CRTSⅡ型板式無砟軌道板疲勞損傷規(guī)律研究

楊 洋，張志勤，吳 剛，曹大富

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

無砟軌道因具有穩(wěn)定性好、壽命長、維修工作量少等優(yōu)勢正逐漸取代傳統(tǒng)有砟軌道[1-4]。該種結(jié)構(gòu)形式的軌道板在不同國家得到迅速發(fā)展，我國也將這種結(jié)構(gòu)形式大量運(yùn)用到在建和已完工的高速鐵路。但在我國高速鐵路系統(tǒng)中，無砟軌道板與ZPW-2000A軌道電路存在不兼容問題，產(chǎn)生該問題的主要原因是：以往的無砟軌道板內(nèi)部有大量縱橫交錯的鋼筋網(wǎng)片，形成許多閉合回路，軌道電路中高頻電流與之發(fā)生電磁感應(yīng)，使軌道電路一次參數(shù)改變，嚴(yán)重縮短軌道電路傳輸距離，且降低了列車運(yùn)行的安全性[5-10]。

因此，為提高無砟軌道結(jié)構(gòu)的絕緣性能，學(xué)者們針對軌道內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)片采取了三種絕緣方式：①在鋼筋網(wǎng)片的縱橫交點(diǎn)處添加塑料套管；②將縱向鋼筋替換為環(huán)氧鋼筋，橫向鋼筋保持不變；③將縱橫向鋼筋全部替換為環(huán)氧鋼筋。結(jié)果顯示，只要能將縱橫鋼筋形成的閉合回路消除，便能將鋼筋片對鋼軌阻抗參數(shù)的影響明顯降低[5,11-13]。此外，相關(guān)規(guī)范根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)的絕緣性能，對軌道電路傳輸長度也提出不同要求[14-15]。然而，由于長期的移動輪載作用，軌道板的變形和裂縫寬度隨著荷載次數(shù)的增加而不斷增加，上述絕緣處理辦法(如添加熱塑套管或塑料卡子)，有可能進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能，甚至安全性。田其義等[16]，禹雷[17]和王青等[18]等，研究了CRTSⅡ(China Railway Track System，CRTS)型板式無砟軌道板常幅疲勞性能，認(rèn)為疲勞過程中軌道板的剛度和裂縫發(fā)展都比較穩(wěn)定。其中，田其義等[16]認(rèn)為在疲勞后期受力鋼筋出現(xiàn)了黏結(jié)滑移現(xiàn)象。文獻(xiàn)[16-18]中僅僅考慮了常幅疲勞條件下(疲勞下限Pmin=20 kN，疲勞上限Pmax=140 kN左右)軌道板的疲勞行為，而關(guān)于CRTSⅡ型無砟軌道板變幅疲勞性能以及設(shè)計(jì)方法尚未見相關(guān)報(bào)道。

因此，有必要對不同疲勞荷載作用下，采用絕緣措施的無砟軌道板的各性能指標(biāo)(結(jié)構(gòu)變形、截面剛度以及裂縫寬度)的損傷規(guī)律和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。本文通過對無砟軌道板進(jìn)行常幅疲勞和變幅疲勞加載試驗(yàn)，研究其不同荷載條件下的疲勞性能，探討了無砟軌道板的撓度、裂縫和剛度損傷規(guī)律，并對其設(shè)計(jì)方法做了一定探索。

1 試驗(yàn)概況

1.1 無砟軌道板的制作

CRTSⅡ型板式無砟軌道板見圖1，單塊板尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm，由10對承軌臺構(gòu)成，板上有三個灌漿孔，用來注入瀝青水泥砂漿(CA砂漿)。本次疲勞試驗(yàn)的測試對象為單塊承軌臺(將軌道板沿著預(yù)裂縫切割)，其尺寸分別為1 275 mm×650 mm×200 mm(軌道板中間，截面Ⅰ)和1 275 mm×550 mm×200 mm(軌道板邊緣，截面Ⅱ)。

