井國慶，杜文博，尤瑞林，杜運昌

基于DIC混凝土軌枕和復合軌枕受彎特征分析

井國慶1，杜文博1，尤瑞林2，杜運昌1

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌枕是軌道結構重要組成部分，在上部荷載和下部道砟共同作用下處于受彎狀態(tài)，常產(chǎn)生裂紋，增加維修費用，影響行車舒適性和安全性。采用數(shù)字圖像相關技術(Digital Image Correlation)，通過三點彎曲試驗，分析Ⅲ型預應力混凝土軌枕、FFU復合軌枕受彎特征、裂紋發(fā)展過程和裂紋開口位移。研究結果表明：數(shù)字圖像相關技術在位移和裂紋測試中具有高精確性；混凝土軌枕在加載初期處于彈性階段，剛度大，隨荷載增加，裂紋不斷發(fā)展，剛度逐漸減小，抵抗變形能力下降，裂紋開口位移增加速率逐漸增大；FFU復合軌枕受彎過程中始終處于彈性狀態(tài)，裂紋產(chǎn)生原因為層間分離，裂紋開口位移增加速率在裂紋開口完全分離時增加，之后保持不變。

數(shù)字圖像相關技術(DIC)；混凝土軌枕；FFU復合軌枕

軌枕是軌道結構的重要組成部分，承受來自鋼軌的各向壓力，并彈性均勻分布于道床，同時，有效保持軌道的幾何形位，有抵抗縱橫向位移的能力[1?3]。傳統(tǒng)的軌枕因材料不同可將其分為木枕、鋼軌枕和混凝土軌枕，由于混凝土軌枕縱橫向阻力大，使用壽命長，有較好力學性能而逐漸取代木枕和鋼軌枕，成為目前使用最為廣泛的軌枕[1, 4]。各種軌枕在使用時，為滿足前述各項功能，要求軌枕在靜載、動載和惡劣環(huán)境中達到所需強度[5]。然而，運營線路中的軌枕在上部荷載和下部道砟作用下處于受彎狀態(tài)，在鋼軌傳遞的荷載(最大可達200～600 kN[6])長期作用下將會開裂[7]，隨著時間推移，裂紋逐漸擴展將導致結構完整性和耐久性迅速退化，從而影響乘客的舒適性、增加養(yǎng)護維修成本。在一些特殊地段，如：道岔、橋梁過渡段、鋼軌接頭處等，軌枕破壞則會顯著增加鋼軌表面的缺陷和道岔處鋼軌斷裂風險[3]。同時，軌枕開裂將造成荷載不對稱分布，嚴重時會引發(fā)脫軌，造成生命和財產(chǎn)損失[2]。因此，對軌枕受彎特性的研究顯得尤為重要。隨著高速鐵路的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，復合材料逐漸在鐵路行業(yè)得到應用，該材料具有比強度高、減振性能好、耐疲勞性能好的優(yōu)勢。20世紀90年代中期，美國研制出復合橡膠彈性軌枕，可以高效綜合的利用塑料廢棄物、減少木材的砍伐，絕緣、減振降噪性能好，安裝維護成本低，使用壽命長[8]。澳大利亞在軌枕縱橫向均采用強化纖維，有良好的抗彎抗剪性能并可通過調(diào)整各方向纖維的強度使其達到規(guī)定的性能要求，已將其鋪設于主線、道岔區(qū)及橋梁過渡段[8?9]。在復合軌枕中，日本所研發(fā)的FFU(纖維增強發(fā)泡聚氨酯)軌枕[8, 10]以其優(yōu)良的耐腐蝕性、絕緣性、輕質(zhì)、高強、易加工、可循環(huán)利用的特點得到大范圍使用[11]。本文根據(jù)歐洲EN 13230-2[12]標準中3點彎曲試驗，對Ⅲ型預應力混凝土軌枕和FFU復合軌枕進行測試，使用數(shù)字圖像相關技術(DIC)得到軌枕的撓度值、應變圖像、裂紋開口位移，從而對2種軌枕受彎特性進行分析，為FFU復合軌枕的推廣和預應力混凝土軌枕抗裂性能的提高奠定基礎。

1 材料及方法

1.1 軌枕

本文采用C60澆筑的Ⅲ型預應力混凝土軌枕和FFU復合軌枕，示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為Ⅲ型預應力混凝土軌枕，長2.6 m，軌枕中縱向鋼筋直徑為7 mm，共10根，總張拉力為415 kN。圖1(b)為FFU復合軌枕，長2.6 m，寬為0.22 m、高為0.16 m。

