張魯順 趙國(guó)堂 趙 磊 趙如鋒

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 科技和信息化部,北京 100844;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)3萬(wàn)公里,超過(guò)世界高鐵總里程的三分之二。無(wú)砟軌道具有高精度、高平順性、高穩(wěn)定性的技術(shù)特點(diǎn),為列車提供了安全可靠的高速運(yùn)行平臺(tái)。無(wú)砟軌道列車荷載傳遞特征的研究,是無(wú)砟軌道材料、幾何尺寸優(yōu)化和無(wú)砟軌道及下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

與有砟軌道的散粒體道床相比,無(wú)砟軌道的整體性更加明顯,作為多層結(jié)構(gòu)體系,不同型式無(wú)砟軌道層間接觸方式的差異性和復(fù)雜性,致使荷載傳遞的研究更為困難[1]。無(wú)砟軌道荷載傳遞特征的研究,一方面需要從理論分析的角度,對(duì)荷載在無(wú)砟軌道內(nèi)部傳遞路徑及分布特征進(jìn)行分析;另一方面需要研究能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高速鐵路無(wú)砟軌道在正常服役過(guò)程中荷載分布的測(cè)試方法,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)尺模型試驗(yàn),對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證及校準(zhǔn)。無(wú)砟軌道理論研究方面,取得了大量理論成果,包括無(wú)砟軌道受力分析,振動(dòng)特性分析及設(shè)計(jì)理論研究。其中,無(wú)砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新理論組經(jīng)過(guò)大量理論分析,建立了無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)理論體系、提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,統(tǒng)一了主要的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù),指導(dǎo)了我國(guó)客運(yùn)專線無(wú)砟軌道生產(chǎn)建設(shè)[2]。翟婉明[3]在國(guó)際上首先提出并建立了車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論,該理論廣泛應(yīng)用于列車振動(dòng)特性傳遞研究,為高速鐵路建設(shè)提供支撐。模型測(cè)試方面,浙江大學(xué)蔣紅光等[4-5]率先建成可以模擬行車速度350km/h的大型動(dòng)態(tài)加載裝置,對(duì)列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中基床動(dòng)應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬,并對(duì)CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道下部路基系統(tǒng)動(dòng)力荷載傳遞過(guò)程進(jìn)行了大量試驗(yàn)分析,得出扣件支點(diǎn)荷載分布和路基各層荷載變化的規(guī)律。中南大學(xué)吸收了浙江大學(xué)模擬加載系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),建立了規(guī)模更大、邊界條件等同于實(shí)際情況的試驗(yàn)臺(tái),對(duì)CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道和雙塊式無(wú)砟軌道路基荷載傳遞進(jìn)行試驗(yàn)研究,并對(duì)所模擬得到的不同速度、軸重情況下基床動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試與仿真分析[6-7]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面,在遂渝客專無(wú)砟軌道試驗(yàn)段、京津城際、京滬高速鐵路棗莊—蚌埠綜合試驗(yàn)段、盤(pán)營(yíng)和大西高速鐵路CRTS Ⅲ型板式軌道試驗(yàn)段以及各高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中,都對(duì)無(wú)砟軌道動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試,特別是在武廣高速鐵路綜合試驗(yàn)段對(duì)CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道、CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道、雙塊式無(wú)砟軌道和Rheda2000無(wú)砟軌道進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試分析,得到了鋼軌、軌道板/道床板、底座板/支承層、軌道與線下工程界面上的受力、變形和振動(dòng)特性[8],總結(jié)出的結(jié)論對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修具有重要的意義。但是,對(duì)于列車荷載傳遞的研究多集中于鋼軌支點(diǎn)壓力及下部基礎(chǔ)表面壓應(yīng)力峰值,無(wú)砟軌道層間荷載分布規(guī)律研究較少。荷載傳遞測(cè)試方法較為繁雜,缺乏對(duì)比分析及針對(duì)性地創(chuàng)新研發(fā)。

本文主要對(duì)無(wú)砟軌道荷載傳遞特征及測(cè)試方法研究,對(duì)比分析了現(xiàn)有多種荷載傳遞測(cè)試方法的適應(yīng)性,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了荷載傳遞測(cè)試原則。建立了雙塊式無(wú)砟軌道實(shí)尺模型試驗(yàn),基于自主研發(fā)的石基壓電式測(cè)試系統(tǒng)和壓電式測(cè)力墊板測(cè)試系統(tǒng),分析列車荷載傳遞特征,并與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比。列車荷載傳遞理論分析與室內(nèi)測(cè)試結(jié)果分析相結(jié)合,提高了荷載傳遞研究結(jié)果的準(zhǔn)確性及測(cè)試方法的可靠性。