1.2 材料

混凝土中水泥、細(xì)骨料、粗骨料和水的配合比為413∶668∶1 075∶150，骨料最大粒徑小于等于20 mm；減水劑摻量為15.95 kg/m3；摻合料使用礦粉和粉煤灰，其摻量為137 kg/m3?；炷恋膹?qiáng)度等級為C80，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]測得。軌道板內(nèi)部布置縱橫向雙層鋼筋網(wǎng)片，其橫截面包括8 mm帶肋鋼筋(在縱橫向交叉點(diǎn)套熱塑套管)和10 mm的預(yù)應(yīng)力筋；縱截面包括8 mm帶肋鋼筋(在縱橫向交叉點(diǎn)套熱塑套管)，20 mm的螺紋鋼筋和16 mm帶肋鋼筋。試驗(yàn)板截面形式如圖2所示。

各板使用鋼筋的屬性見表1。其中，d為鋼筋的名義直徑，E為鋼筋的彈性模量，fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度，fu為鋼筋的極限拉伸強(qiáng)度。鋼筋的拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[20]進(jìn)行。

表1 受力鋼筋的材料屬性

1.3 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共做6塊板，其中橫截面Ⅰ有4塊(編號為S-RC1、S-RC3、S-RC4和S-RC6)，橫截面Ⅱ有2塊(編號為S-RC2和S-RC5)。各板的8根非預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑都為8 mm(縱橫向鋼筋之間添加熱塑套管)，此外各板截面還有采用單向先張法施工的6根10 mm預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為1 449、1 725 MPa，總預(yù)應(yīng)力值為409 kN。

1.4 加載過程及測試內(nèi)容

整個試驗(yàn)測試程序通過電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)控制，采用力傳感儀來測試荷載值的大小。試驗(yàn)板上布置三個百分表(±0.01 mm)，分別位于兩加載點(diǎn)處及跨中處，板的跨中撓度通過計(jì)算跨中和加載點(diǎn)處的豎向位移差得到。試驗(yàn)開始前在軌道板的側(cè)面畫上間距40 mm的縱橫網(wǎng)格線以觀察裂縫發(fā)展。采用裂縫觀測儀(±0.01 mm)測量跨中出現(xiàn)的第一條裂縫。在各軌道板的跨中位置，混凝土上表面以及受力筋的表面分別粘貼100 mm和5 mm的應(yīng)變片，測試混凝土的受壓應(yīng)變和受力鋼筋的受拉應(yīng)變。為防止不穩(wěn)定性因素的出現(xiàn)，疲勞測試正式開始前，施加約極限荷載的5%于板上，靜置3～5 min后卸載至0。將各儀器上的數(shù)據(jù)清零后，進(jìn)行疲勞測試。試驗(yàn)加載程序開始階段與靜載加載類似，即以每一級20 kN加載至裂縫出現(xiàn)，之后每一級加載改為10 kN，一直加載至荷載上限Pmax，隨后卸載至0，完成上述操作后再以相同速率加載到Pmax。不斷重復(fù)加載卸載，疲勞循環(huán)測試便開始進(jìn)行，各板的疲勞循環(huán)荷載值位于疲勞上限Pmax和疲勞下限Pmin之間，疲勞加載頻率均為5 Hz，Pmin均為20 kN。對于疲勞上限的選取，主要參考文獻(xiàn)[21-23]的荷載水平來選取，荷載水平范圍為0.500～0.675。而在我國動車組中，軸重最大為17 t，所以本文取最大靜輪載Pj=85 kN。因此疲勞上限分別?。?.76Pj=150 kN，2Pj=170 kN，2.12Pj=180 kN，2.29Pj=195 kN，2.38Pj=202.5 kN。完成指定次數(shù)的疲勞循環(huán)加載之后未產(chǎn)生破壞的板，卸載至0，通過靜力加載直至板件破壞，加載曲線如圖3所示。

