許良善，涂英輝，趙 強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

繁忙線路的軌道結(jié)構(gòu)必須具備可靠性高、承載能力強(qiáng)、維修量少、使用壽命長、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)。鋼軌是軌道的主要部件，在軌道結(jié)構(gòu)各部件中直接與車輪接觸，也是受力最大的部件，鋼軌必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以提供運(yùn)行支承和分散荷載的功能。我國既有鐵路多鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，大秦鐵路二期改造后重車線鋪設(shè)75 kg/m鋼軌，朔黃鐵路2005年大修換鋪75 kg/m鋼軌。對于重載鐵路，75 kg/m鋼軌具有明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在:在使用期內(nèi)鋼軌傷損減少，軌道安全性提高;軌道整體性好，列車基本阻力減小;軌道受力狀態(tài)改善，維修工作量減少;使用壽命長，單位運(yùn)量的鋼耗量少。以往使用60 kg/m鋼軌和使用75 kg/m鋼軌軌道結(jié)構(gòu)受力的情況很難通過室內(nèi)試驗(yàn)來驗(yàn)證，高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建成為這一試驗(yàn)提供了可能，本文對兩種鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 實(shí)尺軌道模型的鋪設(shè)及測試

1.1 實(shí)尺軌道模型鋪設(shè)

試驗(yàn)前在高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)尺軌道試驗(yàn)槽鋪設(shè)了7 m長有砟軌道實(shí)尺模型，該模型軌道結(jié)構(gòu)配置為:75 kg/m或60 kg/m鋼軌，Ⅲ型枕，Ⅱ型扣件，軌枕間距0.6 m，特級(jí)材質(zhì)一級(jí)級(jí)配道砟，1∶1.75道床邊坡，道床頂面寬度3.60 m，道床厚度0.35 m，砟肩堆高 0.15 m，基床表層級(jí)配碎石厚0.40 m，基床底層AB組填料厚2.19 m。

在有砟軌道實(shí)尺模型鋪設(shè)完成后，進(jìn)行了道床及軌道部件力學(xué)性能參數(shù)測試，以保證實(shí)尺軌道模型的狀態(tài)與現(xiàn)場基本一致。主要測試項(xiàng)目及結(jié)果如下:基床表層路基參數(shù)K30為223 MPa/m、Ev2為194.5 MPa、Evd為81 MPa，道床密度為1.66 g/cm3，道床支承剛度為116.8 kN/mm，軌下墊板靜剛度為80.1 kN/mm。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為了對比使用60 kg/m鋼軌與使用75 kg/m鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)的影響，主要進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容如下，試驗(yàn)現(xiàn)場圖片見圖1。

圖1 兩種鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)的影響對比試驗(yàn)

1)軌道結(jié)構(gòu)靜剛度試驗(yàn):了解采用兩種鋼軌時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)。

2)荷載垂向和縱向傳遞試驗(yàn):分析兩種鋼軌對路基表層受力的影響及使用兩種鋼軌時(shí)的荷載縱向傳遞性能。

3)鋼軌傾翻試驗(yàn):分析軌道結(jié)構(gòu)抵抗鋼軌傾翻的性能，以評估兩種鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

4)振動(dòng)沖擊響應(yīng)試驗(yàn):對比兩種軌道結(jié)構(gòu)在相同沖擊力作用下鋼軌、軌枕的振動(dòng)響應(yīng)。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 軌道結(jié)構(gòu)靜剛度

利用實(shí)驗(yàn)室四通道電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)測試軌道結(jié)構(gòu)靜動(dòng)剛度。選取軌排中間軌枕斷面，對兩股鋼軌同時(shí)施加靜態(tài)荷載，荷載加至400 kN，中間每50 kN靜停15 s，選取50 kN及300 kN對應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算割線剛度，將計(jì)算后的數(shù)值除以2即為軌道結(jié)構(gòu)靜剛度，軌道結(jié)構(gòu)靜剛度計(jì)算公式為

式中，P2為 300 kN，P1為 50 kN，S2，S1分別為垂向荷載P2，P1對應(yīng)的鋼軌垂移。

兩種鋼軌荷載—位移曲線見圖2，計(jì)算得到的軌道結(jié)構(gòu)靜剛度見表1。對軌道結(jié)構(gòu)施加300 kN垂向荷載，采用75 kg/m鋼軌時(shí)鋼軌垂移1.21 mm，采用60 kg/m鋼軌時(shí)鋼軌垂移1.43 mm，使用兩種鋼軌的情況下軌道結(jié)構(gòu)靜剛度分別為126.0 kN/mm和107.6 kN/mm。與采用60 kg/m鋼軌相比，采用75 kg/m鋼軌后，軌道結(jié)構(gòu)靜剛度增大了17.1%。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)靜剛度荷載—位移曲線

表1 軌道結(jié)構(gòu)靜剛度測試結(jié)果 kN/mm

2.2 荷載垂向傳遞及縱向分布

在鋪設(shè)實(shí)尺軌道模型時(shí)，在路基表層埋設(shè)應(yīng)力傳感器，測試路基表層壓應(yīng)力;在垂向荷載作用點(diǎn)及相鄰3根枕的支點(diǎn)位置測試軌下墊板變形。通過軌下墊板荷載—位移曲線可得到對應(yīng)于墊板變形的壓力，此壓力即為支點(diǎn)壓力。在對軌道結(jié)構(gòu)施加垂向荷載時(shí)，可同時(shí)得到路基應(yīng)變及4個(gè)位置支點(diǎn)壓力的數(shù)據(jù)。

