裝配式無砟軌道微彈性隔離層剛度取值研究

黨紅玲 張魯順 郭 驍

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，裝配式無砟軌道得到廣泛應用[1-2]。裝配式無砟軌道作為多層結構體系，主要由上層結構(軌道板或道床板)、下層結構(底座板或支承層)和中間層結構組成[3-4]。中間層結構主要為低彈模CA砂漿、高彈模CA砂漿、自密實混凝土、土工布、減振墊等。不同中間層及層間接觸狀態(tài)對軌道結構受力影響顯著。低彈模砂漿層可有效降低軌道結構受力，使荷載在軌道板內(nèi)得到較大的衰減，無砂漿層或接觸剛度較大時將增大軌道板受力[5]。中間層結構是無砟軌道多層結構體系的薄弱結構，極易引發(fā)軌道結構裂紋、離縫、破損、掉塊等多種病害的產(chǎn)生和發(fā)展[6-9]。目前，無砟軌道層間隔離多采用土工布[10]，少量采用噴涂聚氨酯隔離層，以及其他具有一定減振性能的隔離層[11-14]。長期運營實踐表明，土工布吸水滲入混凝土，易引起砂漿層開裂、破損等病害；噴涂聚氨酯則易與軌道板牢固粘結，且不易起吊更換。

基于此，提出一種軌道交通裝配式無砟軌道的微彈性隔離層，既方便軌道板起吊更換，又能提供一定彈性，以及提高軌道結構耐久性及絕緣性能。

2 微彈性隔離層合理剛度分析

2.1 模型及參數(shù)

圖1 雙孔限位板式無砟軌道

為得到微彈性隔離層合理剛度，需研究微彈性隔離層剛度對軌道結構受力的影響。利用ABAQUS有限元軟件建立裝配式無砟軌道精細化分析模型[15-16]。裝配式無砟軌道型式為雙孔限位板式無砟軌道(見圖1)，主要由鋼軌、扣件、軌道板、隔離層、自填充混凝土等組成。其中，鋼軌、軌道板、自填充混凝土采用實體單元模擬，扣件采用三向彈簧單元模擬，扣件靜剛度為30 kN/mm。為消除邊界效應，取3塊軌道板建模。列車荷載加載方式為單軸雙輪，數(shù)值取2倍靜輪載(170 kN)[17]。加載位置為軌道板中部。模型底部采用彈性基礎。裝配式無砟軌道有限元模型見圖2。

圖2 裝配式無砟軌道有限元模型

裝配式無砟軌道結構參數(shù)見表1。

表1 裝配式無砟軌道結構參數(shù)

微彈性隔離層面剛度分別取0.01，0.05，0.10，0.20，0.50，0.75，1.0 N/mm3，確定微彈性隔離層合理剛度范圍，并依據(jù)微彈性隔離層剛度指標進行廠內(nèi)試制和試驗。

2.2 計算結果分析

以微彈性隔離層面剛度0.01 N/mm3為例，軌道結構位移及受力云圖見圖3。

微彈性隔離層面剛度分別為0.01，0.05，0.10，0.20，0.50，0.75，1.00 N/mm3時，對軌道結構位移、軌道結構的縱向、橫向拉應力、軌道結構位移的影響見圖4?？梢钥闯?，隨著隔離層剛度的提高，鋼軌、軌道板的垂向位移逐漸減小，軌道板的縱向拉應力逐漸減小，自填充混凝土的縱橫向拉應力逐漸增大。若減小隔離層剛度，將增加軌道結構垂向位移，降低軌道動態(tài)平順性，且增大軌道板受力，但能夠降低自填充混凝土應力。因此，應在保證軌道安全性和平順性的前提下，盡量減小自填充混凝土受力，降低自填充混凝土傷損，在提高軌道平順性和降低自填充混凝土受力之間，合理確定減振墊剛度。

圖4 軌道結構位移及受力隨隔離層剛度的變化規(guī)律

微彈性隔離層可在一般地段裝配式軌道全線采用。參照TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術規(guī)范》[18]，普通地段軌道結構鋼軌垂向位移最大允許值為2 mm。根據(jù)計算結果，雖然減小隔離層剛度能夠使自填充混凝土應力降低，但當減振墊面剛度小于0.01 N/mm3時，鋼軌垂向位移值將大于2 mm。因此，從軌道安全性和平順性的角度，減振墊面剛度應大于0.01 N/mm3。