對板S-RC1、S-RC2進(jìn)行靜力試驗(yàn)，主要目的是得到極限荷載Pu和極限位移，試驗(yàn)得到板S-RC1和S-RC2的極限荷載分別為300、254 kN，極限位移分別為8.19、7.38 mm，兩塊板的最終破壞形態(tài)為靜態(tài)彎剪破壞。對板S-RC3、S-RC4和S-RC5進(jìn)行常幅疲勞試驗(yàn)，Pmin均設(shè)置為20 kN，Pmax分別為150 kN(0.5Pu)、202.5 kN(0.68Pu)、170 kN(0.67Pu)。若經(jīng)過300萬次疲勞循環(huán)后構(gòu)件仍未破壞，則通過靜力加載將構(gòu)件加載至破壞。對板S-RC6進(jìn)行變幅疲勞試驗(yàn)，構(gòu)件分多階段進(jìn)行疲勞加載，其Pmin均設(shè)置為20 kN，第一階段Pmax=180 kN(0.6Pu)，循環(huán)200萬次，隨后進(jìn)入下一階段，Pmax提高至下一級為195 kN，循環(huán)30萬次，完成后進(jìn)入下一階段，Pmax提高至下一級荷載Pmax=202.5 kN，循環(huán)30萬次，如此直至構(gòu)件出現(xiàn)疲勞破壞(僅疲勞循環(huán)8萬次后構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞)。構(gòu)件疲勞加載次數(shù)和破壞形態(tài)如表2所示。

表2 構(gòu)件疲勞加載過程和破壞形態(tài)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

無砟軌道系統(tǒng)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)自上至下的分布依次為：鋼軌、軌道板、CA砂漿層、底座和地基。眾多學(xué)者認(rèn)為可以用均勻分布狀態(tài)來假定無砟軌道板的受力狀態(tài)[24-26]，盡管實(shí)際使用當(dāng)中無砟軌道板的受力也是均勻分布的，但是需要將一些最不利的條件考慮其中。根據(jù)文獻(xiàn)[27]的要求，試驗(yàn)構(gòu)件采用三點(diǎn)受彎的加載方式。因?yàn)檫M(jìn)行疲勞試驗(yàn)所用構(gòu)件在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下存放了一年以上，所以需對構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失以及其表面裂縫情況作檢查：①軌道板的預(yù)應(yīng)力損失情況，依據(jù)文獻(xiàn)[19]計(jì)算得到，預(yù)應(yīng)力損失需要考慮到預(yù)應(yīng)力松弛，混凝土收縮徐變產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力損失僅為2.6%。②軌道板表面的裂縫情況，裂縫產(chǎn)生受混凝土徐變及收縮等各種因素的影響，經(jīng)裂縫觀測儀仔細(xì)檢查后沒有發(fā)現(xiàn)初始裂縫的存在。此外，該類型無砟軌道的設(shè)計(jì)要求和其他部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)類似，需要關(guān)注軌道板的撓度大小和裂縫寬度[7-8]。因此，在對無砟軌道板的疲勞試驗(yàn)研究當(dāng)中需重點(diǎn)關(guān)注：無砟軌道板的疲勞壽命、撓度和殘余撓度、裂縫和殘余裂縫的發(fā)展規(guī)律，以及軌道板在疲勞循環(huán)加載過程中剛度的損傷規(guī)律等。

2.1 受力過程及破壞形態(tài)

通過疲勞循環(huán)加載的構(gòu)件破壞模式分為疲勞后的靜態(tài)加載至彎剪破壞和疲勞循環(huán)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋斷裂兩種。