(a)Ⅲ型預應力混凝土軌枕；(b) FFU復合軌枕

1.2 數(shù)字圖像相關技術(DIC)

傳統(tǒng)的位移、應變測試方法只能提供一點處的位移和應變信息，隨著荷載的增加，試件變形的增大，部分傳統(tǒng)測試儀器與試件表面分離，使得測試數(shù)據(jù)精確度差。數(shù)字圖像相關技術是一種光學非接觸式測量技術，該技術通過軟件將加載前后觀測區(qū)的圖像數(shù)字化，為每個像素賦予灰度值，構建與灰度值和像素坐標相關的相關系數(shù)，計算像素子區(qū)域的相關性。當相關系數(shù)達到最大時，利用加載前后子區(qū)域坐標變化推算出位移情況，進而得到應變信息[13?14]。DIC可得到全斷面的位移、應變信息進而分析物體的裂紋發(fā)展情況，已被認為是一種合理、可廣泛使用的工具，可對結構進行監(jiān)測,研究多種材料的變形特性等[15]。

本文使用GOM光學測量系統(tǒng)，該儀器如圖2所示。該系統(tǒng)由2臺高分辨的攝像機組成，借助高分辨率的測量圖像，這款相機的分辨率為2 752× 2 200 px，像素為600萬，圖像記錄速率最高可達44 Hz，被連接到一臺運行GOM圖像識別程序的電腦上。

1.3 試驗方法

如圖3所示，鐵路運營線上的軌枕在上部車輛荷載和下部道砟作用下，枕中受負彎矩，軌下受正彎矩，由于混凝土抗拉性能差，在拉應力的作用下枕中和軌下容易開裂。軌下處的裂紋由下部逐漸向上拓展，而軌中的裂紋則產(chǎn)生在軌枕頂部。本次實驗主要采用歐洲EN 13230-2[12]標準中枕中負彎矩測試方法。

圖2 GOM光學測量系統(tǒng)

圖3 軌枕枕中及軌下裂紋

為便于數(shù)字圖像相關系統(tǒng)的識別及后續(xù)變形的追蹤，需在2種軌枕的觀測區(qū)內(nèi)制作散斑，如圖4所示，本次試驗選取Ⅲ型預應力混凝土軌枕跨中300 mm×185 mm，F(xiàn)FU復合軌枕跨中300 mm×160 mm區(qū)域為觀測區(qū)，散斑制作方法是先噴涂白漆再噴涂黑色啞光漆。

圖4 散斑噴涂

根據(jù)BS EN 13230[12]規(guī)范進行軌枕測試，現(xiàn)場實驗圖如圖5所示。在軌枕承軌臺下部設置支撐及彈性墊片，在枕中加載處設置彈性墊片和鋼板，使得軌枕受力均勻。實驗中將2臺CCD相機固定在三腳架上，放置在垂直距離軌枕表面一定距離處對軌枕表面進行圖像采集。在軌枕跨中處放置位移傳感器(精度0.001 mm)，測量軌枕跨中豎向位移。加載速率取1 kN/s，每加載5 kN后保持10 s—5 min，加載至軌枕產(chǎn)生肉眼可見裂紋。每5 s對位移進行記錄并對圖像進行采集。將所有圖像傳送至計算機，并與位移傳感器所測位移和液壓伺服儀施加的力相對應。

(a)預應力混凝土軌枕試驗；(b) FFU復合軌枕試驗

2 結果與分析

2.1 抗彎剛度

實驗時通過軌枕枕中的位移傳感器和數(shù)字圖像相關技術分別測得預應力混凝土軌枕和FFU復合軌枕在不同荷載下枕中的豎向位移，并繪制如圖6所示荷載?撓度曲線，圖6(a)為FFU復合軌枕整個加載階段荷載?撓度曲線；圖6(b)為預應力混凝土軌枕整個加載階段荷載?撓度曲線及FFU復合軌枕部分加載階段荷載?撓度曲線。

(a) FFU復合軌枕荷載?撓度曲線；(b) 2種軌枕荷載?撓度曲線

圖6所示，同一軌枕，位移傳感器和圖像相關技術所測曲線趨勢相同，相同荷載下2種方法所測位移差均在0.6 mm范圍內(nèi)，因此數(shù)字圖像相關技術通過非接觸方式所測位移精確性較高，可用于復雜環(huán)境下物體全斷面位移測試。

