CRTSⅡ型板式无砟轨道层间摩擦参数及性能影响研究.pdf

第51 卷 第01 期 机械 Vol.51 No.01 2024 年 1 月 MACHINERY January 2024 收稿日期：2023-10-26 基金项目：京沪高速铁路股份有限公司科技研究项目（京沪科研-2020-13、京沪科研-2022-22、京沪科研-2022-20）作者简介：谭诗宇（1992），男，湖北仙桃人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为铁路轨道工程设计，E-mail：。CRTS型板式无砟轨道层间摩擦参数 及性能影响研究 谭诗宇1,2（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，湖北 武汉 430063）摘要：针对 CRTS型板式无砟轨道离缝后的层间相互作用关系，开展现场运营线及室内推板试验，建立CRTS型板式无砟轨道的力学特性分析模型，研究离缝条件下不同层间摩擦参数对轨道结构力学性能的影响。研究结果表明：实际运营状态下的轨道板随着顶推力不断增大，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，完全脱粘后发生滑移，轨道板失稳发生水平位移的推力在 160200 kN 之间，轨道板发生稳定滑移的水平推力在 210250 kN 之间，对应摩擦系数为 2.53.1；室内试验轨道板与砂浆层之间在无粘结力的最不利状态下，轨道板发生稳定滑移的水平推力在 5556 kN 之间，对应摩擦系数为 0.790.80；随着层间摩擦系数增加，会一定改善轨道结构受力变形，但影响程度有限，摩擦系数由 0.7 增加至 3.1 时，宽窄接缝受力最大减小 6.6%，钢轨和轨道板最大上拱位移分别减小了 4.19%和 5.7%；对于已经出现离缝的 CRTS型板式无砟轨道，层间摩擦状态影响较小，应提前预防和避免层间离缝病害的产生，保证层间粘结完好。关键词：高速铁路；CRTS型板式无砟轨道；摩擦系数；推板试验；影响规律 中图分类号：U213.5+3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.01.007 文章编号：1006-0316(2024)01-0045-09 Interlayer Friction Parameters and Performance Impact of CRTS Slab Ballastless Track TAN Shiyu1,2(1.China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China;2.Hubei Key Laboratory of Railway Track Safety Service,Wuhan 430063,China)Abstract：In response to the interlayer interaction relationship of CRTSII type slab ballastless track after separation,on-site operation line and indoor push plate tests were conducted to establish a mechanical characteristics analysis model.The influence of different interlayer friction parameters on the mechanical properties of the track structure with separation was studied.The research results show that under actual operation conditions,the track plate gradually debonds with the mortar layer as the jacking force increased.After complete debonding,sliding occurs.The horizontal displacement thrust of the track plate due to instability is between 160 kN and 200 kN.The horizontal thrust of the track plate due to stable sliding is between 210 kN and 250 kN,corresponding to a friction coefficient of 2.53.1.In the most unfavorable state of no bonding force 46 between