表3 靜載測試結(jié)果

對于板S-RC3(Pmax=150 kN)，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，構(gòu)件中和軸高度迅速增加，跨中唯一豎向裂縫迅速上升，當(dāng)達(dá)到截面高度的3/4時裂縫幾乎不再變化，經(jīng)過300萬次疲勞循環(huán)之后構(gòu)件未破壞，采用一次靜力加載將構(gòu)件壓壞，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對于板S-RC4(Pmax=202.5 kN)，在疲勞初期(前50萬次)，跨中附近出現(xiàn)兩條豎向裂縫且迅速上升，僅經(jīng)過43萬次循環(huán)，就出現(xiàn)了疲勞斷裂破壞。板S-RC5跨中出現(xiàn)兩條豎向裂縫，經(jīng)過70萬次循環(huán)，也出現(xiàn)了疲勞斷裂破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，對軌道板進(jìn)行剖切，觀察內(nèi)部筋材的損壞情況，發(fā)現(xiàn)鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋都已斷裂。對于板S-RC6(Pmax=180 kN)，經(jīng)過前200萬次疲勞循環(huán)后，在板的跨中位置出現(xiàn)了兩條裂縫，中和軸的高度保持穩(wěn)定幾乎不發(fā)生變化，當(dāng)Pmax上升至195 kN經(jīng)過30萬疲勞循環(huán)后，裂縫迅速向混凝土表面上升，中和軸高度也迅速上升，當(dāng)Pmax=202.5 kN，經(jīng)過8萬次疲勞循環(huán)后軌道板最終疲勞斷裂。同樣對軌道板進(jìn)行剖切并觀察發(fā)現(xiàn)鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋幾乎都出現(xiàn)斷裂。很多學(xué)者在部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了這種破壞形態(tài)[21-23]。

2.2 荷載-撓度曲線

各軌道板在疲勞周期內(nèi)進(jìn)行疲勞循環(huán)加載得到的荷載-撓度曲線如圖4所示。由圖可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，撓度及殘余撓度不斷增加，而剛度則不斷減小。圖4中前半段曲線分布均較為稀疏，表示軌道板的撓度增加較為迅速，而后半段曲線分布比較密集，則表示撓度增加較為緩慢。在常幅疲勞加載條件下沒有達(dá)到300萬次疲勞壽命的板件的荷載-撓度曲線分布普遍都比較稀疏。這與文獻(xiàn)[23]的試驗(yàn)結(jié)果一致。對于常幅疲勞加載下的板S-RC3，以0.5的荷載水平(Pmax=150 kN)經(jīng)過300萬次疲勞循環(huán)后撓度達(dá)到0.929 mm；而對于橫截面尺寸較小的板S-RC5，當(dāng)荷載水平增加到0.67(Pmax=170 kN)時，僅僅經(jīng)過50萬次疲勞循環(huán)后，板件撓度已迅速增加到1.402 mm；對于橫截面尺寸相同的S-RC4，當(dāng)荷載水平增加到0.68時(Pmax=202.5 kN，此時鋼筋已屈服)，僅僅20萬次循環(huán)后，其撓度已達(dá)到1.478 mm?？梢姡奢d水平(疲勞循環(huán)加載的荷載上限)控制結(jié)構(gòu)變形的增加。對于變幅疲勞加載下的板S-RC6，當(dāng)荷載水平為0.6(Pmax=180 kN)時，200萬次疲勞循環(huán)之后撓度達(dá)到1.290 mm，之后當(dāng)Pmax增加到195 kN經(jīng)過30萬次疲勞循環(huán)，撓度增加至1.420 mm，此時軌道板已經(jīng)瀕臨破壞。

圖5為各板疲勞加載下的撓度-循環(huán)次數(shù)曲線。常幅疲勞加載下的板S-RC3曲線分為兩個階段：第一階段為加載的前50萬次，可看作疲勞加載初始階段，該階段隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軌道板的撓度明顯增加；第二階段為加載50萬次之后，可視為穩(wěn)定階段，該階段曲線比較平緩，撓度增長緩慢，直到300萬次循環(huán)時板件撓度變化均較小。對比變幅疲勞加載下板S-RC6的曲線較常幅疲勞加載下板S-RC3的曲線，可以清晰地觀察到第三個階段，即200萬次疲勞循環(huán)后撓度迅速增加的階段，該階段板S-RC6瀕臨破壞。對于常幅疲勞加載的板S-RC4和S-RC5，其曲線未觀察到穩(wěn)定階段，疲勞循環(huán)開始后，板件撓度便迅速增加。

