楊全亮

(鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038)

無(wú)砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法研究

楊全亮

(鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038)

無(wú)砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力既是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),也是相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中一項(xiàng)必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),需要采取科學(xué)準(zhǔn)確的方法加以測(cè)定。通過(guò)對(duì)常用扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法的系統(tǒng)分析,提出以恒定位移速率方式施加拉力荷載作為測(cè)試無(wú)砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力的改進(jìn)方法,并通過(guò)具有代表性的WJ-8型和W300-1型無(wú)砟軌道小阻力扣件的測(cè)試驗(yàn)證,為《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制提供支撐。

無(wú)砟軌道小阻力扣件;鋼軌縱向阻力;測(cè)試方法

1 概述

由于混凝土道床保持幾何形位能力較強(qiáng),線(xiàn)路縱向阻力一般由扣件鋼軌縱向阻力確定。為避免傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)的鋼軌縱向阻力過(guò)大,在鋪設(shè)無(wú)砟軌道的大跨度橋梁上一般采用小阻力扣件。小阻力扣件鋼軌縱向阻力既是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[1],同時(shí)也是鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、鐵路產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中一項(xiàng)必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),需要采取科學(xué)準(zhǔn)確的方法加以測(cè)定。

目前,小阻力扣件鋼軌縱向阻力主要通過(guò)測(cè)試手段獲得。常用的測(cè)試加載方法主要有:第一種采用推鋼軌的方式加載,但由于難以保證荷載作用線(xiàn)與鋼軌軸線(xiàn)完全一致,試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大;第二種采用拉鋼軌的方式加載,雖然解決了荷載作用力方向和鋼軌滑移方向不一致的問(wèn)題,但采用恒定加載速率方式加載,在鋼軌滑移時(shí)荷載不斷變化,難以準(zhǔn)確讀取扣件鋼軌縱向阻力值?？梢?jiàn),上述方法都存在一定局限性,有必要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制工作,就如何有效改進(jìn)小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究,進(jìn)一步提高測(cè)試結(jié)果的精度。

2 常用的扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法分析

扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法,按照荷載種類(lèi)可以分為推力和拉力,按照加載方式可以分為逐級(jí)加載、恒定加載速率加載和恒定位移速率加載。通過(guò)對(duì)不同測(cè)試方法進(jìn)行分析,提出改進(jìn)小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試的有效方法。

2.1 按照荷載種類(lèi)分類(lèi)

2.1.1 推力(推鋼軌方式)

與美國(guó)、澳大利亞等國(guó)的測(cè)試方法相似,我國(guó)早期的扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試采用推力作為測(cè)試荷載,即測(cè)試時(shí)用扣件將鋼軌組裝在錨定的軌枕上,以(10±1) kN/min的加載速率向鋼軌施加推力,記錄荷載和鋼軌縱向位移值,當(dāng)鋼軌產(chǎn)生滑移時(shí)記錄的荷載值為扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試值。

荷載為推力時(shí),難以保證荷載作用線(xiàn)與鋼軌軸線(xiàn)始終重合,加載過(guò)程中容易出現(xiàn)鋼軌偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,從而造成測(cè)得的扣件鋼軌縱向阻力值不準(zhǔn)確且離散性大。因此,采用推力作為測(cè)試荷載在國(guó)內(nèi)已很少使用。

2.1.2 拉力(拉鋼軌方式)

為了有效克服采用推力加載的不足,扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試中已更多地采用拉力作為測(cè)試荷載。EN13146-1.2002《鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》[2]中的有關(guān)規(guī)定:測(cè)試時(shí)用扣件將鋼軌組裝在錨定的軌枕上,以(10±5)kN/min的加載速率向鋼軌一端施加大小為(2.5±0.3)kN的拉力,并保持30s;然后逐級(jí)加載,荷載增量為(2.5±0.3)kN,每級(jí)荷載保持30s;當(dāng)鋼軌在扣件組裝中出現(xiàn)滑移或荷載超出扣件性能要求4倍時(shí)迅速卸載并連續(xù)測(cè)定鋼軌位移2 min;重復(fù)上述過(guò)程3次,繪出荷載-位移曲線(xiàn)圖,棄用第一個(gè)測(cè)試值,將后3次測(cè)試平均值作為扣件鋼軌縱向阻力值。

