基于DIC混凝土軌枕和復(fù)合軌枕受彎特征分析

井國(guó)慶，杜文博，尤瑞林，杜運(yùn)昌

基于DIC混凝土軌枕和復(fù)合軌枕受彎特征分析

井國(guó)慶1，杜文博1，尤瑞林2，杜運(yùn)昌1

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌枕是軌道結(jié)構(gòu)重要組成部分，在上部荷載和下部道砟共同作用下處于受彎狀態(tài)，常產(chǎn)生裂紋，增加維修費(fèi)用，影響行車舒適性和安全性。采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation)，通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕、FFU復(fù)合軌枕受彎特征、裂紋發(fā)展過(guò)程和裂紋開口位移。研究結(jié)果表明：數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在位移和裂紋測(cè)試中具有高精確性；混凝土軌枕在加載初期處于彈性階段，剛度大，隨荷載增加，裂紋不斷發(fā)展，剛度逐漸減小，抵抗變形能力下降，裂紋開口位移增加速率逐漸增大；FFU復(fù)合軌枕受彎過(guò)程中始終處于彈性狀態(tài)，裂紋產(chǎn)生原因?yàn)閷娱g分離，裂紋開口位移增加速率在裂紋開口完全分離時(shí)增加，之后保持不變。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)；混凝土軌枕；FFU復(fù)合軌枕

軌枕是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，承受來(lái)自鋼軌的各向壓力，并彈性均勻分布于道床，同時(shí)，有效保持軌道的幾何形位，有抵抗縱橫向位移的能力[1?3]。傳統(tǒng)的軌枕因材料不同可將其分為木枕、鋼軌枕和混凝土軌枕，由于混凝土軌枕縱橫向阻力大，使用壽命長(zhǎng)，有較好力學(xué)性能而逐漸取代木枕和鋼軌枕，成為目前使用最為廣泛的軌枕[1, 4]。各種軌枕在使用時(shí)，為滿足前述各項(xiàng)功能，要求軌枕在靜載、動(dòng)載和惡劣環(huán)境中達(dá)到所需強(qiáng)度[5]。然而，運(yùn)營(yíng)線路中的軌枕在上部荷載和下部道砟作用下處于受彎狀態(tài)，在鋼軌傳遞的荷載(最大可達(dá)200～600 kN[6])長(zhǎng)期作用下將會(huì)開裂[7]，隨著時(shí)間推移，裂紋逐漸擴(kuò)展將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性和耐久性迅速退化，從而影響乘客的舒適性、增加養(yǎng)護(hù)維修成本。在一些特殊地段，如：道岔、橋梁過(guò)渡段、鋼軌接頭處等，軌枕破壞則會(huì)顯著增加鋼軌表面的缺陷和道岔處鋼軌斷裂風(fēng)險(xiǎn)[3]。同時(shí)，軌枕開裂將造成荷載不對(duì)稱分布，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)脫軌，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失[2]。因此，對(duì)軌枕受彎特性的研究顯得尤為重要。隨著高速鐵路的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，復(fù)合材料逐漸在鐵路行業(yè)得到應(yīng)用，該材料具有比強(qiáng)度高、減振性能好、耐疲勞性能好的優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)研制出復(fù)合橡膠彈性軌枕，可以高效綜合的利用塑料廢棄物、減少木材的砍伐，絕緣、減振降噪性能好，安裝維護(hù)成本低，使用壽命長(zhǎng)[8]。澳大利亞在軌枕縱橫向均采用強(qiáng)化纖維，有良好的抗彎抗剪性能并可通過(guò)調(diào)整各方向纖維的強(qiáng)度使其達(dá)到規(guī)定的性能要求，已將其鋪設(shè)于主線、道岔區(qū)及橋梁過(guò)渡段[8?9]。在復(fù)合軌枕中，日本所研發(fā)的FFU(纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯)軌枕[8, 10]以其優(yōu)良的耐腐蝕性、絕緣性、輕質(zhì)、高強(qiáng)、易加工、可循環(huán)利用的特點(diǎn)得到大范圍使用[11]。本文根據(jù)歐洲EN 13230-2[12]標(biāo)準(zhǔn)中3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和FFU復(fù)合軌枕進(jìn)行測(cè)試，使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)得到軌枕的撓度值、應(yīng)變圖像、裂紋開口位移，從而對(duì)2種軌枕受彎特性進(jìn)行分析，為FFU復(fù)合軌枕的推廣和預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕抗裂性能的提高奠定基礎(chǔ)。