圖6為板S-RC3疲勞循環(huán)后靜載的荷載-撓度曲線。由于板S-RC3完成300萬次疲勞循環(huán)加載后未產(chǎn)生疲勞破壞，因此通過靜力加載將構(gòu)件加載至破壞。與對比構(gòu)件板S-RC1的荷載-撓度曲線相比較后發(fā)現(xiàn)，板S-RC3疲勞加載后的極限強(qiáng)度和極限位移與板S-RC1相差并不大。殘余撓度和殘余強(qiáng)度均為板S-RC1的97%。說明荷載水平較低情況下(1.76倍靜輪載)，對構(gòu)件的強(qiáng)度和變形影響有限。詳細(xì)測試結(jié)果如表3所示。

2.3 荷載-裂縫曲線

經(jīng)過三次疲勞循環(huán)，各軌道板開裂后(開裂荷載Pcr約為120 kN)，在軌道板的側(cè)面將裂縫發(fā)展過程標(biāo)記出來并測量出裂縫寬度。各軌道板所選擇的疲勞循環(huán)次數(shù)完成之后，也將其側(cè)面裂縫發(fā)展過程標(biāo)記出來，并測量裂縫高度。

對于S-RC3(荷載水平為0.5)，疲勞循環(huán)的前期，在板的跨中附近可以觀察到一條裂縫，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫寬度和高度均增加。對于板S-RC4，S-RC5和S-RC6(荷載水平均超過0.6)，可以觀察到兩條裂縫，此外，在疲勞循環(huán)加載的過程中，并沒有斜裂縫的出現(xiàn)。

圖7為在不同疲勞循環(huán)次數(shù)下各板的荷載-裂縫曲線，均為Pmax所對應(yīng)的最大裂縫寬度。從圖7中可以看出，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫和殘余裂縫寬度增加較為明顯；曲線分布較密集的部分表示裂縫寬度增長較為緩慢，曲線分布比較稀疏的部分表示裂縫寬度增長速度較快，這與荷載-撓度曲線一致。經(jīng)過300萬次疲勞循環(huán)后，板S-RC3(Pmax=150 kN)的裂縫寬度變化仍然較小，裂縫和殘余裂縫寬度分別為0.161、0.044 mm。隨著荷載上限的增加，板S-RC4(Pmax=202.5 kN)僅經(jīng)過30萬次疲勞循環(huán)后裂縫寬度便增至0.444 mm；而板S-RC5(Pmax=170 kN)經(jīng)過63萬次疲勞循環(huán)后，裂縫寬度增至0.506 mm，由此可見，裂縫的擴(kuò)展速度受到荷載水平(疲勞循環(huán)加載的荷載上限)的控制。對于變幅疲勞加載下的板S-RC6，在Pmax=180 kN下經(jīng)過200萬次疲勞循環(huán)后裂縫寬度達(dá)到0.220 mm，再經(jīng)過Pmax=195 kN下疲勞循環(huán)30萬次后裂縫寬度陡增至0.529 mm，構(gòu)件瀕臨斷裂。

圖8為各軌道板在疲勞循環(huán)加載后的裂縫寬度-循環(huán)次數(shù)曲線。由圖8可知，板S-RC3的曲線基本可以分為兩個階段：加載的前50萬次的疲勞加載初始階段和加載50萬次之后的穩(wěn)定階段。而對于板S-RC6，其曲線相對于板S-RC3觀察到第三階段： 200萬次疲勞循環(huán)后裂縫寬度迅速增加的階段，該階段板S-RC6瀕臨破壞。對于常幅疲勞加載的板S-RC4、S-RC5，其曲線接近線性且未觀察到穩(wěn)定階段，疲勞循環(huán)開始后軌道板裂縫寬度迅速增加。文獻(xiàn)[15]規(guī)定正常使用條件下軌道板的最大裂縫寬度Wmax≤0.15 mm，該要求主要考慮耐久性因素的影響。

