趙振航，劉增杰，江萬紅，耿浩，閆雪，李成輝

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復(fù)合軌枕有砟軌道溫度適應(yīng)性試驗研究

趙振航1，劉增杰2，江萬紅3，耿浩1，閆雪1，李成輝1

(1. 西南交通大學(xué) 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(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

針對復(fù)合軌枕線膨脹系數(shù)較大的特點，在步入式高低溫室內(nèi)鋪設(shè)復(fù)合軌枕有砟軌道實尺模型，對軌道施加溫度荷載，研究其溫度適應(yīng)性。試驗中測試了不同溫度下的軌距、軌枕長度變化量、鋼軌和軌枕的溫度。研究結(jié)果表明：復(fù)合軌枕隨溫度變化熱脹冷縮現(xiàn)象明顯，進(jìn)而引起軌距變化，環(huán)境溫度變化10 ℃，復(fù)合軌枕有砟軌道軌距變化約0.78~0.81 mm。建議復(fù)合軌枕有砟軌道最好鋪設(shè)在較恒溫地區(qū)，如隧道內(nèi)；若在高速鐵路中鋪設(shè)，復(fù)合軌枕年溫差最大應(yīng)不超過50 ℃，同時要注意控制鋪枕溫度。本文的研究可為復(fù)合軌枕的進(jìn)一步推廣提供技術(shù)指導(dǎo)。

復(fù)合軌枕；軌距；溫度荷載；適應(yīng)性

復(fù)合軌枕是以廢舊塑料、廢輪胎、廢油漆及其他工業(yè)廢渣等難降解的高分子廢棄物為原料，以玻璃纖維絲為加勁物輔以化學(xué)添加劑制備而成[1?3]。最初研制復(fù)合軌枕是為了代替日益減少的木枕，目前復(fù)合軌枕主要應(yīng)用在美國、澳大利亞和巴西等國家的重載鐵路和城市軌道，在國內(nèi)應(yīng)用較少，僅在中南部通道重載鐵路鋪設(shè)了試驗段[1]。復(fù)合軌枕具有彈性好、阻尼大的特點，可以減小對道床的沖擊，對減緩道砟粉化、基礎(chǔ)減振有一定效果[4]。由于復(fù)合軌枕密度小，約800~1 200 kg/m3，每根枕質(zhì)量110 kg左右，質(zhì)量較混凝土枕小得多，在現(xiàn)場鋪設(shè)或維修更換時較為方便，可以提高鋪設(shè)、維修效率。復(fù)合軌枕也較為穩(wěn)定，在自然環(huán)境中，不受潮濕的影響而改變性能，也不像木材容易受到昆蟲、菌類等繁殖而結(jié)構(gòu)遭到破壞。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)廢棄物越來越多，傳統(tǒng)的處理方式如焚燒、掩埋、熱解，不僅效率低而且會造成二次污染，若能工業(yè)廢物再利用，則可以很好的保護(hù)環(huán)境[5]。因此，若能將復(fù)合軌枕軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步推廣，則既可為保護(hù)環(huán)境做貢獻(xiàn)，又可為有需求地段多提供一種合理的軌道結(jié)構(gòu)。目前，影響復(fù)合軌枕進(jìn)一步推廣最突出的問題就是其為熱塑性材料，線膨脹系數(shù)較大，約為混凝土的10倍。雖然復(fù)合軌枕是一種熱的不導(dǎo)體，在陽光照射下，軌枕的表面可能會有溫度變化，日溫差不會引起內(nèi)部溫度變化過大，但若鋪設(shè)地區(qū)年溫差較大，則會引起軌道結(jié)構(gòu)幾何形位變化過大，影響行車安全性[6?8]。以往并沒有針對此問題進(jìn)行詳細(xì)研究，本文設(shè)計試驗對復(fù)合軌枕有砟軌道施加溫度荷載，測試其軌道幾何形位變化，研究其適應(yīng)的年溫差條件。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗在步入式高低溫室內(nèi)進(jìn)行，溫室長5 m，寬3 m，有足夠的空間進(jìn)行實尺模型試驗，溫室采用較好的壓縮機(jī)和制冷配件，可以有效地控制溫度，運行噪音低，壽命長，可控溫度范圍為?50~60 ℃，溫室控制界面簡潔，操作簡便。