圖6(b)所示，當荷載為20 kN時，數(shù)字圖像相關技術所測FFU復合軌枕和預應力混凝土軌枕撓度分別為2.708 mm和0.782 mm，位移傳感器所測FFU復合軌枕和預應力混凝土軌枕撓度分別為2.672 mm和0.330 mm，F(xiàn)FU復合軌枕撓度較大。結合圖6(a)，隨著荷載增大，相同荷載下，F(xiàn)FU復合軌枕撓度始終大于預應力混凝土軌枕撓度。

FFU復合軌枕加載至220 kN的過程中，如圖6(a)所示，曲線斜率基本不變，始終處于彈性狀態(tài)。而預應力混凝土軌枕自彈性階段結束后，斜率逐漸減小，剛度發(fā)生改變。在剛開始施加荷載階段，預應力混凝土軌枕初始剛度大，抵抗變形能力強；當荷載達到40 kN時(圖6(b)點a)，由于混凝土抗拉能力弱，開始產(chǎn)生裂紋，曲線斜率減小，剛度下降；隨著荷載的繼續(xù)增加，裂紋不斷擴展，70，100和120 kN時(圖6(b)點b，c和d)發(fā)生明顯的斜率變化，剛度不斷減小。FFU復合軌枕彈性高，可減少振動噪聲，但有研究表明其抗剪能力弱，因此只適用于受彎為主的有砟道床，不適用于橋上[16]。

2.2 裂紋發(fā)展過程

數(shù)字圖像相關技術可以通過水平位移輪廓線或者應變輪廓線表示被測物體裂紋的位置及隨著荷載增加裂紋擴展情況[17]。本文使用應變輪廓線對裂紋位置及擴展情況進行描述，需要指出的是，此處的應變并非結構的真實應變，而是將位移場進行數(shù)值微分所得的表面應變[18]。

圖7(a)～7(e)為不同荷載作用下預應力混凝土軌枕的應變圖，如圖7(a)所示，當荷載達到40 kN之前，應變分布均勻且連續(xù)，無高應變集中現(xiàn)象出現(xiàn)，此時沒有裂紋出現(xiàn)；圖7(b)所示，當荷載達到40 kN時，在跨中左側開始出現(xiàn)較小區(qū)域的應變集中現(xiàn)象，此時開始產(chǎn)生肉眼不可見微裂紋；圖7(c)所示，當荷載達到55 kN時，跨中右側也出現(xiàn)較小區(qū)域應變集中現(xiàn)象，此時存在2條微裂紋；如圖7(d)所示，隨著荷載的增加，應變集中區(qū)不斷向上發(fā)展，表明此時裂紋不斷向上擴展；當荷載達到100 kN時右側應變集中區(qū)出現(xiàn)肉眼可見裂紋，當荷載達到115 kN時左側出現(xiàn)肉眼可見裂紋；隨著荷載的增加，裂紋繼續(xù)擴展。如圖7(e)所示，肉眼可見的預應力混凝土軌枕裂紋與應變集中區(qū)重合，因此，數(shù)字圖像相關技術可獲得早期微裂紋的位置，從而預測裂紋產(chǎn)生位置。由于依靠應變圖描述裂紋，當主裂紋應變較大時，較小應變的微裂紋難以顯示。

圖8(a)～8(d)為FFU復合軌枕在不同荷載作用下的應變圖。圖8(a)所示，當荷載達到35 kN之前，應變均勻分布，無高應變集中區(qū)，無裂紋出現(xiàn)；當荷載增加至35 kN時，如圖8(b)所示，此時FFU復合軌枕右側開始出現(xiàn)橫向微裂紋，該裂紋出現(xiàn)的原因主要為FFU復合軌枕為分層材料，在3點彎曲加載情況下，層與層之間分離；當加載至75 kN時，如圖8(c)所示，右側分層逐漸發(fā)展，左側開始出現(xiàn)分層；如圖8(d)所示，當加載至185 kN時，層間裂紋均會發(fā)展，但由于有一條裂紋發(fā)展較快，應變增加較大，而使其他裂紋在應變圖中難以顯示，以這條裂紋為主裂紋。此時肉眼可見裂紋與圖片中所示主裂紋重合。再次證明數(shù)字圖像相關技術在檢測裂紋中的準確性。

