馮紹敏，雷曉燕，張鵬飛，劉慶杰

（華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌 330013）

高速鐵路因其運行速度快，行車平穩(wěn)，機車車輛及軌道維修費用低，線路使用壽命長，全封閉，全立交，高度自動化，高效率，高舒適度，高安全性，高可靠性等特點[1]，使得無砟軌道結構和跨區(qū)間無縫線路技術快速發(fā)展。跨區(qū)間無縫線路的一項關鍵技術是如何在特大橋上鋪設無縫線路，即解決橋上無縫線路縱向附加力的分布及傳遞問題。

目前，對于橋上無縫線路縱向附加力的試驗研究，一些國家的科技工作者也做了相關的試驗研究[2-4]，取得了一定的研究成果，但這些大都是基于普通無縫線路。對于無砟軌道無縫線路，國內的研究還不夠全面，特別是在長大橋梁無砟軌道無縫線路的研究方面。國外在這方面雖然有一定的研究，但是其設計理念、方法與我國不同。在長大橋梁無砟軌道無縫線路的試驗研究中，雖然對鋼軌所承受的伸縮附加力計算方法進行了許多研究[5-6]，研究人員相繼提出了測試方法和儀器，但都受到各種條件的限制，不能很好地應用于現場高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路測試當中。目前，世界各國正在繼續(xù)研究這一看似簡單而實際極難的無縫線路科研課題[7]。

為了解決以上問題，該文通過對國內某高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路現場靜態(tài)試驗研究、無砟軌道無縫線路檢測、監(jiān)測技術研究，形成一整套高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路長期、遠程監(jiān)測體系。通過遠程監(jiān)控，分析所測實驗數據，得出相關的結論，該體系為列車的安全、平穩(wěn)運行提供保障；為我國后續(xù)的高速鐵路無砟軌道無縫線路設計、施工、運營提供理論指導和技術支持；為加快我國鐵路工務信息化進程作出貢獻。

1 測試方法及原理

1.1 附加伸縮力的產生機理

對于長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程長期監(jiān)測，主要是以靜態(tài)為主，因此主要監(jiān)測鋼軌的附加伸縮力。附加伸縮力是指橋梁在溫度變化下會伸長和收縮，在變形的過程中，梁體拉著鋼軌變形從而使鋼軌產生附加的荷載[8]，所以伸縮力的大小和分布除與梁軌間的連結強度即線路縱向力、梁的伸縮量有關外，與長鋼軌的布置方式、梁跨支座布置方式等因素有關，其作用過程是當溫度變化而梁伸縮就開始對鋼軌產生作用，隨著溫度升降循環(huán)變化，鋼軌也發(fā)生拉壓作用變化。理論計算伸縮力時，梁的溫度變化僅考慮單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化。由于列車振動要釋放部分溫度力，一般取一天內可能出現的最大溫差。

1.2 測試方法

附加伸縮力測試使用應變片來測試，通過應變來反推內力。利用應變片測試需要與惠更斯電橋結合，為了提高測試的精度，選擇全橋的測試方案。應變片的粘貼位置如圖1所示，其中R1，R2用于測試鋼軌的垂向應變，粘貼于軌腰中部，粘貼方向為垂直線路中心線方向；R3，R4用于測試鋼軌的縱向應變，粘貼于軌底，粘貼方向為平行線路中心線方向。測試電橋如圖2所示，圖2（a）為垂向應變測試電橋，圖2（b）為縱向應變測試電橋，圖中Rb為溫度補償片。

1.3 測試原理

當溫度變化時，工作片R1，R2所測得的應變由三部分組成，即由附加伸縮力引起的附加伸縮應變εf、由于應變片的伸縮引起的應變及溫度使應變片柵絲引起的電阻變化。補償片Rb所得的應變也是由三部分組成，后兩部分與R1，R2一樣，第一部分為鋼材在溫度變化下的應變εt。令由橋路a測得的應變值為εa，橋路b測出的應變?yōu)棣舃。經過橋路補償后，可得

1.4 測試系統誤差分析

本測試方法主要誤差來源于三個方面：采集系統誤差、應變片測量誤差和補償片變形誤差。其中采集系統誤差、應變片測量誤差是常規(guī)測量誤差，通過選擇質量好的儀器設備，正確粘貼傳感器可以降低誤差的影響。補償片的變形誤差是影響試驗的重要因素，補償片應盡量選擇與測試對象材料、形狀一致的物體。受現場條件的限制，本次測試選擇4 mm厚的鋼板作為補償片，將其放置在測點的附近。

