林曉波

(中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司， 上海 201339)

新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究

林曉波

(中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司， 上海 201339)

本文針對(duì)既有國(guó)內(nèi)外嵌入式軌道存在軌距固定難、無(wú)縫線路溫度穩(wěn)定性不夠好、軌道板翹曲、維修難、建設(shè)費(fèi)用高、施工速度慢等缺點(diǎn), 研發(fā)了一款綜合現(xiàn)有嵌入式道床結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了上述缺點(diǎn)的新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)。新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)由道床板、槽型鋼軌、定位裝置密封套、螺栓、軌距調(diào)整塊、多孔自密實(shí)混凝土、縱向連接孔組成。板下和底座各有2條縱向凹槽，中間填充袋裝自密實(shí)砂漿，兩板通過(guò)螺桿連接。為了驗(yàn)證新型道床結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性，仿真建造了一塊1∶1道床。通過(guò)推力試驗(yàn)，檢驗(yàn)道床橫向抵抗力和對(duì)鋼軌的縱向板約束力。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型嵌入式道床橫向抵抗力大于198 kN，鋼軌的縱向約束力大于93 kN，完全滿足任何地段的使用要求。

新型； 嵌入式軌道； 試驗(yàn)

現(xiàn)有已知的嵌入式道床結(jié)構(gòu)主要是長(zhǎng)枕或短枕埋入式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是道床精度難以控制，維修困難，施工速度慢。1974年，荷蘭鐵路公司在混凝土橋上鋪設(shè)了一種嵌入式軌道結(jié)構(gòu)(ERS)，鋼軌放置凹槽中，軌距通過(guò)楔形塊調(diào)整，剩余空間填充聚氨酯和軟木屑組成的混合材料，為減少用量，鋼軌兩側(cè)還預(yù)先埋設(shè)空心管。通過(guò)40多年的運(yùn)用實(shí)踐證明，嵌入式軌道維修工作量小，減振降噪效果明顯[2]。近幾年，嵌入式軌道在歐洲國(guó)家得到一些運(yùn)用，出現(xiàn)了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)兩種形式?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)是預(yù)先將鋼軌套上高分子材料，然后分層現(xiàn)澆。板式結(jié)構(gòu)軌道板長(zhǎng)度約6 m，單塊重量大約12 t。從國(guó)內(nèi)外調(diào)研的情況看，現(xiàn)有嵌入式軌道存在軌距固定難、無(wú)縫線路的溫度穩(wěn)定性不夠好、軌道板翹曲、維修難、建設(shè)費(fèi)用高、施工速度慢等缺點(diǎn)[3]。針對(duì)現(xiàn)有嵌入式道床結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，本文提出了一款新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)綜合現(xiàn)有嵌入式道床結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了上述缺點(diǎn)。新結(jié)構(gòu)由框架嵌入式道床板、袋裝砂漿調(diào)整層、底座、中間綠化帶等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。道床的表面為草皮，下部有100 mm的種植土。土下是200 mm的砂濾層，砂下是單粒級(jí)的碎石層，由L型的預(yù)制板組成排水盲溝。

圖1 新型嵌入式軌道結(jié)構(gòu)圖

1 新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)部件作用

新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)由道床板、槽型鋼軌、定位裝置密封套、螺栓、軌距調(diào)整塊、多孔自密實(shí)混凝土、縱向連接孔組成。如圖2所示。

圖2 道床橫斷面

與現(xiàn)有的嵌入式結(jié)構(gòu)相比，其顯著特點(diǎn)是鋼軌在凹槽中有調(diào)軌組件，調(diào)軌組件由螺栓、多邊形的調(diào)整塊、壓緊塊和壓緊螺栓組成，對(duì)鋼軌位移和應(yīng)力起到限制和約束作用，方便施工和調(diào)整。且凹槽空間填充的是多孔自密實(shí)混凝土，有降噪和承受軌面荷載的作用。維修時(shí)只要鋸開鋼軌兩側(cè)的自密實(shí)混凝土，松開定位螺栓，鋼軌就可以更換。施工完畢后的鋼軌狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 施工完畢后的鋼軌狀態(tài)

為了便于施工，在道床板與底座之間通過(guò)袋裝砂漿調(diào)制層來(lái)調(diào)整高度。同時(shí)考慮限位作用，在軌道板底和底座之間各設(shè)置一個(gè)凹槽，并通過(guò)砂漿袋組成十字形狀，起到連接上下結(jié)構(gòu)和限制道床縱橫向位移的作用。