1.2 模型鋪設(shè)

實尺模型的鋪設(shè)既要考慮到溫室的尺寸，又要保證鋪軌的質(zhì)量，考慮到溫室寬度3 m，軌枕間距為0.6 m，軌枕寬度0.22 m，需要保證道砟對軌枕的足夠約束作用，試驗中鋪設(shè)3根復(fù)合軌枕，這樣兩側(cè)軌枕的側(cè)面仍約有0.5 m長度的道砟對軌枕約束，保證鋪軌質(zhì)量，試驗前對道砟進(jìn)行清洗，保證其性能要求。模型的鋪設(shè)按照現(xiàn)場施工要求，對有砟道床進(jìn)行了夯實、搗固，模型道床頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，道床邊坡1:1.75，道床截面尺寸滿足我國350 km/h有砟軌道要求[9]。復(fù)合軌枕有砟軌道主要由CHN60鋼軌、彈條Ⅱ分開式扣件、復(fù)合軌枕和一級道砟組成[10]，軌距為1.435 m，軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)圖

1.3 試驗工況

試驗主要考慮溫度變化對軌道幾何形位的影響，設(shè)置10 ℃為1級，對溫室進(jìn)行升溫或降溫，由于每一工況下，均需要試驗人員進(jìn)入溫室測量，考慮到人員能承受的溫度，則溫室設(shè)置溫度范圍?20~40 ℃。每一工況溫室保持溫度24 h，這樣可以充分保證軌道結(jié)構(gòu)溫度與溫室環(huán)境溫度相近。

1.4 測試內(nèi)容

軌道幾何形位主要包括軌距、高低和水平等，軌枕高度較小，溫度變化下，軌枕同步伸縮，引起的軌道高低、水平均較小，而軌距變化是相對的，溫度變化對軌距影響較大，所以溫度變化影響復(fù)合軌枕有砟軌道幾何形位的主要因素為軌距，因此，試驗主要測試軌距的變化，同時在3根枕的一側(cè)牽線，布置直尺，測試軌枕長度的變化(如圖2所示)，另外測試環(huán)境、鋼軌和軌枕的溫度，保證其相近，證明軌道結(jié)構(gòu)溫度變化可靠合理。

圖2 軌枕縱向位移標(biāo)記線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 溫度變化

試驗用到的復(fù)合軌枕為成品，無法在內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，而軌道結(jié)構(gòu)傳熱較慢，因此，為了充分保證環(huán)境和結(jié)構(gòu)溫度相同，每個工況均保持環(huán)境24 h恒溫后進(jìn)行測試，首先不設(shè)置溫室溫度，將溫室門打開24 h后測試，初始溫度為外界環(huán)境溫度，然后將溫室降溫，10 ℃為1級，降至?20 ℃再升溫到40℃，再降溫至外界大氣溫度，完成循環(huán)。測量環(huán)境、鋼軌和復(fù)合軌枕表面溫度如圖3所示，環(huán)境溫度、鋼軌和復(fù)合軌枕表面溫度同步，相差極小，可以保證軌道結(jié)構(gòu)與環(huán)境溫度幾乎相同。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度關(guān)系圖

2.2 軌距變化

試驗中共鋪設(shè)3根復(fù)合軌枕，如圖1所示，從左向右軌枕編號分別為1，2和3，分別測試了3根軌枕處軌距隨溫度的變化(如圖4所示)，復(fù)合軌枕隨著溫度變化有明顯的熱脹冷縮變化，使得軌距產(chǎn)生變化，雖然測試數(shù)據(jù)存在著離散性，3根軌枕處軌距仍較為一致。溫度變化62.1 ℃的條件下，軌距最大變化量為5.3 mm，與混凝土枕相比，對溫度變化較為敏感，在客貨共線或客運專線鋪設(shè)時，需要考慮復(fù)合軌枕有砟軌道的溫度適應(yīng)性。

(a) 1號軌枕處；(b) 2號軌枕處；(c) 3號軌枕處

為更直觀的分析溫度變化對復(fù)合軌枕有砟軌道軌距的影響，對不同溫度下，測試的軌距進(jìn)行擬合，得到擬合曲線如圖5所示，由擬合的線性方程可知，環(huán)境溫度變化10 ℃，試驗條件下復(fù)合軌枕軌距約變化0.78~0.81 mm。