the track board and the mortar lboard is between 55 kN and 56 kN,andfriction coefficient increases,the deformthe friction coefficient increases from 0.76.6%,and the maximum upward displarespectively.For CRTSII slab ballastlefriction state is relatively small.It is necensure good interlayer bonding.Key words：high speed railway；CRTSCRTS型板式无砟轨道是我国无砟轨道的主要结构型式之一，200用于京津城际铁路后，陆续在京沪武、宁杭和沪杭等 10 余条高速铁路展里程约 8858 公里1-3。高平顺性是板式无砟轨道板的主要技术亮点，在部分应用经验，但德国国土面积较小条件相对平稳，无论是在宏观跨区域场层面、还是局部地域极端气候条件我国都不具有直接可比性，这使得该我国应用环境面临巨大挑战。CRTS型板式无砟轨道板通过螺纹钢筋纵向张拉连接，板间接缝填混凝土，轨道板下通过 3 cm 厚 CA座板或支承层黏结。轨道结构的安全长期耐久性受板间接缝状态、砂浆层轨道板张拉锁定温度等因素影响。现现，既有 CRTS型板式无砟轨道在中出现轨道板裂纹、层间离缝、宽窄轨道板上拱等病害，其中层间离缝病较为普遍4-5。层间离缝病害的出现板的垂向稳定性，在夏季高温条件下轨道板出现上拱病害，直接影响行车目前有学者针对 CRTS型板式的层间病害进行了相关研究。李东龙等7、粟淼等8研究了 CRTS型道层间离缝对轨道结构力学性能的影 机械 第 51 卷 ayer in the indoor test,the horizontal thrust for stable sld the corresponding friction coefficient is 0.79 to 0.80.mation of the track structure improves,but the influence 7 to 3.1,the maximum force on the wide and narrow joacement of the steel rail and track plate decreases by ess track with already existing separations,the influecessary to prevent and avoid interlayer separation disea slab ballastless track；friction coefficient；push plate te国高速铁路08 年最先应、京石、石路上铺设，延是 CRTS型在德国取得小、且气候域空间温度件层面，与该型轨道在过 6 根精轧填充微膨胀砂浆层与底全稳定性和层黏结状态、现场调研发在服役过程窄接缝破碎、病害（图 1）削弱了轨道下，易导致车安全。式无砟轨道东昇等6、陈板式无砟轨影响，赵国 堂等9、朱永见等10、张向民等病害产生的机理进行研究。刘伟等13、季杰等14对 CRTS型板间离缝病害整治技术进行了相关知，既有针对 CRTS型板式无缝的研究主要集中在病害机理、整治技术研究等方面，尚缺乏针轨道板与 CA 砂浆层之间相互作础研究。图 1 现场层间离缝病鉴于此，针对轨道板与 CA的相互作用关系，开展了 CRTS轨道运营线及实验室内推板试验型板式无砟轨道的力学特性分离缝条件下不同层间摩擦状态对性能的影响。研究成果可为 CR砟轨道养护维修、病害预防与整参考价值。第 01 期 2024 年 liding of the track.As the interlayer is limited.When oints decreases by 4.19%and 5.7%nce of interlayer ases in advance to est；influence law 等11对层间离缝伟斌 12、王会永板式无砟轨道层关研究。综上可无砟轨道层间离力学性能影响、针对层间离缝后作用关键参数基 病害 A 砂浆层离缝后S型板式无砟验，建立 CRTS分析模型，研究对轨道结构力学RTS型板式无整治提供一定的第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 47 1 层间参数试验概况 当轨道板与CA砂浆层之间出现脱粘离缝，此时轨道结构层间主要为摩擦作用。为确定离缝后层间摩擦关键参数，开展现场运营线和室内推板试验。推板试验用到的设备主要包括数据采集仪、动态荷载传感器、动态位移计、千斤顶、水磨钻、扭力扳手等。