趙振航，沈毓婷，魏強，江萬紅，耿浩，李成輝

(1.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都，610031；2.中國鐵路總公司 工程管理中心,北京，100038；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都，610031)

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，為適應不同地質(zhì)條件及環(huán)境需求，研發(fā)了多種型式的軌道結構。TB 10621—2014“高速鐵路設計規(guī)范”[1]中規(guī)定在特殊區(qū)域，如鐵路穿越活動斷裂帶的野生動物保護區(qū)時，需要考慮鋪設具有減振性能的有砟軌道。目前有砟軌道減振措施主要是鋪設具有減振性能的軌枕(如彈性軌枕、復合軌枕)、鋪設道砟墊及固化道床等。復合軌枕于20世紀90年代在美國興起，最初是為了代替日益減小的木枕，經(jīng)過高校、鐵路公司、廠家等組成的團隊不斷研究而生產(chǎn)，復合軌枕主要以廢舊輪胎、塑料等為原料，以玻璃纖維絲為加勁物輔以化學添加劑而制成，具有質(zhì)量輕、高彈性、阻尼大、線膨脹系數(shù)大、在潮濕或昆蟲、菌類環(huán)境下不易降解等特性。目前，復合軌枕在美國、澳大利亞、印度等國進行了鋪設，在國內(nèi)應用較少，僅在山西中南部通道鋪設了 1 km試驗段[2]。目前，各國學者針對復合軌枕進行了較多研究。復合軌枕為熱塑性材料，受溫度影響較大，LOTFY等[3-5]測試了不同溫度下復合軌枕的彈性模量、極限應變等參數(shù)，同時測試了螺紋道釘?shù)目拱魏涂辜粜阅?，為與復合軌枕配套的螺紋道釘提供設計使用依據(jù)。段海濱[2]建立了動力學模型，分析復合軌枕有砟軌道的動力響應。VIJAY等[6]對復合軌枕進行了疲勞試驗，得出了復合軌枕疲勞性能良好。以往的研究對復合軌枕軌道的研究多為材料性能分析，動力性能研究多為理論分析，試驗研究較少。為了深入研究復合軌枕有砟軌道動力特性，本文作者建立復合軌枕有砟軌道實尺模型，通過落軸激勵試驗，分析其動力特性，為有砟減振軌道結構的應用提供技術支持。

1 試驗

1.1 模型鋪設

為了能較好地說明復合軌枕有砟軌道動力性能，試驗中也鋪設了較為成熟的彈性軌枕有砟軌道進行對比。以往的研究中，有砟軌道承受列車垂向荷載，軌道鋪設5根軌枕進行受力分析。為保證試驗結果準確，同時節(jié)省試驗成本，試驗中，2種軌枕數(shù)量均為6根。實驗前對道砟進行清洗，保證其性能要求。模型的鋪設按照現(xiàn)場施工要求，2種軌道結構道砟的夯實、搗鼓方法均相同，道砟截面尺寸滿足我國350 km/h有砟軌道要求[7]。復合軌枕有砟軌道主要由CHN60鋼軌、彈條Ⅱ分開式扣件、復合軌枕、一級道砟、道砟墊組成，彈性軌枕有砟軌道扣件采用彈條Ⅱ型扣件、軌枕由Ⅲ混凝土枕+枕下膠墊組成，其他結構與復合軌枕軌道相同。

1.2 試驗方法及工況

本次試驗采用落軸沖擊的方法，該方法能很好地測試不同沖擊下軌道結構的動力特性，許多學者[8-14]也采用該方法測試了 CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ板式，雙塊式無砟軌道及Ⅲ型枕、Ⅱ型枕有砟軌道的動力特性。

引起輪軌相互作用過大的原因主要是由于車輪存在扁疤或鋼軌存在短波不平順。根據(jù)文獻[15]的計算公式，以CRH2型車為例，假設其車輪存在35 mm扁疤，計算對應的落軸高度約為20 mm。因此，本文選取落軸高度20 mm為典型工況，另外增加10 mm和30 mm高度作為對比試驗，每個高度測試均不少于6次。

1.3 試驗內(nèi)容

本試驗為通過落軸激勵，測試復合軌枕和彈性軌枕有砟軌道的動力性能，主要的測試內(nèi)容從上到下依次為鋼軌的應變、加速度、軌枕加速度、道床加速度、基礎加速度，具體的布點如圖1所示。2種軌道的測點布置保證完全相同，可以方便地進行對比分析。

