路宏遙，婁小強(qiáng)，張澤群，王凱超，要會(huì)濤

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

0 引言

鐵路是國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施和交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中扮演著重要的角色。我國(guó)高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)總里程到2025 年預(yù)計(jì)將達(dá)到3.8 萬(wàn)km，覆蓋全國(guó)大部分大中城市［1］。高速鐵路的重心已經(jīng)逐漸從建設(shè)階段向運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段過(guò)渡，面對(duì)大規(guī)模的投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路線路，應(yīng)當(dāng)怎樣科學(xué)有效地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，保持其安全性與可靠性，也成為鐵道工程專(zhuān)業(yè)理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容［2-3］。

目前，鐵道工程基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)是我院鐵道工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中的重要一環(huán)，其主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在運(yùn)營(yíng)階段的檢測(cè)、維護(hù)等方面的綜合素質(zhì)，使他們以后在今后的工作中能夠從事軌道設(shè)計(jì)、施工與維修工作，具備解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的能力［4］。然而，區(qū)別于傳統(tǒng)的有砟碎石道床結(jié)構(gòu)的鐵路，現(xiàn)階段高速鐵路多采用混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，線路整體縱向剛度更加均勻。作為暴露在自然條件下的多層混凝土結(jié)構(gòu)，線路在服役過(guò)程中更容易受到溫度等氣象參數(shù)的影響［5］，造成不同層間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形，出現(xiàn)層間剪切破壞與離縫掉塊等問(wèn)題，影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性［6］。傳統(tǒng)鐵道工程的教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)中并未能充分考慮高速鐵路無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修方法與既有普速鐵路的差異性，主要還是通過(guò)理論知識(shí)的講解為主，有效的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展與建模仿真工作受到條件的限制未能有效開(kāi)展，存在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生參與度較低，絕大多數(shù)的學(xué)生往往是被動(dòng)接受專(zhuān)業(yè)知識(shí)等問(wèn)題［7-8］。為適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)高等教育人才在解決問(wèn)題時(shí)理論知識(shí)的運(yùn)用與實(shí)際動(dòng)手能力的結(jié)合能力，需要在教學(xué)過(guò)程中更加注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方式的創(chuàng)新［9-10］。

根據(jù)鐵路工務(wù)部門(mén)所關(guān)注的實(shí)際問(wèn)題，軌道檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新地將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與建模仿真相結(jié)合，形成了一種包含學(xué)生主動(dòng)參與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)與建模仿真的教學(xué)方式，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，有效地提高了教學(xué)的質(zhì)量與效果。

1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與維修方法

1.1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以我國(guó)華東地區(qū)應(yīng)用較廣泛的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)自上而下是由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、砂漿層和支承層等組成，如圖1 所示。相鄰軌道板之間通過(guò)縱向鋼筋相互連接，用來(lái)抵抗軌道結(jié)構(gòu)的縱橫向作用力。軌道板與砂漿層之間選用水泥乳化瀝青作為填充層，可保證列車(chē)荷載在垂向的均勻至下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 無(wú)砟軌道常見(jiàn)病害類(lèi)型

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露于自然條件中，隨著氣象參數(shù)的改變，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。然而無(wú)砟道床結(jié)構(gòu)傳熱性能相對(duì)較差，不同深度的溫度變化相對(duì)于表面存在一定的滯后性，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部上易產(chǎn)生非線性的溫度梯度，造成縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)不同層間出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂與離縫等問(wèn)題，影響軌道結(jié)構(gòu)的可靠性與耐久性，降低其服役性能［11］。圖2 所示為某運(yùn)行線路軌道板與砂漿層之間脫粘，產(chǎn)生離縫病害，極大影響列車(chē)運(yùn)行的安全。

圖2 無(wú)砟軌道常見(jiàn)離縫病害

1.3 無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修方法

為防止層間傷損病害等的發(fā)生，工務(wù)部門(mén)通常采用植入鋼筋的方法對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。植筋錨固的主要作用在于通過(guò)增加界面的斷裂韌度和剪切強(qiáng)度，以提供限制產(chǎn)生軌道板過(guò)大上拱的豎向約束力［12］。植筋錨固的方式是從軌道板的上表面鉆孔并穿過(guò)砂漿層至支承層并插入剪力筋。剪力筋周?chē)蜕喜康目障队弥步钅z密封住，植筋方法如圖3 所示。