1.1 运营线试验 运营线试验在某高速铁路 CRTS型板式无砟轨道区段进行，现场随机选取左右线各 2块已离缝的轨道板开展推板试验，试验板号分别记为 Rb01、Lb01、Rb02、Lb02，如图 2 所示。解除试验轨道板两端宽窄接缝及张拉锁件，取出板上既有植筋，松开板上扣件并抬升钢轨，使试验轨道板在水平上仅受CA砂浆层的约束。利用相邻轨道板作为顶推反力墙，在接缝处安装千斤顶和测力传感器，通过千斤顶对试验轨道板施加纵向推力，使其克服 CA 砂浆层粘结力及层间摩擦力发生纵向位移，利用数据采集仪记录加载过程中的顶推力、位移数据。1.2 实验室试验 依托实验室 CRTS型板式无砟轨道实尺模型，进行推板试验，如图 3 所示，其中部分砂浆层已破碎，以模拟实际的层间离缝情况。实验室试验分为纵向推板试验和横向推板试验，纵向推板采用既有相邻的 CRTS型板式无砟轨道作为反力墙，横向推板通过在一侧浇筑 2 个反力墩作为反力墙。在反力墩与试验轨道板间安装千斤顶及测力传感器，通过千斤顶对试验轨道板施加水平推力，使其克服砂浆层的摩擦力发生水平位移，采用数据采集仪记录加载过程中的顶推力、位移数据。1.3 试验方法与步骤 1.3.1 运营线试验（1）试验轨道板解锁 凿除试验轨道板前后的宽窄接缝混凝土，解锁张拉锁件，使单块轨道板处于独立状态。纵向推板试验需利用相邻轨道板作为顶推反力墙，为保证顶推墙的稳定，相邻轨道板的另一侧宽窄接缝维持原状不解锁。（2）试验轨道板上既有植筋取出 试验轨道板存在既有植筋，采用水钻将既有植筋取出，取筋采用直径 40 mm的水钻钻孔，钻孔深度 400 mm。（3）拆除试验轨道板上扣件，抬升钢轨 松开试验轨道板上扣件，拆除扣件垫板，抬升钢轨，保证推板时试验轨道板不受钢轨、扣件等约束。500350850350500 图 2 现场推板试验示意图（单位：mm）（4）千斤顶及传感器安装 在指定位置安装动态位移计，动态位移计通过特制支架固定。安装千斤顶，作用位置为轨道板端部 1/2 高度位置处，保证试验过程中 48 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 轨道板仅受水平推力。（5）连接传感器、数据采集仪、笔记本电脑在正式加载试验前，用 20 kN 荷载进行预加载，预加载持续时间 1 min 后卸载。在确认测试系统正常后，即可进行正常推板试验。（6）加载 推板荷载按每级 10 kN 逐级加载，每级荷载静停 60 s，直至轨道板与砂浆层之间发生水平位移。加载过程中，两台千斤顶同步加载，并实时监测试验轨道板横向及垂向位移，终止加载判定条件为轨道板累计水平位移达 3 mm，一旦发生突变位移，停止加载。（7）卸载 按 10 kN 每级逐级卸载，直至空载。检查采集仪采集到的荷载位移数据。确认无误后，拆除千斤顶、传感器等试验设备。（8）线路临时恢复 重新安装轨道板、钢轨、扣件，精调线路，使其满足线路平顺性要求。重新安装试验轨道板前后张拉锁件，从中间至两边对称张拉轨道板张拉锁件。采用特制夹持限位装置四角夹持轨道板，保证试验轨道板的稳定性，不影响线路正常运营，在后续天窗点重新灌注 CA 砂浆层恢复线路。图 3 实验室横向推板试验示意图（单位：mm）500350850350500（a）轨道板顶推示意图 、铁垫板胶垫；作业空隙；压力传感器；千斤顶。（b）详图 A 图 4 轨道板顶推示意图（单位：mm）第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 49 1.3.2 实验室试验 在室内实验室场地内，采用部分破碎的 CA砂浆层模拟现场离缝最不利情况，具体试验方法和步骤同运营线试验步骤（4）（7），实验室推板试验情况如图 5 所示。图 5 实验室推板试验测试 2 试验结果及分析 2.1 运营线推板试验结果分析 2.1.1 Rb01 轨道板试验结果 运营线 Rb01 轨道板水平推力与位移变化曲线如图 6（a）所示，可知：当顶推力达 160 kN时，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，开始发生位移，但位移较小；直至顶推力达到 200 kN 前，轨道板的水平位移均在 0.2 mm 以下；当顶推力达到200 kN 时，轨道板与砂浆层完全脱粘，发生滑移，位移迅速增大。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 210 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 2.5 左右。2.1.2 Lb01 轨道板试验结果 运营线 Lb01 轨道板水平推力与位移变化曲线如图 6（b）所示，可知：当顶推力达 170 kN时，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，开始发生位移，但位移较小；直至顶推力达到 200 kN 前，轨道板的水平位移均在 0.2 mm 以下；当顶推力达到200 kN 时，轨道板与砂浆层完全脱粘，发生滑移，位移迅速增大。