1 材料及方法

1.1 軌枕

本文采用C60澆筑的Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和FFU復(fù)合軌枕，示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，長(zhǎng)2.6 m，軌枕中縱向鋼筋直徑為7 mm，共10根，總張拉力為415 kN。圖1(b)為FFU復(fù)合軌枕，長(zhǎng)2.6 m，寬為0.22 m、高為0.16 m。

(a)Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕；(b) FFU復(fù)合軌枕

1.2 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)

傳統(tǒng)的位移、應(yīng)變測(cè)試方法只能提供一點(diǎn)處的位移和應(yīng)變信息，隨著荷載的增加，試件變形的增大，部分傳統(tǒng)測(cè)試儀器與試件表面分離，使得測(cè)試數(shù)據(jù)精確度差。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種光學(xué)非接觸式測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)軟件將加載前后觀測(cè)區(qū)的圖像數(shù)字化，為每個(gè)像素賦予灰度值，構(gòu)建與灰度值和像素坐標(biāo)相關(guān)的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算像素子區(qū)域的相關(guān)性。當(dāng)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大時(shí)，利用加載前后子區(qū)域坐標(biāo)變化推算出位移情況，進(jìn)而得到應(yīng)變信息[13?14]。DIC可得到全斷面的位移、應(yīng)變信息進(jìn)而分析物體的裂紋發(fā)展情況，已被認(rèn)為是一種合理、可廣泛使用的工具，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究多種材料的變形特性等[15]。

本文使用GOM光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，該儀器如圖2所示。該系統(tǒng)由2臺(tái)高分辨的攝像機(jī)組成，借助高分辨率的測(cè)量圖像，這款相機(jī)的分辨率為2 752× 2 200 px，像素為600萬(wàn)，圖像記錄速率最高可達(dá)44 Hz，被連接到一臺(tái)運(yùn)行GOM圖像識(shí)別程序的電腦上。

1.3 試驗(yàn)方法

如圖3所示，鐵路運(yùn)營(yíng)線上的軌枕在上部車輛荷載和下部道砟作用下，枕中受負(fù)彎矩，軌下受正彎矩，由于混凝土抗拉性能差，在拉應(yīng)力的作用下枕中和軌下容易開裂。軌下處的裂紋由下部逐漸向上拓展，而軌中的裂紋則產(chǎn)生在軌枕頂部。本次實(shí)驗(yàn)主要采用歐洲EN 13230-2[12]標(biāo)準(zhǔn)中枕中負(fù)彎矩測(cè)試方法。

圖2 GOM光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

圖3 軌枕枕中及軌下裂紋

為便于數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的識(shí)別及后續(xù)變形的追蹤，需在2種軌枕的觀測(cè)區(qū)內(nèi)制作散斑，如圖4所示，本次試驗(yàn)選?、笮皖A(yù)應(yīng)力混凝土軌枕跨中300 mm×185 mm，F(xiàn)FU復(fù)合軌枕跨中300 mm×160 mm區(qū)域?yàn)橛^測(cè)區(qū)，散斑制作方法是先噴涂白漆再噴涂黑色啞光漆。