隨著減振墊剛度的增大，軌道結構垂向位移逐漸減小，在超過0.5 N/mm3后，鋼軌、軌道板、自填充混凝土的垂向位移趨于穩(wěn)定，提高隔離層剛度并不能提高軌道動態(tài)平順性。考慮到增加減振墊剛度將使自填充混凝土應力增大，減振墊面剛度值建議不超過0.5 N/mm3。

因此，綜合考慮提高裝配式軌道平順性和降低自填充混凝土受力，建議微彈性隔離層面剛度范圍為0.05～0.5 N/mm3。

3 隔離層材質(zhì)的選取及測試

3.1 隔離層材質(zhì)的選取

在合理剛度范圍的基礎上，應考慮施工維修性、經(jīng)濟性及絕緣性能的要求。選取土工布、橡膠、聚氨酯的隔離層分別進行剛度對比測試。土工布、橡膠、聚氨酯樣品見圖5。

圖5 3種不同材質(zhì)隔離層材料樣品

3.2 隔離層剛度測試

聚氨酯和橡膠材質(zhì)需要進行多次試制才能達到指定的剛度指標，第一次測試2塊聚氨酯和3塊橡膠材質(zhì)樣品，厚度均為8 mm，采用電液伺服疲勞試驗機對試制的隔離層靜剛度、壓縮模量等參數(shù)進行測試，見圖6。

3種不同材質(zhì)隔離層測試結果見表2。

圖7為3種不同材質(zhì)隔離層材料剛度測試曲線?？梢钥闯觯S著荷載的增加，土工布壓縮變形量快速遞減，面剛度范圍在0.3～0.6 N/mm3。聚氨酯荷載由0增至2 kN時，變形量快速增大到1 mm，荷載繼續(xù)增大時，變形量開始線性增大。即前期變形量增加較快，后期變形量隨著荷載的增大，變形量近似呈線性增大，后期剛度較為穩(wěn)定。橡膠墊類似于聚氨酯，荷載由0增至1 kN時，變形量快速增大到0.6 mm，荷載繼續(xù)增大時，變形量增速放緩，變形量較小。即前期變形量增加較快，后期變形量變化較小。但每次試驗剛度值差異較大，表現(xiàn)出較高離散性。

圖6 隔離層材料剛度及模量測試

表2 3種不同材質(zhì)隔離層測試結果匯總

圖7 3種不同材質(zhì)隔離層材料剛度測試曲線

綜上，在施加較大動荷載的工況下，土工布剛度隨著荷載變化呈線性變化；聚氨酯墊剛度在荷載達到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定；而橡膠墊后期壓縮變形很小，但剛度急劇變化，動剛度浮動范圍較大?？紤]到土工布受環(huán)境影響較大，且在潮濕或露天環(huán)境容易吸水，對其耐久性和剛度影響較大；另外橡膠墊動剛度變化較為劇烈，對其性能有一定影響。因此，依據(jù)測試結果，決定采用聚氨酯墊作為隔離層。

4 隔離層耐久性分析

高分子材料老化指的是受到存儲、加工和服役環(huán)境中的光照、氧氣、溫度、機械應力、濕度、酸堿度等作用而引起的降解過程。熱氧老化和光氧老化則是聚合物材料老化降解的兩種最主要的形式。此外，環(huán)境中氧的存在對于老化的促進作用不容忽視。因此，提高高分子材料最有效的措施是在材料中添加抗氧劑、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑，以及延緩材料老化的無機添加劑。

依據(jù)GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》，對聚氨酯減振墊疲勞性能進行測試，以壓縮永久變形率30%作為臨界值，試樣在60 ℃、70 ℃、80 ℃下的平均失效時間分別為2 769 h、870 h、256 h。實際使用溫度假設為23 ℃，依據(jù)GB/T 20028—2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》及Arrhenius方程，得出樣品壽命為61.8年，滿足無砟軌道結構耐久性60年的要求。

5 結論

通過分析微彈性隔離層剛度對軌道結構力學特性的影響，隔離層材料試制及測試，耐久性測試等方面，得出主要結論如下。

(1)考慮裝配式軌道平順性和自填充混凝土受力，建議微彈性隔離層材質(zhì)面剛度范圍為0.05～0.5 N/mm3。

(2)土工布剛度隨著荷載變化呈線性變化，聚氨酯剛度在荷載達到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定，橡膠后期壓縮變形較小，但剛度急劇變化。建議采用聚氨酯材料作為微彈性隔離層。

(3)依據(jù)對聚氨酯減振墊疲勞性能的測試，聚氨酯彈性墊的壽命為61.8年，滿足無砟軌道結構耐久性的要求。