1 無(wú)砟軌道荷載傳遞測(cè)試方法

1.1 測(cè)試方法適應(yīng)性分析

無(wú)砟軌道列車荷載傳遞主要測(cè)試內(nèi)容為鋼軌支點(diǎn)壓力測(cè)試和混凝土內(nèi)部壓力測(cè)試?，F(xiàn)有部分傳感測(cè)試技術(shù)已成功應(yīng)用于無(wú)砟軌道測(cè)試中,對(duì)適用于列車荷載傳遞的測(cè)試方法,仍需要比較和發(fā)展。對(duì)商用壓力測(cè)試傳感器的多個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,并定性地對(duì)不同測(cè)試方法進(jìn)行綜合評(píng)估,見(jiàn)表1。

表1 壓力測(cè)試方法綜合評(píng)估

通過(guò)綜合評(píng)估可以看出,除電感式壓力測(cè)試不能用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試外,其余測(cè)試方法均可滿足測(cè)試所需的靈敏度和頻率響應(yīng)的要求。其差異主要體現(xiàn)在傳感器體積、成本、與混凝土黏結(jié)性能及測(cè)試對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響等方面。振弦式壓力傳感器體積較大,大量布置于無(wú)砟軌道各層時(shí)或?qū)⒂绊懡Y(jié)構(gòu)截面承載力,霍爾、電渦流、電容式、應(yīng)變式壓力測(cè)試傳感器封裝后與無(wú)砟軌道黏結(jié)性較差,大量布置影響結(jié)構(gòu)承載力。傳感器耐久性考慮其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性及自身壽命兩方面。振弦式、應(yīng)變式傳感器耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性稍差,分布式壓力測(cè)試傳感器僅可用于隔離層,而隔離層處的環(huán)境相對(duì)混凝土內(nèi)部更加惡劣,且受到軌道板與底座之間長(zhǎng)期拍擊作用,使用壽命也將低于預(yù)期。測(cè)試成本也是測(cè)試方法綜合評(píng)估中需要考慮的重要環(huán)節(jié),壓阻式、電感式、分布式和光纖光柵式壓力測(cè)試成本均較大。其中,光纖光柵式壓力測(cè)試傳感器成本較低,但調(diào)制解調(diào)設(shè)備成本高昂。另外,對(duì)傳感器是否完全國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行了調(diào)研和總結(jié),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)相關(guān)測(cè)試傳感器均有研究,但除常規(guī)的應(yīng)變式和振弦式測(cè)試方法外,大量測(cè)試傳感器均有待創(chuàng)新研發(fā),尤其是傳感器控制芯片領(lǐng)域?？傮w看來(lái),壓電式壓力測(cè)試方法通過(guò)對(duì)與混凝土黏結(jié)性和結(jié)構(gòu)受力影響性兩方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā),可以很好的適應(yīng)于列車荷載傳遞壓力測(cè)試。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)

1.2.1 石基壓電式壓力測(cè)試系統(tǒng)

壓電式壓力傳感器基于壓電效應(yīng),利用壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷,經(jīng)信號(hào)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后成為正比于所受外力的電量輸出。壓電材料可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料,壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷,當(dāng)外力撤去后,晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),當(dāng)外力作用方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變,壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。

目前壓電傳感器普遍存在與無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)不良的問(wèn)題,主要原因是傳感器尺寸過(guò)大,如振弦式壓力盒,尺寸往往達(dá)到100 mm 以上,大量埋入混凝土?xí)r,將降低無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的承載能力。另一方面,由于傳感器材料與混凝土結(jié)構(gòu)間黏結(jié)較差,加上溫度變化及混凝土收縮變形,極易造成混凝土產(chǎn)生初始應(yīng)力甚至開(kāi)裂。本次混凝土內(nèi)部壓力測(cè)試采用自主研發(fā)的基于壓電復(fù)合材料的大理石基壓力傳感器,已獲得專利。傳感器樣件及構(gòu)成見(jiàn)圖1,傳感器直徑25 mm,高20 mm,主體材料為大理石,與混凝土骨料相近,澆筑完成后與混凝土黏結(jié)緊密,大量布置時(shí)不影響無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)承載力。

