要在教學過程中更加注重實踐環(huán)節(jié)的教學方式的創(chuàng)新［9-10］。

根據(jù)鐵路工務部門所關(guān)注的實際問題，軌道檢測技術(shù)實驗課程創(chuàng)新地將實驗設(shè)計與建模仿真相結(jié)合，形成了一種包含學生主動參與設(shè)計開發(fā)實驗與建模仿真的教學方式，促進了學生對教學內(nèi)容的理解與掌握，有效地提高了教學的質(zhì)量與效果。

1 無砟軌道結(jié)構(gòu)特點與維修方法

1.1 無砟軌道結(jié)構(gòu)特點

以我國華東地區(qū)應用較廣泛的CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)自上而下是由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預制軌道板、砂漿層和支承層等組成，如圖1 所示。相鄰軌道板之間通過縱向鋼筋相互連接，用來抵抗軌道結(jié)構(gòu)的縱橫向作用力。軌道板與砂漿層之間選用水泥乳化瀝青作為填充層，可保證列車荷載在垂向的均勻至下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 無砟軌道常見病害類型

無砟軌道結(jié)構(gòu)長期暴露于自然條件中，隨著氣象參數(shù)的改變，無砟軌道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度也會發(fā)生相應的變化。然而無砟道床結(jié)構(gòu)傳熱性能相對較差，不同深度的溫度變化相對于表面存在一定的滯后性，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部上易產(chǎn)生非線性的溫度梯度，造成縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)不同層間出現(xiàn)較大的剪切應力，導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂與離縫等問題，影響軌道結(jié)構(gòu)的可靠性與耐久性，降低其服役性能［11］。圖2 所示為某運行線路軌道板與砂漿層之間脫粘，產(chǎn)生離縫病害，極大影響列車運行的安全。

圖2 無砟軌道常見離縫病害

1.3 無砟軌道養(yǎng)護維修方法

為防止層間傷損病害等的發(fā)生，工務部門通常采用植入鋼筋的方法對無砟軌道結(jié)構(gòu)進行加固處理。植筋錨固的主要作用在于通過增加界面的斷裂韌度和剪切強度，以提供限制產(chǎn)生軌道板過大上拱的豎向約束力［12］。植筋錨固的方式是從軌道板的上表面鉆孔并穿過砂漿層至支承層并插入剪力筋。剪力筋周圍和上部的空隙用植筋膠密封住，植筋方法如圖3 所示。

圖3 植筋工藝示意圖（mm）

2 創(chuàng)新實驗設(shè)計與實施

2.1 實驗試塊設(shè)計

為模擬荷載作用下無砟軌道剪切破壞的過程與植筋工藝對層間抗剪切性能的影響，引導學生充分利用既有實驗裝置，搭建小比例實驗試塊模型。學生結(jié)合先前理論課程所學，掌握無砟軌道結(jié)構(gòu)的材料配合比后，依次在尺寸為100 mm ×100 mm ×300 mm的模具逐層澆筑軌道板、砂漿層與支承層材料，并在合適的溫度條件下充分養(yǎng)護［13］。同時，為考慮植筋后對結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響，對比在另一試塊中心預埋入一根直徑為8 mm，長度為250 mm 的鋼筋進行模擬植筋情況。混凝土的攪拌、砂漿層的配比、鋼筋預埋與模型混凝土養(yǎng)護等工作，要求學生合理分組且全過程參與，所澆筑的實驗試塊如圖4 所示。

圖4 混凝土試塊

2.2 實驗工裝設(shè)計

實驗室既有試驗機為通用類材料的拉壓試驗裝置，無法直接進行材料的剪切實驗。為實現(xiàn)無砟軌道層間抗剪切性能的模擬，指導專業(yè)學生結(jié)合所澆筑的混凝土試塊尺寸，設(shè)計合適的抗剪工裝［14］。學生充分考慮實驗的實際需要并進行材料強度受力分析后，設(shè)計了包含厚度為20 mm 的不銹鋼主平臺與可調(diào)節(jié)加載支撐頭等組成的剪切實驗工裝。通過在主平臺設(shè)置凹槽，安放T 型支撐塊，可實現(xiàn)支撐塊上放置實驗試塊，并通過插銷連接桿實現(xiàn)T型支撐塊鎖緊。試驗機上部根據(jù)實驗需要安裝可更換相應尺寸的支撐頭，可實現(xiàn)應力集中或者應力分散的需求，圖5 所示為新設(shè)計的實驗工裝。

圖5 新設(shè)計的實驗工裝

2.3 實驗實施

實驗試塊澆筑養(yǎng)護完成后，放置于所設(shè)計的工裝上完成固定，通過加載支撐頭對試塊進行加載，實現(xiàn)無砟軌道不同層間剪切破壞的模擬。學生依次將有植入鋼筋和無植入鋼筋的兩個試塊在相同的條件下進行加載，直至試塊剪切破壞停止加載，某組試件破壞前后的情況如圖6 所示。