板與板之間通過(guò)螺桿連接，中間夾一層橡膠板，用于縱向緩解溫度應(yīng)力和調(diào)整變坡點(diǎn)轉(zhuǎn)角，使道床線形平順。

道床中心排水通過(guò)底座排水通道及底座PVC排水管排出。每塊軌道板的底座長(zhǎng)度小于軌道板長(zhǎng)度，留有80 mm的排水通道，底座上還設(shè)置有PVC排水管，能將道床中部雨水向兩側(cè)盲溝排放，如圖4所示。

圖4 道床縱斷面

2 嵌入式道床板

新型嵌入式道床板為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)凹槽內(nèi)有軌距調(diào)整定位預(yù)埋套管，板的兩端有聯(lián)系梁，中間有3個(gè)連接孔，外觀為框架型結(jié)構(gòu)，板底有凹槽。如圖5所示。

圖5 新型嵌入式道床板

設(shè)計(jì)上，無(wú)縫線路鋼軌溫度應(yīng)力處理方法是：(1)按照地區(qū)平均溫度設(shè)計(jì)，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)平均溫度時(shí)，說(shuō)明鋼軌當(dāng)前狀態(tài)長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)軌溫時(shí)的長(zhǎng)度，需要對(duì)膨脹量切割，然后焊接鋼軌。當(dāng)施工環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí)[4]，說(shuō)明當(dāng)前鋼軌長(zhǎng)度短于設(shè)計(jì)軌溫的長(zhǎng)度，需要對(duì)鋼軌一端約束，另一端進(jìn)行張拉，達(dá)到設(shè)計(jì)軌溫的長(zhǎng)度后進(jìn)行焊接。(2)如果環(huán)境出現(xiàn)極端溫度差，首先保證鋼軌不出現(xiàn)上拱，然后通過(guò)橡膠板縫進(jìn)行應(yīng)力釋放。因此，設(shè)計(jì)上在進(jìn)行軌道板平面布置時(shí)，板與板之間有10 mm的橡膠板縫，并通過(guò)3根縱向連接螺桿來(lái)平衡地基不均勻沉降導(dǎo)致的軌道不平順。

嵌入式軌道板直線地段長(zhǎng)度為4 990 mm，單塊重量為62.5 kN，曲線地段軌道板根據(jù)最小曲線半徑設(shè)計(jì)，外形為扇形，板長(zhǎng)2 000 mm左右。

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

為驗(yàn)證新道床結(jié)構(gòu)能夠抵抗列車運(yùn)行和溫度疊加產(chǎn)生的縱橫向應(yīng)力，保證列車運(yùn)行安全，需要做結(jié)構(gòu)的縱橫向阻抗試驗(yàn)。

3.1 小曲線半徑軌道橫向力計(jì)算

根據(jù)北京交通大學(xué)趙影，范俊杰給出的計(jì)算方法[5]，列車通過(guò)小曲線半徑時(shí)對(duì)軌道施加的橫向力為：

(1)

式中：H——軌道橫向力(kN/m);G——一個(gè)轉(zhuǎn)向架承擔(dān)的車體重量(kN);v——列車運(yùn)行速度(km/h);R——曲線半徑(m);h——曲線設(shè)置的外軌超高(mm)；s——線路鋼軌中心間距(mm)。

為了城市社會(huì)車輛通行，一般在平交轉(zhuǎn)彎地段有軌電車不設(shè)置外軌超高[6]。并且，有軌電車轉(zhuǎn)彎半徑較小，轉(zhuǎn)彎時(shí)運(yùn)行速度較慢。據(jù)此，假定有軌電車一個(gè)轉(zhuǎn)向架的重量全部作用在一塊軌道板上，曲線地段軌道板的長(zhǎng)度為2 000 mm，軌道板的重量為25 kN。轉(zhuǎn)向架的重量為120 kN，轉(zhuǎn)向架軸距距離為1 500 mm，轉(zhuǎn)彎曲線半徑為30 m。運(yùn)行速度為50 km/h，外軌超高為0 mm。列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的橫向力為78.74 kN/m。

3.2 無(wú)縫線路縱向溫度應(yīng)力

鋼軌溫度應(yīng)力按照下式計(jì)算：

P=EAσΔT

(2)

式中：P——鋼軌溫度應(yīng)力(N)；E——彈性模量(MPa);A——鋼軌截面積(mm2);σ——膨脹系數(shù)(℃)； ΔT——溫差(℃)。

由上式可知，無(wú)縫線路溫度應(yīng)力與鋼軌長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，與溫度變化有關(guān)。

彈性模量E=2.06×105MPa;槽型鋼軌R59截面積A=74.07 mm2；膨脹系數(shù)σ=1.18×10-5℃；最大溫差ΔT=50℃。根據(jù)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如果有50℃溫度變化，鋼軌產(chǎn)生的縱向力為9 kN。