荷載垂向傳遞主要測試在相同垂向荷載作用下，使用不同鋼軌時(shí)對路基表層壓應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)施加于單股鋼軌的垂向荷載為150 kN時(shí)，使用75 kg/m軌與使用60 kg/m鋼軌測得的路基表層壓應(yīng)力分別為142.3 kPa和179.7 kPa。與使用60 kg/m鋼軌相比，使用75 kg/m鋼軌后，傳遞到路基表層的壓應(yīng)力降低了20.8%，可見使用75 kg/m鋼軌對降低路基表層壓應(yīng)力有比較明顯的作用。

荷載縱向傳遞是通過測試單股鋼軌支點(diǎn)壓力的大小來反應(yīng)的，對單股鋼軌施加150 kN垂向荷載，測試荷載作用點(diǎn)位置(0#枕)及依次相鄰位置(1#枕、2#枕、3#枕)的支點(diǎn)壓力，并計(jì)算各處支點(diǎn)壓力占垂向荷載的百分比。試驗(yàn)結(jié)果見表2，將不同支點(diǎn)位置分配的垂向荷載百分比繪成曲線，即荷載縱向傳遞曲線見圖3。

表2 鋼軌不同位置支點(diǎn)壓力及其占垂直荷載百分比

圖3 使用不同類型鋼軌時(shí)荷載縱向傳遞曲線

由表2可知，垂向荷載為150 kN時(shí)，使用75 kg/m軌與使用60 kg/m鋼軌時(shí)荷載作用點(diǎn)位置支點(diǎn)壓力分別為52.8 kN和76.8 kN，中間支點(diǎn)分配荷載百分比分別為35.2%和51.2%。與采用60 kg/m鋼軌相比，采用75 kg/m鋼軌后，中間支點(diǎn)分配荷載百分比降低了16.0%，采用75 kg/m鋼軌比采用60 kg/m鋼軌明顯降低了中間支點(diǎn)荷載集中現(xiàn)象，75 kg/m鋼軌能夠使垂向荷載分布更合理。

2.3 鋼軌傾翻試驗(yàn)

在鋼軌傾翻試驗(yàn)時(shí)，通過特殊工裝對軌排施加恒定垂向荷載300 kN(作用于單股鋼軌的垂向荷載為150 kN)，然后對軌道內(nèi)側(cè)的鋼軌軌頭施加橫向水平荷載，分別記錄鋼軌的水平荷載和鋼軌軌頭的橫向位移，在鋼軌軌頭橫向位移數(shù)值均達(dá)到4 mm時(shí)，即停止施加水平荷載，取兩側(cè)鋼軌橫向位移的平均值作為最終的鋼軌橫向位移數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見表3，使用兩種鋼軌時(shí)得到的水平荷載和鋼軌橫向位移曲線見圖4。由圖4可知，在水平荷載較低時(shí)，75 kg/m鋼軌對抵抗鋼軌傾翻發(fā)揮的作用不明顯，當(dāng)垂向荷載為150 kN、水平荷載為120 kN時(shí)，使用75 kg/m鋼軌與使用60 kg/m鋼軌產(chǎn)生的鋼軌橫移量分別為2.89 mm和3.63 mm，使用75 kg/m鋼軌后鋼軌橫移量降低了20.4%。因此在水平荷載較大時(shí)，75 kg/m鋼軌更有利于保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

表3 施加不同水平荷載時(shí)鋼軌軌頭橫向位移量

圖4 使用兩種鋼軌時(shí)鋼軌橫向位移與水平力關(guān)系曲線

2.4 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊

軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，通過調(diào)整試驗(yàn)機(jī)落錘的高度，可對鋼軌產(chǎn)生不同的沖擊力，在沖擊時(shí)測試落錘沖擊力、鋼軌振動(dòng)加速度、軌枕振動(dòng)加速度。該試驗(yàn)可模擬現(xiàn)場的振動(dòng)沖擊，得到鋼軌、軌枕的振動(dòng)響應(yīng)。調(diào)整落錘高度，使采用75 kg/m鋼軌與采用60 kg/m鋼軌得到相同的沖擊力100 kN，測試鋼軌、軌枕的振動(dòng)沖擊響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。與使用60 kg/m鋼軌相比，使用75 kg/m鋼軌后，鋼軌振動(dòng)加速度降低了4.2%，軌枕振動(dòng)加速度降低了8.3%，75 kg/m鋼軌對降低軌道結(jié)構(gòu)及部件的振動(dòng)沖擊有一定的作用。

表4 沖擊力為100 kN時(shí)兩種軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)

3 結(jié)語

采用75 kg/m鋼軌比采用60 kg/m鋼軌軌道結(jié)構(gòu)靜剛度增大了17.1%。當(dāng)施加于單股鋼軌的垂向荷載為150 kN時(shí)，使用75 kg/m鋼軌傳遞到路基表層的壓應(yīng)力降低了20.8%，中間支點(diǎn)分配荷載百分比降低了16.0%，使用75 kg/m鋼軌對降低路基表層壓應(yīng)力、分散集中荷載有明顯的作用。在水平荷載較低時(shí)，75 kg/m鋼軌對抵抗鋼軌傾翻發(fā)揮的作用不明顯，當(dāng)垂向荷載為150 kN、水平荷載為120 kN時(shí)，使用75 kg/m鋼軌后，鋼軌橫移量降低了20.4%;在水平荷載較大時(shí)，75 kg/m鋼軌更有利于保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在沖擊力同為100 kN時(shí)，使用75 kg/m鋼軌后，鋼軌振動(dòng)加速度降低了4.2%，軌枕振動(dòng)加速度降低了8.3%，降低了軌道結(jié)構(gòu)及部件受到的振動(dòng)沖擊。因此，采用75 kg/m鋼軌對改善軌道結(jié)構(gòu)受力狀況、提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減弱軌道受到的振動(dòng)沖擊具有積極作用。

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