圖4 散斑噴涂

根據(jù)BS EN 13230[12]規(guī)范進(jìn)行軌枕測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖如圖5所示。在軌枕承軌臺(tái)下部設(shè)置支撐及彈性墊片，在枕中加載處設(shè)置彈性墊片和鋼板，使得軌枕受力均勻。實(shí)驗(yàn)中將2臺(tái)CCD相機(jī)固定在三腳架上，放置在垂直距離軌枕表面一定距離處對(duì)軌枕表面進(jìn)行圖像采集。在軌枕跨中處放置位移傳感器(精度0.001 mm)，測(cè)量軌枕跨中豎向位移。加載速率取1 kN/s，每加載5 kN后保持10 s—5 min，加載至軌枕產(chǎn)生肉眼可見裂紋。每5 s對(duì)位移進(jìn)行記錄并對(duì)圖像進(jìn)行采集。將所有圖像傳送至計(jì)算機(jī)，并與位移傳感器所測(cè)位移和液壓伺服儀施加的力相對(duì)應(yīng)。

(a)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕試驗(yàn)；(b) FFU復(fù)合軌枕試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 抗彎剛度

實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)軌枕枕中的位移傳感器和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分別測(cè)得預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和FFU復(fù)合軌枕在不同荷載下枕中的豎向位移，并繪制如圖6所示荷載?撓度曲線，圖6(a)為FFU復(fù)合軌枕整個(gè)加載階段荷載?撓度曲線；圖6(b)為預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕整個(gè)加載階段荷載?撓度曲線及FFU復(fù)合軌枕部分加載階段荷載?撓度曲線。

(a) FFU復(fù)合軌枕荷載?撓度曲線；(b) 2種軌枕荷載?撓度曲線

圖6所示，同一軌枕，位移傳感器和圖像相關(guān)技術(shù)所測(cè)曲線趨勢(shì)相同，相同荷載下2種方法所測(cè)位移差均在0.6 mm范圍內(nèi)，因此數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)通過(guò)非接觸方式所測(cè)位移精確性較高，可用于復(fù)雜環(huán)境下物體全斷面位移測(cè)試。

圖6(b)所示，當(dāng)荷載為20 kN時(shí)，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)所測(cè)FFU復(fù)合軌枕和預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕?yè)隙确謩e為2.708 mm和0.782 mm，位移傳感器所測(cè)FFU復(fù)合軌枕和預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕?yè)隙确謩e為2.672 mm和0.330 mm，F(xiàn)FU復(fù)合軌枕?yè)隙容^大。結(jié)合圖6(a)，隨著荷載增大，相同荷載下，F(xiàn)FU復(fù)合軌枕?yè)隙仁冀K大于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕?yè)隙取?/p>

FFU復(fù)合軌枕加載至220 kN的過(guò)程中，如圖6(a)所示，曲線斜率基本不變，始終處于彈性狀態(tài)。而預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕自彈性階段結(jié)束后，斜率逐漸減小，剛度發(fā)生改變。在剛開始施加荷載階段，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕初始剛度大，抵抗變形能力強(qiáng)；當(dāng)荷載達(dá)到40 kN時(shí)(圖6(b)點(diǎn)a)，由于混凝土抗拉能力弱，開始產(chǎn)生裂紋，曲線斜率減小，剛度下降；隨著荷載的繼續(xù)增加，裂紋不斷擴(kuò)展，70，100和120 kN時(shí)(圖6(b)點(diǎn)b，c和d)發(fā)生明顯的斜率變化，剛度不斷減小。FFU復(fù)合軌枕彈性高，可減少振動(dòng)噪聲，但有研究表明其抗剪能力弱，因此只適用于受彎為主的有砟道床，不適用于橋上[16]。

2.2 裂紋發(fā)展過(guò)程

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)可以通過(guò)水平位移輪廓線或者應(yīng)變輪廓線表示被測(cè)物體裂紋的位置及隨著荷載增加裂紋擴(kuò)展情況[17]。本文使用應(yīng)變輪廓線對(duì)裂紋位置及擴(kuò)展情況進(jìn)行描述，需要指出的是，此處的應(yīng)變并非結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變，而是將位移場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值微分所得的表面應(yīng)變[18]。