圖1 測點布置圖Fig.1 Measuring point layouts

2 試驗結果及分析

2.1 加速度時程曲線

圖2 加速度時程曲線圖(落軸高度20 mm)Fig.2 Time histories of accelerations (wheel-drop load of height of 20 mm)

落軸沖擊下軌道各結構的加速度時程曲線如圖2所示。通過圖2(a)鋼軌加速度時程曲線可以看出：輪對對2種軌道結構的鋼軌均有2次明顯的沖擊，第1次沖擊作用下復合軌枕鋼軌加速度最大值為 252.57g(g為重力加速度，g=9.81 m/s2)，彈性軌枕鋼軌加速度最大值為217.42g。復合軌枕鋼軌加速度最大值雖然比彈性軌枕的大，但衰減較快，到第2次沖擊前基本衰減為0 m/s2。由圖2(b)～(d)可以看出：在落軸激勵下，2種軌道軌枕的加速度峰值相差不大，彈性軌枕加速度衰減略快；彈性軌枕的道床加速度峰值為7.36g，略大于復合軌枕道床加速度的峰值5.26g，彈性軌枕的道床加速度衰減也較快；同樣，彈性軌枕的基礎加速度峰值也略大于復合軌枕基礎的峰值，2種結構下基礎的衰減均較慢。

2種軌道結構表現(xiàn)出來的動力特性與其各自的結構特點(如質(zhì)量、鋼軌、阻尼等)密切相關。復合軌枕質(zhì)量僅為彈性軌枕的1/3左右，軌道結構參振質(zhì)量比彈性軌枕的小，受到落軸沖擊后對鋼軌的沖擊大，使得鋼軌的加速度峰值較大。而復合軌枕內(nèi)含有橡膠成分和高密度聚乙烯等高分子材料，其結構阻尼較大，各種材料的模量不同，當承受相同應力時，應變不同，會形成相對應變，增加耗能，因此，復合軌枕會消耗大量的能量，對下部結構(如道床、基礎)起到隔振的作用，減小道床和基礎的振動。

2.2 落軸高度影響

為分析不同沖擊下，各結構的動力響應，測試了10，20和30 mm落軸高度下鋼軌、軌枕、道床、基礎的加速度最大值，如圖3所示(平均值為6次測試的最大值的平均值)。由圖3可知：隨著落軸高度的增大，2種軌道鋼軌、軌枕、道床和基礎的加速度最大值均有所增大；3種落軸高度下復合軌枕軌道鋼軌和軌枕的加速度均比相同高度下彈性軌枕軌道的大，而道床和基礎加速度則比彈性軌枕軌道的小。從加速度最值來看，與彈性軌枕軌道相比，復合軌枕軌道更有利于減小對道床的沖擊，對基礎減振效果更好。

2.3 頻域分析

圖3 不同落軸高度加速度最值和均值圖Fig.3 The maximum values and mean values of accelerations under different wheel-drop load heihgts

圖4 1/3倍頻程加速度級Fig.4 One-third octave vertical frequency-weighted vibration acceleration level

參照文獻[8]中計算公式，得到軌道各結構1/3倍頻程加速度級如圖4所示。由圖4(a)可知：在1～2 500 Hz時，復合軌枕鋼軌加速度級均比彈性軌枕的小，尤其是在1～10 Hz時，復合軌枕鋼軌加速度級遠比彈性軌枕的低；在2 500～3 150 Hz時，2種軌道鋼軌加速度級相差很小。由此可見，在落軸沖擊下，復合軌枕有砟軌道會顯著降低鋼軌的低頻振動。由圖4(b)可知：在1～16 Hz時，復合軌枕加速度級比彈性軌枕的大；在16～2 000 Hz時，復合軌枕加速度級有大于或小于彈性軌枕加速度級的情況；在2 000 Hz后，2種軌枕加速度級均迅速減小，2種軌枕振動主要集中在2 000 Hz以下。從圖4(c)和(d)可以看出：在2 000 Hz以下，2種軌道道床加速度級相差不大，變化趨勢也相同，在2 000 Hz后，復合軌枕道床加速度級迅速減??；在1～10 Hz時，復合軌枕基礎加速度級遠比彈性軌枕的小，在10 Hz后，2種軌道基礎加速度級相差不大。