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 210 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 2.5 左右。2.1.3 Rb02 轨道板试验结果 运营线 Rb02 轨道板水平推力与位移变化曲线如图 6（c）所示，可知：当顶推力达 200 kN时，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，开始发生位移，但位移较小；直至顶推力达 220 kN 前，轨道板的水平位移均在 0.2 mm 以下。当顶推力达到220 kN 时，轨道板与砂浆层完全脱粘，发生滑移，位移迅速增大。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 260 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 3.1 左右。2.1.4 Lb02 轨道板试验结果 运营线 Lb02 轨道板水平推力与位移变化曲线如图 6（d）所示，可知：当顶推力达 180 kN时，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，开始发生位移，但位移较小。直至顶推力达到 200 kN 前，轨道板的水平位移均在 0.2 mm 以下。当顶推力达到200 kN 时，轨道板与砂浆层完全脱粘，发生滑移，位移迅速增大。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 250 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 2.9 左右。综合现场运营线推板测试结果可知，轨道板与 CA 砂浆层的摩擦系数在 2.53.1 范围。50 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 （a）Rb01 （b）Lb01 水平推力/kN 水平推力/kN （c）Rb02 （d）Lb02 图 6 运营线轨道板水平推力位移曲线 2.2 实验室推板试验结果分析 实验室纵向推板和横向推板的水平推力与位移变化曲线如图 7 所示。由图 7（a）可知：纵向推板当顶推力达到55 kN 时，轨道板与砂浆层开始发生位移，发生位移后，轨道板近乎匀速滑移。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 55 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层 的层间摩擦系数在 0.79 左右。由图 7（b）可知：当顶推力达到 30 kN 时，轨道板与砂浆层开始发生位移，但位移较小；当顶推力达到 56 kN 时，轨道板与砂浆层发生滑移，位移迅速增大。轨道板发生滑移后，顶推力维持在 56 kN 左右，该阶段轨道板近乎匀速滑移，可认为轨道板所受摩擦力与顶推力相等，计算得到轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 0.80 左右。（a）纵向推板 （b）横向推板 图 7 轨道板水平推力位移曲线 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 51 3 层间摩擦系数对轨道结构力学性能影响 由上述现场运营线及室内推板试验可知，轨道板与 CA 砂浆层的层间摩擦系数在 0.783.1 范围，在此基础上建立 CRTS型板式无砟轨道力学特性分析模型，研究层间摩擦参数对轨道结构受力性能的影响。3.1 计算模型及参数 CRTS型板式无砟轨道的主体结构包括钢轨、轨道板、CA 砂浆层、底座板及宽窄接缝均采用实体单元模拟，扣件利用三向非线性弹簧模拟15-17。轨道结构模型参数如表 1 所示。表 1 无砟轨道结构模型参数 部件 密度/（kgm-3）弹性模量/Pa 泊松比 线膨胀系数/（-1）钢轨 7850 2.1010110.30 1.210-5 轨道板 2500 3.5510100.20 1.010-5 砂浆层 2400 8.501090.34 1.310-5 底座板 2500 3.1510100.20 1.010-5 底座板底部采用固定约束，轨道结构两端采用对称约束18-20，轨道板与 CA 砂浆层交界面及宽窄接缝与轨道板端交界面采用摩擦接触模拟21-22。计算模型考虑窄接缝缺损 40 mm 的不利条件，施加荷载考虑整体升温 4523。轨道板与 CA 砂浆层之间摩擦系数分别取 0.7、1.3、1.9、2.5、3.1，计算分析不同层间摩擦状态对轨道系统受力性能的影响。无砟轨道整体有限元模型如图 8 所示。