圖7(a)～7(e)為不同荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的應(yīng)變圖，如圖7(a)所示，當(dāng)荷載達(dá)到40 kN之前，應(yīng)變分布均勻且連續(xù)，無(wú)高應(yīng)變集中現(xiàn)象出現(xiàn)，此時(shí)沒有裂紋出現(xiàn)；圖7(b)所示，當(dāng)荷載達(dá)到40 kN時(shí)，在跨中左側(cè)開始出現(xiàn)較小區(qū)域的應(yīng)變集中現(xiàn)象，此時(shí)開始產(chǎn)生肉眼不可見微裂紋；圖7(c)所示，當(dāng)荷載達(dá)到55 kN時(shí)，跨中右側(cè)也出現(xiàn)較小區(qū)域應(yīng)變集中現(xiàn)象，此時(shí)存在2條微裂紋；如圖7(d)所示，隨著荷載的增加，應(yīng)變集中區(qū)不斷向上發(fā)展，表明此時(shí)裂紋不斷向上擴(kuò)展；當(dāng)荷載達(dá)到100 kN時(shí)右側(cè)應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)肉眼可見裂紋，當(dāng)荷載達(dá)到115 kN時(shí)左側(cè)出現(xiàn)肉眼可見裂紋；隨著荷載的增加，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。如圖7(e)所示，肉眼可見的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂紋與應(yīng)變集中區(qū)重合，因此，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)可獲得早期微裂紋的位置，從而預(yù)測(cè)裂紋產(chǎn)生位置。由于依靠應(yīng)變圖描述裂紋，當(dāng)主裂紋應(yīng)變較大時(shí)，較小應(yīng)變的微裂紋難以顯示。

圖8(a)～8(d)為FFU復(fù)合軌枕在不同荷載作用下的應(yīng)變圖。圖8(a)所示，當(dāng)荷載達(dá)到35 kN之前，應(yīng)變均勻分布，無(wú)高應(yīng)變集中區(qū)，無(wú)裂紋出現(xiàn)；當(dāng)荷載增加至35 kN時(shí)，如圖8(b)所示，此時(shí)FFU復(fù)合軌枕右側(cè)開始出現(xiàn)橫向微裂紋，該裂紋出現(xiàn)的原因主要為FFU復(fù)合軌枕為分層材料，在3點(diǎn)彎曲加載情況下，層與層之間分離；當(dāng)加載至75 kN時(shí)，如圖8(c)所示，右側(cè)分層逐漸發(fā)展，左側(cè)開始出現(xiàn)分層；如圖8(d)所示，當(dāng)加載至185 kN時(shí)，層間裂紋均會(huì)發(fā)展，但由于有一條裂紋發(fā)展較快，應(yīng)變?cè)黾虞^大，而使其他裂紋在應(yīng)變圖中難以顯示，以這條裂紋為主裂紋。此時(shí)肉眼可見裂紋與圖片中所示主裂紋重合。再次證明數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在檢測(cè)裂紋中的準(zhǔn)確性。

(a) 20 kN預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕應(yīng)變圖；(b) 40 kN預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕應(yīng)變圖；(c) 55 kN預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕應(yīng)變圖；(d) 80 kN預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕應(yīng)變圖；(e) 130 kN預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕應(yīng)變圖

(a) 15 kN FFU復(fù)合軌枕應(yīng)變圖；(b) 35 kN FFU復(fù)合軌枕應(yīng)變圖；(c) 75 kN FFU復(fù)合軌枕應(yīng)變圖；(d) 185 kN FFU復(fù)合軌枕應(yīng)變圖

在加載處，對(duì)于混凝土軌枕，其預(yù)應(yīng)力鋼筋在上，上表面受拉(軌枕倒置)，由于混凝土抗拉能力弱，產(chǎn)生豎向裂紋；而FFU復(fù)合軌枕采用纖維材料，抗拉能力強(qiáng)，纖維間為薄弱部分，纖維的分層產(chǎn)生橫向裂紋。