圖3 植筋工藝示意圖（mm）

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)試塊設(shè)計(jì)

為模擬荷載作用下無(wú)砟軌道剪切破壞的過(guò)程與植筋工藝對(duì)層間抗剪切性能的影響，引導(dǎo)學(xué)生充分利用既有實(shí)驗(yàn)裝置，搭建小比例實(shí)驗(yàn)試塊模型。學(xué)生結(jié)合先前理論課程所學(xué)，掌握無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的材料配合比后，依次在尺寸為100 mm ×100 mm ×300 mm的模具逐層澆筑軌道板、砂漿層與支承層材料，并在合適的溫度條件下充分養(yǎng)護(hù)［13］。同時(shí)，為考慮植筋后對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響，對(duì)比在另一試塊中心預(yù)埋入一根直徑為8 mm，長(zhǎng)度為250 mm 的鋼筋進(jìn)行模擬植筋情況?；炷恋臄嚢?、砂漿層的配比、鋼筋預(yù)埋與模型混凝土養(yǎng)護(hù)等工作，要求學(xué)生合理分組且全過(guò)程參與，所澆筑的實(shí)驗(yàn)試塊如圖4 所示。

圖4 混凝土試塊

2.2 實(shí)驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室既有試驗(yàn)機(jī)為通用類(lèi)材料的拉壓試驗(yàn)裝置，無(wú)法直接進(jìn)行材料的剪切實(shí)驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道層間抗剪切性能的模擬，指導(dǎo)專(zhuān)業(yè)學(xué)生結(jié)合所澆筑的混凝土試塊尺寸，設(shè)計(jì)合適的抗剪工裝［14］。學(xué)生充分考慮實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要并進(jìn)行材料強(qiáng)度受力分析后，設(shè)計(jì)了包含厚度為20 mm 的不銹鋼主平臺(tái)與可調(diào)節(jié)加載支撐頭等組成的剪切實(shí)驗(yàn)工裝。通過(guò)在主平臺(tái)設(shè)置凹槽，安放T 型支撐塊，可實(shí)現(xiàn)支撐塊上放置實(shí)驗(yàn)試塊，并通過(guò)插銷(xiāo)連接桿實(shí)現(xiàn)T型支撐塊鎖緊。試驗(yàn)機(jī)上部根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要安裝可更換相應(yīng)尺寸的支撐頭，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中或者應(yīng)力分散的需求，圖5 所示為新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工裝。

圖5 新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工裝

2.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)試塊澆筑養(yǎng)護(hù)完成后，放置于所設(shè)計(jì)的工裝上完成固定，通過(guò)加載支撐頭對(duì)試塊進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道不同層間剪切破壞的模擬。學(xué)生依次將有植入鋼筋和無(wú)植入鋼筋的兩個(gè)試塊在相同的條件下進(jìn)行加載，直至試塊剪切破壞停止加載，某組試件破壞前后的情況如圖6 所示。

分析并統(tǒng)計(jì)不同試塊受力與變形的曲線，得到有無(wú)植入鋼筋時(shí)試塊剪切破壞特征。圖7 所示分別為內(nèi)部無(wú)鋼筋和內(nèi)部植入鋼筋的試塊破壞曲線，對(duì)比可知，內(nèi)部植入鋼筋后結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力明顯增強(qiáng)，約提高了16.3 kN。這也間接說(shuō)明了通過(guò)在無(wú)砟軌道合適位置植筋，可有效提高結(jié)構(gòu)的整體性與抗剪性能，有效減少結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生。學(xué)生親自動(dòng)手試驗(yàn)，直觀認(rèn)識(shí)了無(wú)砟軌道在荷載作用下層間的破壞情況與規(guī)律，并對(duì)合適的養(yǎng)護(hù)維修工藝有了更為深入的認(rèn)識(shí)。

圖6 試件加載前后的狀態(tài)

圖7 有無(wú)植筋試塊破壞對(duì)比

3 有限元建模仿真分析

3.1 模型建立

基于先前所進(jìn)行的剪切實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)理論所學(xué)更為深入的認(rèn)識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)圖，建立板式無(wú)砟軌道有限元分析模型（見(jiàn)圖8），用于分析荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律，探究無(wú)砟軌道的薄弱位置與合理維修工藝，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)更多工況的模擬。