圖1 石基壓電傳感器

測(cè)試系統(tǒng)由石基壓電傳感器陣列、數(shù)據(jù)連接線、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀、無(wú)線傳輸模塊及筆記本電腦組成,見(jiàn)圖2。

圖2 石基壓電式壓力測(cè)試系統(tǒng)組成

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),下部基礎(chǔ)平整完成后,進(jìn)行路基頂面、無(wú)砟軌道底面測(cè)點(diǎn)布置。在底座板/支承層施工完成,軌道板/道床板鋼筋綁扎完成后,進(jìn)行底座板/支承層頂面、軌道板/道床板底面測(cè)點(diǎn)布置。無(wú)砟軌道主體結(jié)構(gòu)施工完成后,進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)石基壓電傳感器調(diào)試。試驗(yàn)前,將傳感器數(shù)據(jù)線與信號(hào)放大器連接,然后將信號(hào)放大器與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連接,各設(shè)備接上電源后,將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連接筆記本電腦收取數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí),采集獲取各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力時(shí)程,擬合壓力分布曲線。

壓電式壓力傳感器屬動(dòng)態(tài)采集傳感器,靜態(tài)加載時(shí)不響應(yīng),需要采用動(dòng)態(tài)循環(huán)加載或落錘沖擊加載的方式進(jìn)行標(biāo)定。

1.2.2 壓電式測(cè)力墊板測(cè)試系統(tǒng)

壓電式測(cè)力墊板所用的壓電材料與石基壓電式壓力測(cè)試傳感器一致,不同之處在于石基壓電式傳感器采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行保護(hù),然后封裝于標(biāo)準(zhǔn)大理石圓柱中,而測(cè)力墊板是在彈性墊板上留出傳感器槽,在傳感器槽內(nèi)將壓電陶瓷用硅膠封裝入彈性墊板,陶瓷片用兩根絕緣導(dǎo)線引出,連接至采集儀?？紤]鋼軌經(jīng)由軌下墊板、鐵墊板,放置于彈性墊板上,在橫向力作用下可能出現(xiàn)一定程度的側(cè)傾,在測(cè)力墊板兩側(cè)均設(shè)置一個(gè)傳感器。所制作完成的測(cè)力墊板樣件及構(gòu)成圖分別見(jiàn)圖3。

圖3 壓電式測(cè)力墊板

基于壓電式測(cè)力墊板的鋼軌支點(diǎn)壓力測(cè)試系統(tǒng)由壓電式測(cè)力墊板、數(shù)據(jù)連接線、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀、無(wú)線傳輸模塊及筆記本電腦等部件組成,見(jiàn)圖4。

圖4 壓電式測(cè)力墊板測(cè)試系統(tǒng)組成

為獲取壓電式測(cè)力墊板的動(dòng)態(tài)壓力與電荷輸出大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要用具有標(biāo)定資質(zhì)的動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)每塊墊板進(jìn)行標(biāo)定,獲取傳感器靈敏度曲線。完成傳感器封裝和標(biāo)定后,將彈性墊板更換成測(cè)力墊板。將各個(gè)壓電式測(cè)力墊板依次經(jīng)由信號(hào)放大器連接至數(shù)據(jù)采集儀,調(diào)試完成后開(kāi)始測(cè)試。

2 荷載傳遞測(cè)試原則

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及仿真分析計(jì)算,從不同角度總結(jié)無(wú)砟軌道荷載傳遞測(cè)試原則:

(1)整體性。測(cè)試原件應(yīng)盡可能降低對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)整體性能的影響,優(yōu)先采用無(wú)損測(cè)試方法。埋入無(wú)砟軌道內(nèi)部的傳感器應(yīng)與混凝土材料具有較好的黏結(jié)性,尺寸盡量小于混凝土保護(hù)層厚度,不得因測(cè)試布點(diǎn)而改變結(jié)構(gòu)原有傳力體系。