2 監(jiān)測系統構成

2.1 監(jiān)測系統簡介

為了實現對長大橋梁無砟軌道無縫線路的長期、遠程、無線監(jiān)測，采用江蘇東華測試技術股份有限公司特為本研究研發(fā)的DH3819A無線靜態(tài)應變測試分析系統。該監(jiān)測采集系統是根據橋上無砟軌道無縫線路長期監(jiān)測的項目要求，結合橋梁參數類型、布點方案及現場安裝情況而專門設計開發(fā)的實時監(jiān)測系統，系統包含橋上無砟軌道無縫線路監(jiān)測所需的分布式參數測試模塊，數據長距離傳輸通訊模塊及配套的采樣控制和計算機通訊軟件、數據分析軟件等。系統實現對大型橋梁多測點的長期、遠距實時測量及連續(xù)傳輸，并能完成數據的海量存儲、特征信號分析、提取、保存等功能。系統主要由傳感器部分、應變采集模塊、數據采集控制器、監(jiān)控中心部分、遠程觀測部分等組成。

2.2 應變片的選擇

由于現場環(huán)境惡劣且需要進行長時間的監(jiān)測，應變片選用了德國HBM公司生產的LV41型應變片，采用專用膠水X61粘貼，在鋼軌兩側各粘貼一片，可使應變片牢固粘貼在鋼軌上。兩應變片使用全橋方式連接，并在可自動伸縮的鋼板上粘貼4片溫度補償片。

3 實例分析

選擇國內某高速鐵路的特大橋作為試驗點，該特大橋上鋪設無砟軌道，為雙線，仍在試運營階段，本文對該長大橋梁無縫線路展開了綜合試驗研究，以驗證監(jiān)測理論和現場監(jiān)測方法的可行性。

3.1 測點布置

在該高速鐵路特大橋上選取測試位置，選擇（60+100+60）m的連續(xù)梁，在梁端及跨中布置測點（共7個測點），將應變片如圖1所示貼在鋼軌上，測點位置如圖3所示，溫度補償片如圖4所示布置。

3.2 采集系統的現場安裝

先將軌腰處打磨平整，用丙酮溶液擦拭其表面，除去雜質，然后用專用膠水X61將應變片粘貼牢靠，最后做防潮處理，如圖5所示。應變采集儀及控制器的安裝分別如圖6和圖7所示。

3.3 試驗結果分析

本次測試主要內容是附加伸縮力。數據采集是通過DH3819A無線靜態(tài)應變測試系統（ZIGBEE）完成的，采集時間間隔為5分鐘。由于采集數據量很大，本文僅分析從2010年12月3日6：00到12月10日6：00所采集的數據。

從圖8和圖9可以看出，附加伸縮力在橋梁梁端橋臺處較大，在梁中間處較小，可能是滑動層起了作用，全橋最大附加伸縮力為235.6 kN，發(fā)生在2號橋臺處，從國內一些單位的測試數據進行分析，該文所監(jiān)測的數據還是準確的。但是由于該高速鐵路仍在設備調試和試運營期間，從監(jiān)測得到的數據中僅只是分析了靜態(tài)數據，要想今后準確地分析及評估高速鐵路無縫線路的安全和穩(wěn)定性，必須進行全方位分析。

4 結論

通過對國內某高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程靜態(tài)監(jiān)測，展開了一系列的研究工作。經過分析，推導了伸縮附加力的計算公式，建立了長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程、實時監(jiān)測體系，通過該監(jiān)測體系可以較好地對橋上無縫線路的工作狀況進行監(jiān)測，經過實際檢驗證明此測試方法是可行的。

[1]李成輝.軌道[M].成都：西南交通大學出版社，2005.

[2]徐慶元，陳秀方，李樹德.高速鐵路橋上無縫線路縱向附加力研究[J].中國鐵道科學，2006，27（3）：8-12.

[3]黃小明，蔡成標.客運專線大跨度混凝土橋橋上無縫線路縱向附加力分析[J].鐵道建筑，2006（12）：81-83.

[4]陳鵬，高亮，馮雅薇，等.連續(xù)梁橋上無縫線路縱向附加力的變化規(guī)律[J].北京交通大學學報，2007，31（1）：85-88.

[5]李保友，唐進鋒，劉亞敏.城市軌道交通連續(xù)梁橋上無縫線路伸縮力計算[J].都市快軌交通，2006，19（6）：42-45.

[6]彭旭民，荊秀芬.橋上無縫線路溫度伸縮力的分析與研究[J].橋梁建設，2006（1）：12-15.

[7]王言孝，劉振武.一個貌似簡單的世界難題：鋼軌縱向應力檢測[J].鐵道知識，1992（1）：42-43.

[8]練松良.軌道工程[M].上海：同濟大學出版社，2006.