參照《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函(2005)285號)[10]和《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[11]中規(guī)定正線有砟軌道軌距精度達(dá)到±2 mm，因此，建議復(fù)合軌枕年溫差應(yīng)小于50 ℃，避免在烈日地區(qū)鋪設(shè)，最好在較恒溫地區(qū)鋪設(shè)，如隧道內(nèi)。若在年溫差較大地區(qū)鋪設(shè)，應(yīng)參照無縫線路中設(shè)計鎖定軌溫理念控制鋪枕溫度，鋪枕溫度范圍示意圖如圖6所示，以軌距變化2 mm為限值，則復(fù)合軌枕允許溫升和溫降為25 ℃，如復(fù)合軌枕年溫度變化0~40 ℃地區(qū)，應(yīng)保證鋪枕溫度為20±5 ℃范圍內(nèi)，這樣才能保證軌道幾何形位精度。

(a) 1號軌枕處；(b) 2號軌枕處；(c) 3號軌枕處

圖6 鋪枕溫度示意圖

2.3 枕端位移

試驗中同樣測試了3根軌枕的長度變化，如圖7所示，軌枕長度隨溫度變化同軌距隨溫度變化基本一致，存在一定離散性，與道砟密實度和測量誤差均有一定關(guān)系，溫度變化62.1 ℃的條件下，軌枕一側(cè)長度最大變化量為4.9 mm，軌枕長度變化同樣可以說明復(fù)合軌枕對溫度變化較為敏感。

(a) 1號軌枕；(b) 2號軌枕；(c) 3號軌枕

3 結(jié)論

1) 復(fù)合軌枕對溫度變化較為敏感，隨著溫度的升高而增長，隨著溫度的降低而縮短，進(jìn)而引起軌距變化，當(dāng)環(huán)境溫度變化10 ℃時，復(fù)合軌枕有砟軌道軌距變化約0.78~0.81 mm。

2) 從溫度適應(yīng)性角度考慮，建議復(fù)合軌枕有砟軌道最好鋪設(shè)在較恒溫地區(qū)，如隧道內(nèi)，避免陽光直射；若在高速鐵路中鋪設(shè)，復(fù)合軌枕年溫差最大不應(yīng)超過50 ℃，同時應(yīng)參照無縫線路中設(shè)計鎖定軌溫理念控制鋪枕溫度。

3) 復(fù)合軌枕的進(jìn)一步推廣可為環(huán)境保護(hù)，廢物再利用做出貢獻(xiàn)，本文的研究可為其適應(yīng)的年溫差條件提供指導(dǎo)。

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Experimental study on temperature adaptability of composite sleeper ballast track

ZHAO Zhenhang1, LIU Zengjie2, JIANG Wanhong1, GENG Hao1, YAN Xue1, LI Chenghui1

(1. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Engineering Management Center of China Railway Corporation, Beijing 100038, China; 3. China Railway Eryuan Group Ltd, Chengdu 610031, China)

In view of the large linear expansion coefficient of composite sleeper, a full-scale model of composite sleeper ballast track was built in the walk-in test room for high-low temperature, and a temperature load was applied to the track to study its temperature adaptability. In the test, the gauge at different temperatures, the length of the sleeper, the temperature of the sleeper and the rail were tested. The results show that the phenomenon of thermal expansion and contraction of the composite sleeper is obvious with the change of temperature, which leads to the change of gauge. When the environmental temperature changes by 10 ℃, the gauge of composite sleeper ballast track changes about 0.78~0.81 mm. It is suggested that the composite sleeper ballast track should be laid in a relatively constant temperature zone, such as the tunnel; if it is laid in a high-speed railway, the maximum annual temperature difference of the composite sleeper should not exceed 50 ℃, and attention should be paid to control the temperature when the sleepers are laid. This research can provide technical guidance for the further promotion of the composite sleeper.

composite sleeper; gauge; temperature load; temperature adaptability

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.007

U213.244

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0605 ? 05

2018?04?06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51708459，51778543，U1434208)；成蘭鐵路專題試驗資助項目(CLRQT-2016-006)

李成輝(1955?)，男，四川成都人，教授，博士，從事軌道結(jié)構(gòu)及軌道動力學(xué)研究；E?mail：chli163chli@163.com

(編輯 涂鵬)