宽窄接缝钢轨CA砂浆窄接缝伤损底座板 图 8 CRTS型板式无砟轨道有限元分析模型 3.2 摩擦系数对轨道板上拱变形的影响 以层间摩擦系数 0.7 为例，轨道结构的变形情况如图 9 所示，在考虑窄接缝缺损 40 mm的不利条件下，轨道结构整体呈以宽窄接缝为中心的斑状上拱变形。图 9 轨道结构变形情况 绘制不同层间摩擦参数条件下轨道板及钢轨上拱变形峰值变化曲线如图 1011 所示。可知：轨道板和钢轨的上拱变形整体随着层间摩擦系数的增加呈线性减小趋势。层间界面摩擦系数的变大会一定程度减小轨道结构的上拱变形，但影响程度有限，当摩擦系数由 0.7 增加至 3.1 时，轨道板最大上拱变形由 7.149 mm 减小至 6.737 mm，减小了 5.7%，钢轨最大上拱变形由 4.01 mm 减小至 3.842 mm，减小了 4.19%。图 10 轨道板上拱位移随层间摩擦系数变化规律 3.3 摩擦系数对宽窄接缝受力性能的影响 不同层间摩擦参数条件下宽窄接缝所受压应力峰值变化曲线如图 12 所示，可知：宽窄接52 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 缝在整体升温荷载作用下所受压应力整体随着层间摩擦系数的增加呈线性减小趋势。层间摩擦系数的增加，会一定程度上缓解宽窄接缝所受压应力，但同样影响程度有限，当摩擦系数由 0.7 增加至 3.1 时，宽窄接缝最大压应力由41.43 MPa 减小至 38.694 MPa，最大压应力减小了 6.6%。图 11 钢轨上拱变形随层间摩擦系数变化规律 图 12 宽窄接缝受力随层间摩擦系数变化规律 综上可知，当轨道结构层间已出现离缝时，此时层间摩擦状态对已离缝 CRTS型板式无砟轨道力学性能影响相对较小，应在前期保证层间粘结完好，预防和避免层间离缝病害发生。4 结论 针对 CRTS型板式无砟轨道离缝后的层 间相互作用关系，开展了现场运营线及室内推板试验，同时建立了 CRTS型板式无砟轨道的力学特性分析模型，研究了离缝条件下不同层间摩擦状态对轨道结构力学性能的影响，得到如下结论。（1）运营线路轨道板推板试验中，随着顶推力不断增大，轨道板与砂浆层逐渐脱粘，完全脱粘后发生滑移；现场试验随机选取的 4 块轨道板，轨道板失稳发生水平位移的推力在160200 kN；轨道板发生稳定滑移的水平推力在 210250 kN，对应的摩擦系数为 2.53.1。（2）室内推板试验模拟层间最不利状态下的轨道板与砂浆层之间无粘结力状态，随着顶推力不断增大，轨道板位移后直接发生滑移，对应水平推力在 5556 kN，对应的摩擦系数为 0.790.80。（3）随着层间摩擦系数的增加，会一定改善轨道结构受力变形，但影响程度有限，摩擦系数由 0.7 增加至 3.1 时，宽窄接缝受力最大减小 6.6%，钢轨和轨道板的最大上拱变形分别减小了 4.19%和 5.7%。（4）层间摩擦状态对已经出现离缝的CRTS型板式无砟轨道影响相对较小，应在前期保证层间粘结完好，预防和避免层间离缝病害的发生。参考文献：1钟阳龙，朱建华，高亮，等.桥上 CRTS型板式无砟轨道温度力释放整治研究J.铁道工程学报，2021，38（5）：36-40.2刘学文，谷永磊，刘钰.CRTS 型板式无砟轨道水平推板试验及仿真J.中国铁路，2022（2）：7-14.3马超，王海超，张晓东.CRTS型板式无砟轨道抬轨更换轨道板施工参数研究J.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2023，36（2）：56-61.4张文强，李斌，杨洋.上拱离缝对 CRTS 型板式无砟轨道动力特性的影响J.兰州交通大学学报，2023，42（4）：18-24.5刘竞，李书明，潘永健，等.纠偏对 CRTS型板式无砟轨道结构影响分析J.铁道科学与工程学报，2021，18（8）：1943-1950.（下转第 60 页）60 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 loosening detection methods for threaded fastenersJ.Mechanical Systems and Signal Processing，2022（168）：108652.5周栋，吴慧勇.基于杠杆原理的起落架疲劳试验随动加载装置分析J.飞机设计，2008（1）：20-22.6魏中伟，蔡洋涛，吴启勇，等.地铁中心销螺栓失效分析及振动试验研究J.机械工程师，2019（10）：48-51.7李志彬.螺栓连接结构松动失效机理研究D.大连：大连理工大学，2019.8宁荣，褚仁利，刘小山.5XXX 系铝合金冷挤压成形内螺纹性能研究J.内燃机与配件，2021（12）：33-35.9曹俊.7050 铝合金塑性铰变形损伤与精准断裂基础研究D.西安：西北工业大学，2018.10黄定辉，杨恩超，洪鑫，等.冷变形对 7075 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