由上述分析可知，2種軌道結構動力特性差異主要表現(xiàn)在1～10 Hz范圍內(nèi)，該頻段內(nèi)，復合軌枕振動能量較大，明顯減小了復合軌枕軌道的鋼軌和基礎振動。對比2種有砟減振軌道，在1～10 Hz范圍內(nèi)，復合軌枕有砟軌道對基礎的減振效果優(yōu)于彈性軌枕有砟軌道對基礎的減振效果，當大于10 Hz時，2種軌道的減振效果相近。

圖5 傳遞函數(shù)Fig.5 Transfer functions

傳遞函數(shù)可以分析軌道結構的振動傳遞特性[9]，圖5所示為鋼軌-軌枕、鋼軌-道床的傳遞函數(shù)。由圖5可知：2種軌道結構的鋼軌-軌枕和鋼軌-道床傳遞函數(shù)差異主要也表現(xiàn)在1～10 Hz范圍內(nèi)，在該頻段內(nèi)，復合軌枕有砟軌道的鋼軌振動小，軌枕振動大，因此，復合軌枕有砟軌道鋼軌-軌枕傳遞函數(shù)明顯比彈性軌枕軌道的高；2種軌道道床振動雖相差不大，但復合軌枕有砟軌道的鋼軌-道床傳遞函數(shù)也明顯比彈性軌枕軌道的高。在10 Hz以上時，2種軌道的鋼軌-軌枕和鋼軌-道床傳遞函數(shù)趨勢相同，大小也相差較小。

3 軌道動剛度和阻尼

根據(jù)振動理論，利用落軸試驗可以測試軌道結構的整體動剛度和阻尼，落軸試驗計算軌道結構整體動剛度和阻尼的公式如下：

式中：K為軌道結構整體動剛度；W為輪對重力；ζ為臨界阻尼系數(shù)比；C為軌道結構整體阻尼系數(shù)；t0為沖擊力持續(xù)時間。ζ可由沖擊速度和反彈速度求得，具體公式如下：

本次試驗輪對重力W為12 kN，t0和T1可以由落軸沖擊下鋼軌的應變時程曲線獲取(如圖6所示)，將已知參數(shù)代入式(1)和(2)即可求得不同落軸高度下軌道結構的動剛度和阻尼，如圖7和圖8所示。

由圖7可知：2種軌道的動剛度均較低，這主要由2方面原因決定，其一為本身性質(zhì)，2種軌道結構均具有較好的彈性，彈性軌枕有砟軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)、枕下膠墊、道床、道砟墊提供，復合軌枕有砟軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)、復合軌枕、道床、道砟墊提供；其二為施工質(zhì)量，本次室內(nèi)試驗雖對道砟均進行了分層夯實及搗鼓，但密實度與現(xiàn)場仍有一定差距，因此，也會影響軌道動剛度。在不同高度沖擊下，彈性軌枕有砟軌道動剛度較為穩(wěn)定，約為38 kN/mm，隨著高度的增加，復合軌枕有砟軌道動剛度略有增加，由28 kN/mm增加到32 kN/mm。由圖8可知：復合軌枕有砟軌道阻尼比彈性軌枕軌道的略大，不同落軸高度下復合軌枕有砟軌道阻尼為170～195 kN·s/m，彈性軌枕有砟軌道阻尼為146～178 kN·s/m。

圖6 鋼軌應變時程曲線Fig.6 Time history of impact strain of rail

圖7 軌道結構動剛度Fig.7 Dynamic stiffness of track structure

圖8 軌道結構阻尼Fig.8 Damping of track structure

4 結論

1) 隨著落軸高度的增大，2種軌道動力響應均有所增大；對比2種軌道，復合軌枕有砟軌道鋼軌加速度較大，衰減快；2種軌道軌枕加速度相近；復合軌枕有砟軌道道床和基礎加速度略小，道床衰減較快；2種軌道基礎加速度均衰減較慢。

2) 在1～10 Hz范圍內(nèi)，復合軌枕振動能量較大，減小了其軌道鋼軌和基礎的振動，使得2種軌道動力特性差異較大，故復合軌枕有砟軌道減振效果優(yōu)于彈性軌枕有砟軌道減振效果；在10 Hz以上時，2種軌道的減振效果相近。

3) 2種軌道結構均由多層結構提供彈性，因此彈性較好，使得動剛度均較小。復合軌枕有砟軌道動剛度為28～32 kN/mm，彈性軌枕有砟軌道動剛度約為38 kN/mm；復合軌枕有砟軌道阻尼略大于彈性軌枕軌道阻尼，復合軌枕有砟軌道阻尼為170～195 kN·s/m，彈性軌枕有砟軌道阻尼為146～178 kN·s/m。