(a) 20 kN預應力混凝土軌枕應變圖；(b) 40 kN預應力混凝土軌枕應變圖；(c) 55 kN預應力混凝土軌枕應變圖；(d) 80 kN預應力混凝土軌枕應變圖；(e) 130 kN預應力混凝土軌枕應變圖

(a) 15 kN FFU復合軌枕應變圖；(b) 35 kN FFU復合軌枕應變圖；(c) 75 kN FFU復合軌枕應變圖；(d) 185 kN FFU復合軌枕應變圖

在加載處，對于混凝土軌枕，其預應力鋼筋在上，上表面受拉(軌枕倒置)，由于混凝土抗拉能力弱，產(chǎn)生豎向裂紋；而FFU復合軌枕采用纖維材料，抗拉能力強，纖維間為薄弱部分，纖維的分層產(chǎn)生橫向裂紋。

2.3 裂紋開口位移(CMOD)

當裂紋路徑確定后，裂紋開口位移可以通過裂紋兩側點的位移差進行計算，裂紋開口位移可用于表示表面裂紋的擴展程度。2種軌枕“荷載—裂紋開口位移”曲線，如圖9所示。

(a) FFU復合軌枕荷載?裂紋開口位移曲線；(b) 混凝土軌枕荷載?裂紋開口位移曲線

由圖9可知，預應力混凝土軌枕和FFU復合軌枕裂紋開口位移均隨荷載的增加而增加。當FFU復合軌枕加載至230 kN時，裂紋開口位移僅為0.023 5 mm；荷載50 kN前，裂紋開口位移增加速率較緩慢，荷載達到50 kN時，裂紋開口處層間已經(jīng)分離導致此后裂紋開口位移增加速率增大。相同荷載下，混凝土軌枕右側裂紋開口位移大于左側，主要由于右側裂紋位置離跨中加載處較近；在荷載達到70 kN前，混凝土軌枕裂紋開口位移增長速率無明顯變化，之后，由于裂紋發(fā)展導致剛度下降，抗裂性能降低，左右側裂紋開口位移增長速率均不斷增大。

3 結論

1) DIC可用于軌枕靜力學測試、裂紋位置預測、裂紋開口位移檢測，具有較高精確性。

2)混凝土軌枕開始處于彈性階段，初始剛度大，隨著荷載增加，進入塑性階段，剛度逐漸減??；FFU復合軌枕始終處于彈性階段。

3) 混凝土軌枕由于結構抗拉能力弱而產(chǎn)生裂紋，裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展將使結構的剛度下降，抵抗變形能力下降，裂紋開口位移增長速率增加。

4) FFU復合軌枕在受彎過程中，發(fā)生分層現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋；在裂紋開口完全分離時，裂紋開口位移增長速率增大。

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Analysis of bending characteristics of FFU composite sleeper and concrete sleeper based on digital image correlation

JING Guoqing1, DU Wenbo1, YOU Ruilin2, DU Yunchang1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Railway Engineering Research Institution, China Academy of Railway Sciences Group Co., Ltd., Beijing 100081, China)

The sleeper is an important part of the track structure. Under the combined effect of load and ballast, the sleeper is in the bending state, which often produces cracks. The cracks will increase the maintenance cost, and affect the safety and comfort of passengers. In this paper, digital image correlation is used to analyze the bending characteristics, crack propagation path and CMOD (crack mouth opening displacement) of III prestressed concrete sleeper and FFU composite sleeper through three-point bending test. The results show that DIC has high accuracy in displacement and crack measures. The concrete sleeper is in the elastic stage at the initial loading stage with large stiffness. With the increase of load, the crack develops continuously, the stiffness decreases gradually, the resistance to deformation decreases, and the increase rate of CMOD increases. The FFU composite sleeper is always in an elastic state during the bending process, and the crack is caused by inter-layer separation. The increase rate of CMOD increases when the crack opening is completely separated, and then remains unchanged.

digital imagine correlation; concrete sleeper; FFU composite sleeper

U213.3+4

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0064 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T 20200261

2020?04?02

中國鐵道科學研究院基金資助項目(2018YJ043)

井國慶(1979?)，男，河北廊坊人，教授，博士，從事軌道結構及軌道力學研究；E?mail：gqjing@bjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)