圖8 無(wú)砟軌道有限元分析模型

3.2 結(jié)構(gòu)病害易發(fā)生位置確定

為找尋無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)傷損破壞的位置，根據(jù)實(shí)際情況在無(wú)砟軌道內(nèi)部施加溫度荷載，分析結(jié)構(gòu)存在溫度變形情況下出現(xiàn)應(yīng)力集中不利位置［15］。分析可知，軌道板的應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在板端與板角的位置，如圖9 所示。在溫度荷載的持續(xù)作用下，軌道板變形與各向受力不斷增大，當(dāng)軌道板與砂漿層之間的垂向拉應(yīng)力超出其粘結(jié)能力，造成軌道板與砂漿層脫粘，產(chǎn)生層間離縫傷損等病害，影響線路的穩(wěn)定性。

圖9 軌道板不利位置的確定

3.3 科學(xué)維修工藝探索

在夏季高溫天氣下，較大溫度應(yīng)力作用可能導(dǎo)致軌道層間出現(xiàn)剪切破壞，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響。結(jié)合小比例試塊的受力分析與建模仿真所確定的不利位置，可在關(guān)鍵位置進(jìn)行植筋錨固，通過(guò)增加界面的斷裂韌度和剪切強(qiáng)度，以提供限制產(chǎn)生軌道板過(guò)大上拱的豎向約束力。如圖10 所示，為探究合理的維修工藝，學(xué)生結(jié)合建模仿真結(jié)果所確定的不利位置，提出可有針對(duì)性在易出現(xiàn)破壞的板端位置進(jìn)行植筋錨固，保證無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖10 板端合適位置植筋錨固

4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改善，極大增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考與團(tuán)結(jié)合作能力。創(chuàng)新型教學(xué)模式的開(kāi)展基于鐵路部門(mén)所關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)工裝與仿真計(jì)算分析，使本專(zhuān)業(yè)學(xué)生獲得更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，有效地補(bǔ)充既有理論課程認(rèn)知的不足，在教學(xué)中取得了較好的效果。

（1）提升理論知識(shí)。為保證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工裝研發(fā)與仿真建模等工作的順利實(shí)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前需通過(guò)圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)等途徑查閱大量資料，探究最為合適的實(shí)驗(yàn)步驟和驗(yàn)證方法，既提升了學(xué)生查閱資料和分析問(wèn)題的能力，又提高學(xué)生的協(xié)調(diào)合作能力，在理論教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面均取得了較好的效果。

（2）提高動(dòng)手實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)與分析階段等全部環(huán)節(jié)，對(duì)既有實(shí)驗(yàn)裝置的限制進(jìn)行思考，開(kāi)發(fā)新型實(shí)驗(yàn)工裝，合理進(jìn)行小比例混凝土試塊的設(shè)計(jì)，熟悉了無(wú)砟軌道的材料配比、混凝土試塊澆筑養(yǎng)護(hù)以及試驗(yàn)機(jī)的使用方法，極大提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

（3）掌握專(zhuān)業(yè)軟件操作。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工裝設(shè)計(jì)階段，結(jié)合設(shè)計(jì)圖與實(shí)際尺寸，學(xué)生應(yīng)用solidworks 等軟件提前進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)，為今后從事軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打好了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析階段，學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析與繪圖軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析與思考，掌握了從事科學(xué)研究的基本技能。在建模仿真分析階段，學(xué)生應(yīng)用有限元分析軟件，探究無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)受力特性，分析結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理與維修方法，對(duì)工程實(shí)際的需求認(rèn)識(shí)更深入。

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞軌道檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的課程培養(yǎng)目標(biāo)，將創(chuàng)新的教學(xué)理念引入理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，把學(xué)生所需的專(zhuān)業(yè)知識(shí)有機(jī)整合于課程之中，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)設(shè)備與軟件進(jìn)行動(dòng)手操作，掌握實(shí)際解決高速鐵路工程所關(guān)心實(shí)際問(wèn)題的能力。創(chuàng)新型教學(xué)模式的開(kāi)展，學(xué)生的創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)思路、實(shí)踐技能和溝通能力都得到了較大的提升，有效提升了教學(xué)的效果，為培養(yǎng)高級(jí)工程應(yīng)用型人才的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。