分析并統(tǒng)計不同試塊受力與變形的曲線，得到有無植入鋼筋時試塊剪切破壞特征。圖7 所示分別為內(nèi)部無鋼筋和內(nèi)部植入鋼筋的試塊破壞曲線，對比可知，內(nèi)部植入鋼筋后結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力明顯增強，約提高了16.3 kN。這也間接說明了通過在無砟軌道合適位置植筋，可有效提高結(jié)構(gòu)的整體性與抗剪性能，有效減少結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生。學生親自動手試驗，直觀認識了無砟軌道在荷載作用下層間的破壞情況與規(guī)律，并對合適的養(yǎng)護維修工藝有了更為深入的認識。

圖6 試件加載前后的狀態(tài)

圖7 有無植筋試塊破壞對比

3 有限元建模仿真分析

3.1 模型建立

基于先前所進行的剪切實驗，學生對理論所學更為深入的認識。引導學生結(jié)合無砟軌道的設(shè)計圖，建立板式無砟軌道有限元分析模型（見圖8），用于分析荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律，探究無砟軌道的薄弱位置與合理維修工藝，并實現(xiàn)實驗室內(nèi)難以實現(xiàn)對更多工況的模擬。

圖8 無砟軌道有限元分析模型

3.2 結(jié)構(gòu)病害易發(fā)生位置確定

為找尋無砟軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)傷損破壞的位置，根據(jù)實際情況在無砟軌道內(nèi)部施加溫度荷載，分析結(jié)構(gòu)存在溫度變形情況下出現(xiàn)應力集中不利位置［15］。分析可知，軌道板的應力集中位置出現(xiàn)在板端與板角的位置，如圖9 所示。在溫度荷載的持續(xù)作用下，軌道板變形與各向受力不斷增大，當軌道板與砂漿層之間的垂向拉應力超出其粘結(jié)能力，造成軌道板與砂漿層脫粘，產(chǎn)生層間離縫傷損等病害，影響線路的穩(wěn)定性。

圖9 軌道板不利位置的確定

3.3 科學維修工藝探索

在夏季高溫天氣下，較大溫度應力作用可能導致軌道層間出現(xiàn)剪切破壞，對軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響。結(jié)合小比例試塊的受力分析與建模仿真所確定的不利位置，可在關(guān)鍵位置進行植筋錨固，通過增加界面的斷裂韌度和剪切強度，以提供限制產(chǎn)生軌道板過大上拱的豎向約束力。如圖10 所示，為探究合理的維修工藝，學生結(jié)合建模仿真結(jié)果所確定的不利位置，提出可有針對性在易出現(xiàn)破壞的板端位置進行植筋錨固，保證無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖10 板端合適位置植筋錨固

4 實驗實施效果

通過對課程傳統(tǒng)的教學方法進行改善，極大增強學生獨立思考與團結(jié)合作能力。創(chuàng)新型教學模式的開展基于鐵路部門所關(guān)心的實際問題，引導學生設(shè)計實驗方法、開發(fā)實驗工裝與仿真計算分析，使本專業(yè)學生獲得更多的動手實踐機會，有效地補充既有理論課程認知的不足，在教學中取得了較好的效果。

（1）提升理論知識。為保證實驗設(shè)計、工裝研發(fā)與仿真建模等工作的順利實現(xiàn)，學生在實驗前需通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等途徑查閱大量資料，探究最為合適的實驗步驟和驗證方法，既提升了學生查閱資料和分析問題的能力，又提高學生的協(xié)調(diào)合作能力，在理論教學與學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面均取得了較好的效果。

（2）提高動手實踐能力。實驗進行過程中，學生參與實驗準備、設(shè)計與分析階段等全部環(huán)節(jié)，對既有實驗裝置的限制進行思考，開發(fā)新型實驗工裝，合理進行小比例混凝土試塊的設(shè)計，熟悉了無砟軌道的材料配比、混凝土試塊澆筑養(yǎng)護以及試驗機的使用方法，極大提高了學生的動手實踐能力。

（3）掌握專業(yè)軟件操作。在實驗模型與工裝設(shè)計階段，結(jié)合設(shè)計圖與實際尺寸，學生應用solidworks 等軟件提前進行剪切實驗工裝的設(shè)計，為今后從事軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計打好了基礎(chǔ)。實驗數(shù)據(jù)處理與分析階段，學生進一步應用統(tǒng)計分析與繪圖軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行科學分析與思考，掌握了從事科學研究的基本技能。在建模仿真分析階段，學生應用有限元分析軟件，探究無砟軌道的結(jié)構(gòu)受力特性，分析結(jié)構(gòu)破壞機理與維修方法，對工程實際的需求認識更深入。

5 結(jié)語

圍繞軌道檢測技術(shù)實驗的課程培養(yǎng)目標，將創(chuàng)新的教學理念引入理論與實踐教學環(huán)節(jié)中，把學生所需的專業(yè)知識有機整合于課程之中，應用專業(yè)設(shè)備與軟件進行動手操作，掌握實際解決高速鐵路工程所關(guān)心實際問題的能力。創(chuàng)新型教學模式的開展，學生的創(chuàng)新思維、設(shè)計思路、實踐技能和溝通能力都得到了較大的提升，有效提升了教學的效果，為培養(yǎng)高級工程應用型人才的目標奠定堅實的基礎(chǔ)。