2.4 荷載-應(yīng)變曲線

圖9為軌道板受力筋應(yīng)變和混凝土壓應(yīng)變的曲線，板S-RC4、S-RC5由于試驗(yàn)開始不久鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋就幾乎全部斷裂，受力筋的應(yīng)變沒有記錄下來，只有少量的混凝土應(yīng)變可以觀察到。由圖9可知，應(yīng)變隨荷載和循環(huán)次數(shù)的增加而增加。對于常幅疲勞循環(huán)下的板S-RC3(Pmax=150 kN)，300萬次疲勞循環(huán)后混凝土應(yīng)變ε≤350×10-6，而殘余應(yīng)變ε≤80×10-6。對于變幅疲勞循環(huán)下的S-RC6，在Pmax=180 kN下循環(huán)200萬次后混凝土應(yīng)變ε≤450×10-6；當(dāng)Pmax增加到195 kN，僅疲勞循環(huán)30萬次后，混凝土應(yīng)變ε≈650×10-6，由此可見疲勞上限對混凝土應(yīng)變影響較大。

各板受力筋應(yīng)變，幾乎都符合相應(yīng)規(guī)律：曲線較稀疏的部分增加較快，而曲線較密集的部分增加較慢。另外，可以看出荷載上限對應(yīng)變的增加速率影響較大：板S-RC3(Pmax=150 kN)、S-RC6(Pmax=180 kN)的殘余應(yīng)變和最大應(yīng)變均受到不同程度影響。

2.5 剛度衰減規(guī)律

采用試驗(yàn)板的無量綱割線剛度(相對動態(tài)割線剛度)衰減曲線來反映軌道板剛度損傷程度，如圖10所示。E(n)為軌道板疲勞加載過程中對應(yīng)循環(huán)次數(shù)n的割線剛度；E(0)為初始割線剛度。

割線剛度E(n)可定義為

E(n)=Pmax/(Δmax-Δr)

(1)

式中：Δmax為Pmax對應(yīng)的撓度；Δr為荷載卸載后對應(yīng)的殘余撓度。

由圖10可見，各板剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且荷載水平對剛度的影響較明顯。在常幅疲勞荷載下，板S-RC3(Pmax=150 kN，荷載水平為0.5)疲勞破壞前剛度降低了7.6%。在變幅疲勞荷載下，板S-RC6(Pmax=180 kN，荷載水平為0.6)在200萬次疲勞循環(huán)后剛度降低了14.6%；而在230萬次疲勞循環(huán)后剛度降低了36%。板S-RC4(Pmax=202.5 kN，荷載水平為0.68)和S-RC5(Pmax=170 kN，荷載水平為0.67)，剛度分別降低了43%和41%?？梢钥闯觯瑢τ赗C系列板最大荷載在荷載水平達(dá)到0.6之后，疲勞壽命開始降低，繼續(xù)增加荷載水平，疲勞壽命降低越快。

2.6 裂縫-應(yīng)力關(guān)系

圖11為軌道板的最大裂縫寬度與受力筋應(yīng)力的關(guān)系，即每一次靜載測試條件下結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度和受力筋應(yīng)力關(guān)系。

對于各軌道板，其最大裂縫寬度Wmax為

Wmax=(0.563fSteel+26.35)×10-3

(2)