(2)測(cè)試范圍。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及仿真分析發(fā)現(xiàn),單輪荷載主要由5個(gè)扣件承擔(dān),為保證測(cè)試效果以及考慮不同軌道結(jié)構(gòu)型式、扣件剛度及間距等因素影響,將測(cè)試范圍外延1個(gè)扣件間距。因此,鋼軌支點(diǎn)壓力測(cè)試范圍應(yīng)涵蓋連續(xù)7個(gè)扣件節(jié)點(diǎn),依據(jù)測(cè)試目標(biāo)不同,相應(yīng)提升測(cè)試范圍,例如評(píng)估一個(gè)轉(zhuǎn)向架上兩輪對(duì)間相互影響時(shí),鋼軌支點(diǎn)壓力測(cè)試范圍需涵蓋轉(zhuǎn)向架軸距,并在此基礎(chǔ)上向兩側(cè)各延伸3個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層橫向布點(diǎn)時(shí),測(cè)試傳感器數(shù)量應(yīng)大于7個(gè),依據(jù)對(duì)稱原則進(jìn)行單邊布置時(shí),傳感器數(shù)量應(yīng)大于4個(gè),鋼軌正下方和軌道板中心位置處必須設(shè)置測(cè)點(diǎn)。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層縱向布點(diǎn)時(shí),測(cè)試范圍應(yīng)盡量覆蓋5個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)并向兩側(cè)延長(zhǎng)1.2 m,依據(jù)測(cè)試目標(biāo)可適當(dāng)加長(zhǎng)。單元板式無(wú)砟軌道應(yīng)覆蓋整塊板的縱向長(zhǎng)度,可對(duì)稱布點(diǎn),測(cè)點(diǎn)數(shù)量可依據(jù)對(duì)稱原則減半。

(3)測(cè)試頻率。列車運(yùn)行速度360km/h時(shí),典型鋼軌支點(diǎn)壓力和混凝土壓應(yīng)力頻譜曲線見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),鋼軌支點(diǎn)壓力頻率成分在0～500 Hz之間均有分布,無(wú)砟軌道動(dòng)態(tài)壓力主要分布在0～100 Hz之間,采樣頻率應(yīng)達(dá)到分析頻率的2.5倍。因此,鋼軌支點(diǎn)壓力和無(wú)砟軌道荷載分布測(cè)試頻率分別不小于1 250、250 Hz。

圖5 鋼軌支點(diǎn)壓力及混凝土壓應(yīng)力頻譜曲線

(4)壓力測(cè)試傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)參考GB/T 13283—2008《工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制用檢測(cè)儀表和顯示儀表精確度等級(jí)》[9]中的準(zhǔn)確度定義方法,取為0.2,即允許的基本誤差為滿量程輸出的±0.2%。其試驗(yàn)方法參考GB/T 15478—2015《壓力傳感器性能試驗(yàn)方法》[10]執(zhí)行。

(5)壓力數(shù)據(jù)采集時(shí),需要將所有測(cè)點(diǎn)連接至同一數(shù)據(jù)采集儀或置于同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)間下,避免各通道數(shù)據(jù)的時(shí)間偏差或延遲。保證傳感器同步,有利于后期數(shù)據(jù)處理。

3 荷載傳遞實(shí)尺模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 試驗(yàn)概況

高速鐵路無(wú)砟軌道列車荷載傳遞測(cè)試方法,在京沈高速鐵路遼寧段經(jīng)過(guò)行車測(cè)試驗(yàn)證[11],為研究不同型式無(wú)砟軌道車輛荷載傳遞規(guī)律,在高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立雙塊式無(wú)砟軌道實(shí)尺模型。應(yīng)用自主研發(fā)的石基壓電式壓力測(cè)試系統(tǒng)及壓電式測(cè)力墊板測(cè)試系統(tǒng),對(duì)鋼軌經(jīng)由扣件系統(tǒng)傳遞至無(wú)砟軌道表面的鋼軌支點(diǎn)壓力分布規(guī)律、道床板、支承層底部荷載分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性試驗(yàn)。

3.1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)尺模型試驗(yàn)平臺(tái)建造于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)槽內(nèi),下部基礎(chǔ)為混凝土橋,試驗(yàn)平臺(tái)場(chǎng)地與現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。模型尺寸與現(xiàn)場(chǎng)雙塊式無(wú)砟軌道基本一致,道床板尺寸為5.85 m×2.8 m×0.26 m,支承層尺寸為5.85 m×3.3 m×0.3 m,扣件間距0.65 m。自上而下依次為CHN60鋼軌、WJ-8扣件、SK-2型雙塊式軌枕、C40道床板、C15 素混凝土支承層。道床板內(nèi)部設(shè)置雙層配筋。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),安裝完整鋼軌和扣件,加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)