荷載為拉力時(shí),能夠保證荷載作用線(xiàn)與鋼軌軸線(xiàn)重合,加載過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)鋼軌偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性高且不離散。因此,我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)扣件暫行技術(shù)條件中明確,測(cè)試無(wú)砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力時(shí)采用拉力作為測(cè)試荷載。

2.2 按照加載方式分類(lèi)

2.2.1 逐級(jí)加載方式

由于采用逐級(jí)加載方式時(shí)荷載具有跳躍性,在荷載增量之間可能發(fā)生滑移,對(duì)導(dǎo)致滑移的臨界荷載值進(jìn)行判斷較為困難,有可能造成扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試值偏大,難以保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確和不離散。2012年修訂的EN13146-1.2012《鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》[3]中取消了逐級(jí)加載方式。

2.2.2 恒定加載速率方式

當(dāng)采用恒定加載速率方式加載時(shí),鋼軌與橡膠墊板和絕緣塊(片)之間的摩擦力在鋼軌出現(xiàn)滑移的同時(shí)由靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力,在荷載-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為荷載突然減小產(chǎn)生波尖(圖1)。在鋼軌出現(xiàn)滑移后,荷載繼續(xù)增大,拉力和鋼軌滑動(dòng)摩擦力作用下的合力對(duì)鋼軌產(chǎn)生加速度,在荷載-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為鋼軌縱向滑移曲線(xiàn)發(fā)生上揚(yáng)(圖1)?？梢钥闯?由于在鋼軌滑移過(guò)程中荷載不斷變化,無(wú)法準(zhǔn)確讀取鋼軌縱向阻力值。

圖1 恒定加載速率加載荷載-位移曲線(xiàn)

2.2.3 恒定位移速率方式

為了克服恒定加載速率方式加載無(wú)法準(zhǔn)確讀取鋼軌縱向阻力值的不足,改用恒定位移速率方式進(jìn)行加載。在鋼軌滑移過(guò)程中,始終保持滑移速度恒定,即鋼軌處于受力平衡狀態(tài),此時(shí)施加的拉力就等于扣件鋼軌縱向阻力值。因此,恒定位移速率方式進(jìn)行加載可以作為改進(jìn)小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試的有效方法。

3 鋼軌縱向阻力測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試方法的適用性,選取具有代表性的無(wú)砟軌道小阻力扣件:WJ-8型小阻力扣件(采用X2彈條和復(fù)合墊板)和W300-1型小阻力扣件(采用SKL 15LT彈條),進(jìn)行了鋼軌縱向阻力測(cè)試驗(yàn)證工作。

測(cè)試過(guò)程中采用拉力作為測(cè)試荷載,測(cè)試工裝布置如圖2所示,分別采用恒定加載速率方式和恒定位移速率方式進(jìn)行加載并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試工裝布置示意

恒定加載速率方式加載按照EN13146—1.2012《鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》進(jìn)行。以10 kN/min加載速率向鋼軌的一端施加拉力,從加載循環(huán)開(kāi)始,自動(dòng)測(cè)定荷載及鋼軌相對(duì)軌枕的縱向位移。當(dāng)鋼軌出現(xiàn)滑移時(shí),迅速卸載。重復(fù)上述加/卸載過(guò)程3次,繪出每次加/卸載循環(huán)的荷載-位移曲線(xiàn)。

采用恒定位移速率方式加載時(shí),保持鋼軌滑移速度為2 mm/min。從加載循環(huán)開(kāi)始,自動(dòng)測(cè)定荷載及鋼軌相對(duì)軌枕的縱向位移。當(dāng)鋼軌出現(xiàn)滑移時(shí),迅速卸載。重復(fù)上述加/卸載過(guò)程3次,繪出每次加/卸載循環(huán)的荷載-位移曲線(xiàn)。

按照恒定加載速率方式和恒定位移速率方式分別測(cè)試WJ-8型和W300-1型小阻力扣件鋼軌縱向阻力,測(cè)試數(shù)值見(jiàn)表1、表2,荷載-位移曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。

___________表1 恒定加載速率方式測(cè)試數(shù)值__kN

___________表2 恒定位移速率方式測(cè)試數(shù)值__kN

圖3 恒定加載速率方式荷載-位移曲線(xiàn)