式中：fSteel為受力鋼筋的應(yīng)力。由疲勞測試數(shù)據(jù)可知，有絕緣處理方式的軌道板在最低的疲勞荷載水平下(1.76Pj)，雖然能夠完成300萬次疲勞循環(huán)，但裂縫寬度達(dá)到0.161 mm，而進(jìn)一步增加荷載水平(2Pj、2.12Pj、2.2Pj、2.38Pj)裂縫寬度增加更顯著。而文獻(xiàn)[15]規(guī)定裂縫寬度Wmax≤0.15 mm，因此，根據(jù)式(2)可知，這種有絕緣處理方式的軌道板要滿足規(guī)范要求的裂縫寬度，應(yīng)限制正常使用荷載的大小。對于正常使用荷載，日本和德國的標(biāo)準(zhǔn)都建議取1.47倍靜輪載，而我國秦皇島—沈陽段測試得到了1.57倍靜輪載[28-29]。因此，使用1.5倍靜輪載為本文的正常使用荷載。而在我國動車組中，最大的軸重為17 t，最大靜輪載為85 kN。因此，在正常使用荷載為127.5 kN條件下，圖11表明，有絕緣處理方式的軌道板可以滿足裂縫寬度要求。但是，對于極限使用荷載，日本標(biāo)準(zhǔn)使用3倍靜輪載，德國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)荷載實(shí)測數(shù)據(jù)確定[28-29]，而我國標(biāo)準(zhǔn)也建議3倍靜輪載作為疲勞檢算輪載[14]，因此取3倍靜輪載作為本文的極限使用荷載。在極限使用荷載為255 kN條件下，圖11表明，有絕緣處理方式的軌道板不能滿足裂縫寬度要求(試驗(yàn)表明180 kN時就已經(jīng)不滿足要求，裂縫寬度達(dá)到了0.220 mm)。本文的加載方式考慮了最不利的情況，即軌道板和CA砂漿層脫空的情況，因此采用簡支的方式加載。而實(shí)際情況是，軌道板受到的為CA砂漿層的均布荷載。本文測試結(jié)果，可給實(shí)際工程作為參考。綜上，無砟軌道板在較高荷載條件下不滿足規(guī)范對于疲勞應(yīng)力為150 MPa的要求[15]，即Wmax=0.15 mm的要求。因此，限制結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值和裂縫寬度是有必要的，特別對于變幅循環(huán)加載條件下的無砟軌道板。

3 結(jié)論

本文共對6塊CRTSⅡ板式無砟軌道板進(jìn)行了測試，其中對2塊板進(jìn)行了靜力測試，對4塊板進(jìn)行了疲勞測試，加載方式采用三點(diǎn)加載。通過對3塊板進(jìn)行常幅疲勞加載和對1塊板進(jìn)行變幅疲勞加載來研究無砟軌道板的疲勞性能。測試參數(shù)為荷載水平和荷載加載順序。對無砟軌道板的破壞形態(tài)、撓度和殘余撓度、裂縫寬度和殘余裂縫寬度展開研究；在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，研究了結(jié)構(gòu)剛度損傷規(guī)律，并給出了疲勞壽命的預(yù)測模型，得到了以下結(jié)論：

(1)CRTSⅡ板式無砟軌道板經(jīng)過疲勞循環(huán)加載后的破壞形態(tài)為預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋斷裂。

(2)CRTSⅡ板式無砟軌道板在荷載水平為0.5(Pmax=1.76Pj)時，能夠完成300萬次疲勞循環(huán)加載并且未發(fā)生破壞，最后通過靜力加載至剪切破壞。當(dāng)荷載水平不超過0.6(Pmax=2.12Pj)時，經(jīng)過疲勞循環(huán)加載后板內(nèi)受力鋼筋已經(jīng)屈服，若荷載水平繼續(xù)提高，軌道板易發(fā)生破壞。

(3)荷載水平控制結(jié)構(gòu)的撓度和裂縫寬度的發(fā)展，在荷載水平為0.5條件下，撓度和裂縫寬度基本符合兩階段的發(fā)展規(guī)律；而荷載水平超過0.6后，撓度和裂縫寬度幾乎呈線性發(fā)展。

(4)疲勞荷載上限對無砟軌道板混凝土及受力筋應(yīng)變影響較大，疲勞上限越大，應(yīng)變增大速率越快。

(5)給出裂縫寬度和應(yīng)力關(guān)系的擬合曲線供設(shè)計(jì)者參考，對于無砟軌道板來說，限制結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值和裂縫寬度是有必要的，特別是在變幅疲勞加載的情況下。