3.1.3 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試內(nèi)容為單側(cè)9個(gè)節(jié)點(diǎn)的鋼軌支點(diǎn)壓力,道床板底部和支承層底部共布置石基壓電式壓力測(cè)點(diǎn)20個(gè),按照對(duì)稱原則進(jìn)行布置。道床板和支承層壓力傳感器上下對(duì)應(yīng),橫向測(cè)點(diǎn)按照理論分析獲取的布置原則布置于拐點(diǎn)處,縱向布置于鋼軌及扣件節(jié)點(diǎn)正下方,在荷載作用點(diǎn)一側(cè)扣件間距范圍內(nèi)加密一個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn),具體布置位置見(jiàn)圖7。

圖7 石基壓電式傳感器測(cè)點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 鋼軌支點(diǎn)壓力分布特征分析

依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,利用ABAQUS有限元軟件建立車輛-雙塊式無(wú)砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型,與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,有限元模型見(jiàn)圖8。車型為CRH380B,軸距2.5 m,定距17.375 m,軸重17 t。車輛動(dòng)力學(xué)模型建立時(shí)采用多剛體動(dòng)力學(xué)建模方法[3],車輛各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[12],輪軌間法向作用力由赫茲非線性彈性接觸理論確定,切向蠕滑力由蠕滑理論確定。雙塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、道床板和支承層等組成,均采用實(shí)體單元模擬,相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2,接觸面剛度為橋梁支承剛度1 000 MPa/m,不考慮軌道平順性的影響。

圖8 車輛-雙塊式無(wú)砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)有限元模型

表2 雙塊式無(wú)砟軌道計(jì)算參數(shù)

鋼軌支點(diǎn)壓力分布典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9,9個(gè)測(cè)點(diǎn)均為測(cè)力墊板輸出值,加載力為100、170 k N時(shí),對(duì)應(yīng)荷載作用點(diǎn)位置處的鋼軌支點(diǎn)壓力分別為-17.5、-30.1 k N,與加載力的幅值呈線性關(guān)系。荷載影響范圍基本為5個(gè)扣件節(jié)點(diǎn),在此影響范圍內(nèi),荷載作用位置處的輪載分配比率約為32%,與之相鄰的兩個(gè)扣件位置處輪載分配比率分別約為24%、10%,動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果差異較小,京沈高速鐵路遼寧段行車測(cè)試結(jié)果,荷載作用位置處的輪載分配比率為32%～37%[11],試驗(yàn)結(jié)果略微偏小。

圖9 鋼軌支點(diǎn)壓力分布曲線

3.2.2 道床板底部壓力分布特征分析

道床板底部壓應(yīng)力橫向分布典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10(a),測(cè)試結(jié)果表明,道床板底部壓應(yīng)力最大值位于鋼軌正下方,加載力為100、170 k N時(shí),對(duì)應(yīng)板下壓應(yīng)力分別為-86.6、-147.3 k Pa,基本上與加載力的幅值呈線性關(guān)系。從橫向荷載分布范圍實(shí)測(cè)結(jié)果中可以看出,道床板底部荷載橫向基本呈雙峰型分布,板中及板兩側(cè)位置處壓應(yīng)力較小,兩鋼軌間荷載疊加效應(yīng)不明顯。單側(cè)荷載在道床板底部的影響范圍約為0.7 m,約占道床板單側(cè)橫向?qū)挾鹊?0%,因此,從荷載傳遞橫向分布規(guī)律的角度考慮,道床板寬度仍有一定的優(yōu)化空間。動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果差異較小,傳感器測(cè)試效果較好。

圖10 道床板底部壓應(yīng)力橫向及縱向分布曲線(虛線為對(duì)稱描繪)