如圖3所示,采用恒定加載速率方式加載時(shí),鋼軌滑移過(guò)程中荷載不斷增大,從開(kāi)始滑移到卸載時(shí),荷載增量達(dá)到0.8 kN,無(wú)法準(zhǔn)確讀取實(shí)際的鋼軌縱向阻力值。同時(shí),通過(guò)表1可以看出,同一組扣件3次重復(fù)測(cè)試中讀取的鋼軌縱向阻力值差異較大,結(jié)果最大偏差達(dá)到0.4 kN。

相比之下,采用恒定位移速率方式加載時(shí),鋼軌滑移過(guò)程中荷載較為穩(wěn)定(圖4),可準(zhǔn)確讀取實(shí)際的鋼軌縱向阻力值,且同一組扣件3次重復(fù)測(cè)試中讀取的鋼軌縱向阻力值差異較小,結(jié)果最大偏差達(dá)到0.2 kN。

圖4 恒定位移速率方式荷載-位移曲線(xiàn)

4 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制情況

在充分的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上,鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》[4]報(bào)批稿中關(guān)于無(wú)砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測(cè)試加載的規(guī)定如下。

以恒定(2±0.1)mm/min的加載速率向鋼軌的一端施加荷載。從加載循環(huán)開(kāi)始,自動(dòng)測(cè)定荷載及鋼軌相對(duì)軌枕的縱向位移。當(dāng)鋼軌出現(xiàn)滑移時(shí),迅速將荷載卸到零。試驗(yàn)中對(duì)扣件不得進(jìn)行任何方式的拆卸或調(diào)整,重復(fù)上述加/卸載過(guò)程3次,每次卸載后停留3 min再繼續(xù)加載,繪出每次加/卸載循環(huán)的荷載-位移曲線(xiàn)。

5 結(jié)論

對(duì)鋼軌施加拉力保證了荷載作用線(xiàn)與鋼軌軸線(xiàn)一致,避免了鋼軌偏轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)試的影響;恒定位移速率方式進(jìn)行加載,解決了恒定加載速率方式加載產(chǎn)生加速度、無(wú)法準(zhǔn)確讀取阻力值的問(wèn)題,并且保證了測(cè)試的可重復(fù)性。綜上所述,以恒定位移速率方式施加拉力荷載可作為測(cè)試小阻力扣件鋼軌縱向阻力的有效方法。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10015—2012鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2013.

[2] 歐洲標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)CEN/TC256.EN 13146—1.2002鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定[S].英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(BSI),2002.

[3] 歐洲標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)CEN/TC256.EN 13146—1.2012鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定[S].英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(BSI),2012.

[4] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定(報(bào)批稿)[S].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,2012.

[5] 趙國(guó)堂.高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社, 2006.

[6] 王其昌.無(wú)砟軌道鋼軌扣件[M].成都:西南交通大學(xué)出版社, 2006.

[7] 楊艷麗.WJ-7、WJ-8型扣件縱向阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(2):51-52.

[8] 肖俊恒,趙汝康,杜功立.高架橋無(wú)砟軌道用小阻力彈性扣件的研究設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑,2002(7):18-19.

[9] 蔣金洲,盧耀榮.我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋上無(wú)縫線(xiàn)路采用小阻力扣件的建議[J].鐵道建筑,2007(11):90-93.

Study on the Test Method of Rail Longitudinal Resistance of Small-resistance Fastening System for Ballastless Track

YANG Quan-liang
(Economic and Planning Research Institute of the Ministry of Railways,Beijing 100038,China)

Rail longitudinal resistance of small-resistance fastening system for ballastless track is not only a key design parameter for track structure,but also a necessary basic datum in some standards concerned,and should be tested with a reasonable and accurate method.The systematic analysis of the test method for rail longitudinal resistance of some common fastenings suggests a method improved by using tension in even velocity for rail longitudinal resistance of small-resistance fastening system for ballastless track.The method is verified by practical tests on Type WJ-8 and Type W300-1 smallresistance fastening systems for ballastless track,and supports the compiling of such standards as Test Methods for Fastening Systems of High-speed Railway,Part 1:Determination of Rail Longitudinal Resistance.

Small-resistance fastening system for ballastless track;Rail longitudinal resistance; Test method

U213.2+44;U213.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.005

1004-2954(2014)12-0018-03

2014-07-31;

2014-08-19

楊全亮(1982—),男,工程師,2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè),工學(xué)碩士,E-mail:railwaycn@sina.com。