2.3 裂紋開口位移(CMOD)

當(dāng)裂紋路徑確定后，裂紋開口位移可以通過(guò)裂紋兩側(cè)點(diǎn)的位移差進(jìn)行計(jì)算，裂紋開口位移可用于表示表面裂紋的擴(kuò)展程度。2種軌枕“荷載—裂紋開口位移”曲線，如圖9所示。

(a) FFU復(fù)合軌枕荷載?裂紋開口位移曲線；(b) 混凝土軌枕荷載?裂紋開口位移曲線

由圖9可知，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和FFU復(fù)合軌枕裂紋開口位移均隨荷載的增加而增加。當(dāng)FFU復(fù)合軌枕加載至230 kN時(shí)，裂紋開口位移僅為0.023 5 mm；荷載50 kN前，裂紋開口位移增加速率較緩慢，荷載達(dá)到50 kN時(shí)，裂紋開口處層間已經(jīng)分離導(dǎo)致此后裂紋開口位移增加速率增大。相同荷載下，混凝土軌枕右側(cè)裂紋開口位移大于左側(cè)，主要由于右側(cè)裂紋位置離跨中加載處較近；在荷載達(dá)到70 kN前，混凝土軌枕裂紋開口位移增長(zhǎng)速率無(wú)明顯變化，之后，由于裂紋發(fā)展導(dǎo)致剛度下降，抗裂性能降低，左右側(cè)裂紋開口位移增長(zhǎng)速率均不斷增大。

3 結(jié)論

1) DIC可用于軌枕靜力學(xué)測(cè)試、裂紋位置預(yù)測(cè)、裂紋開口位移檢測(cè)，具有較高精確性。

2)混凝土軌枕開始處于彈性階段，初始剛度大，隨著荷載增加，進(jìn)入塑性階段，剛度逐漸減小；FFU復(fù)合軌枕始終處于彈性階段。

3) 混凝土軌枕由于結(jié)構(gòu)抗拉能力弱而產(chǎn)生裂紋，裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展將使結(jié)構(gòu)的剛度下降，抵抗變形能力下降，裂紋開口位移增長(zhǎng)速率增加。

4) FFU復(fù)合軌枕在受彎過(guò)程中，發(fā)生分層現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋；在裂紋開口完全分離時(shí)，裂紋開口位移增長(zhǎng)速率增大。

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Analysis of bending characteristics of FFU composite sleeper and concrete sleeper based on digital image correlation

JING Guoqing1, DU Wenbo1, YOU Ruilin2, DU Yunchang1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Railway Engineering Research Institution, China Academy of Railway Sciences Group Co., Ltd., Beijing 100081, China)

The sleeper is an important part of the track structure. Under the combined effect of load and ballast, the sleeper is in the bending state, which often produces cracks. The cracks will increase the maintenance cost, and affect the safety and comfort of passengers. In this paper, digital image correlation is used to analyze the bending characteristics, crack propagation path and CMOD (crack mouth opening displacement) of III prestressed concrete sleeper and FFU composite sleeper through three-point bending test. The results show that DIC has high accuracy in displacement and crack measures. The concrete sleeper is in the elastic stage at the initial loading stage with large stiffness. With the increase of load, the crack develops continuously, the stiffness decreases gradually, the resistance to deformation decreases, and the increase rate of CMOD increases. The FFU composite sleeper is always in an elastic state during the bending process, and the crack is caused by inter-layer separation. The increase rate of CMOD increases when the crack opening is completely separated, and then remains unchanged.

digital imagine correlation; concrete sleeper; FFU composite sleeper

U213.3+4

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0064 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T 20200261

2020?04?02

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金資助項(xiàng)目(2018YJ043)

井國(guó)慶(1979?)，男，河北廊坊人，教授，博士，從事軌道結(jié)構(gòu)及軌道力學(xué)研究；E?mail：gqjing@bjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)