道床板底部壓應(yīng)力縱向分布典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10(b),測(cè)試結(jié)果表明,道床板底部壓應(yīng)力最大值位于鋼軌正下方。加載力為100、170 k N時(shí),與其縱向相鄰0.325 m 位置處壓應(yīng)力為-10.8、-18.4 k Pa。與其縱向相鄰0.65 m 位置處,即相鄰第一個(gè)軌枕位置處,出現(xiàn)另一個(gè)峰值,壓應(yīng)力為-64.8、-110.1 k Pa,該壓應(yīng)力為荷載作用點(diǎn)正下方最大值的75%左右,且基本上與支點(diǎn)處分配的輪載力的幅值呈線性關(guān)系。道床板底縱向扣件間疊加效應(yīng)不明顯,因此,扣件位置處峰值較大,而扣件間位置處出現(xiàn)明顯的波谷。

3.2.3 支承層底部壓力分布特征分析

支承層底部壓應(yīng)力橫向分布典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11(a),測(cè)試結(jié)果表明,支承層底部壓力最大值位于鋼軌正下方,加載力為100、170 k N時(shí),對(duì)應(yīng)支承層下壓應(yīng)力分別為-14.2、-24.3 k Pa,武廣客專武漢綜合試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果,軸重?fù)Q算成17 t時(shí),支承層底部壓應(yīng)力為-20 k Pa左右[8],由于室內(nèi)試驗(yàn)接觸面剛度較大的原因,結(jié)果略大于測(cè)試結(jié)果。從橫向荷載分布范圍實(shí)測(cè)結(jié)果中可以看出,支承層底部荷載分布基本呈M型分布,鋼軌下壓應(yīng)力大,側(cè)邊和板中處壓應(yīng)力小,板中位置處略大于板側(cè)邊位置處。

圖11 支承層底部壓應(yīng)力橫向及縱向分布曲線(虛線為對(duì)稱描繪)

支承層底部壓應(yīng)力縱向分布典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11(b),加載力為100、170 k N時(shí),與其縱向相鄰0.325 m和0.65 m 位置處即一個(gè)扣件間距處壓應(yīng)力較為接近。支承層底部荷載縱向傳遞范圍較遠(yuǎn),2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處壓應(yīng)力約為峰值處的20%,1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處壓應(yīng)力約為峰值處的5%。荷載在支承層底部縱向范圍內(nèi)影響范圍7個(gè)扣件節(jié)點(diǎn),約為4 m。整體來(lái)看,由于仿真分析時(shí)軌道結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)剛度取典型值與試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際剛度有差距,而下部基礎(chǔ)剛度對(duì)支承層底部壓應(yīng)力影響較大,致使仿真結(jié)果略高于實(shí)測(cè)值,但不影響其規(guī)律性分析。

4 結(jié)論

本文綜合評(píng)估了不同荷載傳遞測(cè)試方法的適應(yīng)性,總結(jié)了荷載傳遞現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原則。基于雙塊式無(wú)砟軌道實(shí)尺試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了雙塊式無(wú)砟軌道輪載下鋼軌支點(diǎn)壓力和道床板、支承層底部荷載分布規(guī)律試驗(yàn),并與動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果對(duì)比,得出主要結(jié)論如下:

(1)石基壓電測(cè)試系統(tǒng)及壓電式測(cè)力墊板測(cè)試系統(tǒng)在荷載傳遞試驗(yàn)中,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠,可用于無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

(2)單輪載主要由5個(gè)扣件承擔(dān),荷載作用處的輪載分配比率約為32%,與之相鄰的兩個(gè)扣件位置處輪載分配比率分別約為24%、10%。

(3)道床板底部荷載橫向呈雙峰型分布,板中及板兩側(cè)位置處壓應(yīng)力較小,兩鋼軌間荷載疊加效應(yīng)不明顯。橫向分布范圍約占道床板寬度的50%,道床板寬度具有一定的優(yōu)化空間。道床板底部壓應(yīng)力縱向分布在扣件處出現(xiàn)峰值,且與支點(diǎn)處分配的輪載力幅值呈線性關(guān)系,扣件間疊加效應(yīng)不明顯,靠近輪載處出現(xiàn)明顯的波谷。

(4)支承層底部荷載橫向呈M型分布,軌下壓應(yīng)力大,側(cè)邊和板中處壓應(yīng)力小。支承層底部壓應(yīng)力縱向影響范圍為7個(gè)扣件節(jié)點(diǎn),約為4 m。

(5)本文所總結(jié)的測(cè)試原則,可為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體受力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供參考;所得荷載傳遞分布規(guī)律,可為無(wú)砟軌道尺寸優(yōu)化和下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)取值提供理論依據(jù)。