4 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

通過(guò)給道床橫向施加外力，測(cè)試道床移動(dòng)瞬間抵抗外力的大小來(lái)確定結(jié)構(gòu)的約束能力。同理，通過(guò)給鋼軌端頭施加外力，來(lái)測(cè)試鋼軌調(diào)整組件和多孔自密實(shí)混凝土對(duì)溫度應(yīng)力和列車制動(dòng)應(yīng)力的約束能力。對(duì)此，開發(fā)了一套試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備由液壓千斤頂，測(cè)力傳感器，位移計(jì)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，DCS芯片，軟件共同組成。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)沒秒鐘記錄一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，將測(cè)試數(shù)據(jù)連線，組成測(cè)試應(yīng)力曲線和位移曲線。

4.2 道床橫向約束力試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方案

按照設(shè)計(jì)圖紙1∶1建造一塊道床板，分別在鋼軌端頭和道床中部設(shè)置反力樁。用千斤頂，測(cè)量傳感器、位移計(jì)組成的檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)千斤頂推動(dòng)到某個(gè)力值時(shí)，若鋼軌或道床發(fā)生了位移，即認(rèn)定此力值為阻抗力或約束力[7]。

(2)試驗(yàn)方法

在道床板中部安裝1個(gè)千斤頂和1個(gè)測(cè)力傳感器，對(duì)面安裝3只位移傳感器，測(cè)試中3只位移計(jì)中任何1只發(fā)生移動(dòng)即停止試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 道床橫向抵抗力試驗(yàn)

(3)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)檢驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)記錄的力值和位移曲線可知，道床橫向推力達(dá)到198.76 kN時(shí)最大位移值為0.3 mm，如圖7所示。

圖7 橫向推力試驗(yàn)自動(dòng)記錄曲線

4.3 鋼軌縱向約束力試驗(yàn)

鋼軌縱向約束力試驗(yàn)方法：在鋼軌頭中部安裝1個(gè)千斤頂和1個(gè)測(cè)力傳感器，對(duì)面安裝3只位移計(jì)，其中2只安裝在被推的鋼軌上，1只安裝在側(cè)面記錄移動(dòng)趨勢(shì)。鋼軌縱向約束力試驗(yàn)如圖8所示, 鋼軌縱向約束力試驗(yàn)位移安裝部位如圖9所示。

圖8 鋼軌縱向約束力試驗(yàn)

圖9 鋼軌縱向約束力試驗(yàn)位移安裝部位

通過(guò)檢驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)記錄的力值和位移曲線可知，鋼軌縱向推力達(dá)到93.29 kN時(shí)最大位移值為0.3 mm如圖10所示。

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1)新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)橫向約束力最大值為198 kN，大于列車通過(guò)小曲線半徑施加給道床的橫向力，結(jié)構(gòu)安全。

圖10 縱向推力試驗(yàn)自動(dòng)記錄曲線

(2)新型嵌入式道床結(jié)構(gòu)對(duì)鋼軌的縱向約束力最大值為93 kN，滿足極差溫度應(yīng)力和列車緊急制動(dòng)產(chǎn)生的縱向力要求，結(jié)構(gòu)安全。

[1] 王志文，張百歲.淺析鋼軌嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，34(2)：62. WANG Zhiwen, ZHANG Baisui. Analysis on the application of the embedded rail track structure[J]. Shandong Industrial Technology, 2015, 34(2): 62.

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(編輯：劉會(huì)娟 劉彥琳)

Research on Performance Test of a New Embedded Ballast Structure

LIN Xiaobo

(China Railway 23rd Bureau Group Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201339， China)

A new embedded ballast structure is researched and developed in the paper, which combining the advantages of the existing structure and overcomes the shortcomings of existing structure such as the slow construction speed, low accuracy, running vibration noise and the difficulty in maintenance. The new type of embedded ballast structure consists of ballast bed, channel rail, gauge adjusting block and porous self-compacting concrete. The bottom plate and the base are respectively with two longitudinal grooves, which are filled with the bagging self compacting mortar. The screws connect the two plates. In order to verify the dynamic stability of the new structure, the simulation ballast is constructed with a scale of 1:1. Through the thrust test to check lateral resistance and longitudinal resistance of the ballast, it shows that when the lateral resistance is greater than 198kN, the longitudinal resistance is greater than 93kN, which fully meets the use requirement of curve with small radius and any section.

a new type; embedded track; test

2016-07-01

林曉波(1963-)，男，工程師。 基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZ0081)

1674—8247(2016)06—0044—04

U213.2

A