预应力钢筋混凝土轨枕的冲击试验

摘要：伍伦贡大学采用了大功率重锤冲击试验机以评估预应力钢筋混凝土轨枕在冲击荷载下的脉冲应变影响。本文不仅详细介绍了大功率重锤冲击试验机，试验的仪表化和标准化，还包括故障模型分析、裂纹扩展、弯曲刚度和能量吸收机制。测试用的预应力轨枕由澳大利亚制造，现场的轨道基床已由实验室模型获得的频率响应函数进行了模拟和校准。试验主要利用大功率重锤冲击试验机研究了预应力轨枕的能量转移机制。

关键字：预应力钢筋混凝土轨枕，冲击试验，有砟铁轨

Abstract:

The wollongong university high power hammer impact test enginery prestressed concrete sleeper to assess the impact of the load in pulse strain effects. This paper not only introduces detailed high-power hammer impact test enginery, test instrument, and standardization, including failure model analysis, crack propagation, bending stiffness and energy absorption mechanism. Test of prestressed sleeper by Australia manufacturing, the scene of rail and the bed had been obtained by laboratory model frequency response function and calibration of the simulation. Test the main use high power hammer impact test enginery studied energy transfer mechanism of prestressed sleeper.

Key word: prestressed concrete sleeper, impact test track a frantic jumble

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1.引言

本文通过对轨道环境的模拟，使用冲击试验方法研究了预应力钢筋混凝土轨枕的能量转移机制，并重点用试验验证了轨枕的极限抗冲击性和破坏模型。试验所用的预应力钢筋混凝土轨枕基于澳大利亚标准AS1085.14[2]设计制造，轨道的支撑环境由弹性材料模拟，该材料已被现场和实验室震动测定所验证[3]。本次试验采用的是大功率冲击试验机，以评估柔性支撑环境下预应力钢筋混凝土轨枕的冲击响应，测试结果可用于验证设计的数值模型，和预测其他不同轨道环境下的应力转移机制。

2.试验综述

2.1试样

试验所用的钢筋混凝土轨枕由澳大利亚的一家生产商供应，这也是“澳大利亚铁路工程与技术合作研究中心（Rail CRC）”下的一项合作研究项目。我们采用是常用于宽轨的全尺寸预应力钢筋混凝土轨枕，其尺寸规格如表1所示。用于浇筑预应力轨枕的材料是高强度混凝土，28天的抗压强度达到了55MPa，且其中预应力钢筋的断裂强度也达到了1860MPa。按照澳大利亚标准AS1012.14 [4]，对轨枕进行钻芯取样，测试发现其2年的平均抗压强度达到了80MPa，我们同样相信那些高强度的钢筋也具有极佳的质量，其强度不会随时间而发生太大的变化。预应力钢筋混凝土轨枕的试样如图2所示。

表1 试样规格

图2 轨枕试样

2.2支撑环境

在铁路轨道系统中，轨枕下方是一层松散粗糙且具有高摩擦的颗粒材料，也就是我们常说的道砟，它们通常由一个特定粒度分布的碎石组成。如果采用真实的道砟基床去进行边界条件的试验或者数值模拟，实际操作是非常困难的。为了均匀分布来自轨枕下部的压力，并且在多次高速冲击后轨枕依然能保持强度，我们根据澳大利亚标准AS1085.19J[3]采用聚合物材料（或者橡胶垫）来代替道砟。该标准指出，当轨枕两端所受的静态荷载由50kN增大到60kN时，允许轨枕产生0.1mm至0.5mm（含0.1和0.5）的垂直位移。我们通过测量橡胶垫的静态刚度来选择合适的替代材料，根据静态测试和无损动态测试[5]，发现用于采矿工业的传送带是一个较好的选择，我们还发现不同层数的橡胶垫能模拟不同的轨道支承基床，例如，2-3层橡胶垫能模拟刚性轨道基床。此次研究的重点是对轨枕形变的测量，虽然还存在道砟的摩擦损耗等不确定因素，但我们会忽略道砟的摩擦，特别是粉状道砟的摩擦因素，只对问题进行简化考虑。

2.3试验方案

在本次研究中，要选择合适的落锤高度和落锤质量以模拟冲击荷载。这个试验方案是为了确定特定轨枕的能量吸收能力，这样便可以反算出重锤坠落的适宜高度，即先对轨枕进行一系列的预测试，通过单边冲击让其完全破坏[1]，其结果可以用来调整重锤的坠落高度。为了消除周围噪音和地面震动的影响，我们为混凝土轨枕准备了一个特殊的支撑环境，并把它放置在实验室一块隔离的高强度基座上，该基座由高强度钢筋混凝土制成，尺寸达到了5×3×2.5m，基座下部还铺有一层压实的沙层，并被50mm厚的减震材料所包围。基座上还有钢拉杆，拉杆上有螺纹孔，可以用来安装丝杆支撑座。试样一侧的撞击板用来把荷载转移给整个试样，试样另一端的螺纹钢把轨道固定在基座上。钢制重锤与滚轴相连，并可以在导向板内滑落，以这种引导方式进行自由坠落的摩擦力很小，重锤先机械升到合适的高度（这也是轨枕所能承受的极限高度），再由电子快速释放系统进行释放[1]。该冲击试验装置能够满足试样的测试工作，其工作区达到了1800×5000mm。

2.4大功率落锤冲击试验机

该试验机的核心部件就是那个可以自由下落的重锤，它的最大坠落高度为6m，等效冲击速度达10m/s。冲击荷载能够由连接到计算机的动态测压传感器进行监控和记录，重锤的效能可由高速照相机进行校准。但是由于导向板存在摩擦，这会使冲击时重锤的速度降到理论速度（Vt）的98%，为了在冲击时能够达到规定的速度，我们还需要根据系数（1/0.982=1/0.96）对坠落高度进行调整。由能量守恒定律可知，坠落高度（h，m）和坠落速度（V，m/s）满足：

0.98V=（1）

g为重力加速度（=9.81m/s2），我们会在同条件下对混凝土轨枕进行重复冲击试验。值得注意的是，该装置可以用来研究破坏和能量吸收机制、冲击荷载（通过动态测压传感器）、加速度和工程结构的裂纹扩展，所以对预应力钢筋混凝土轨枕进行不同高度的坠落测试也可以用来进行伤害等级分级。

2.5利用高速照相机对撞击器进行校准

表2展示的是用高速照相机评估冲击试验装置的效能。自由落体的速度可由能量守恒定律计算出来，而实际速度由物体在相应时间范围内移动的距离而获得。撞击器和参比柱上都有10mm长的刻度，当撞击器上的标记经过参比柱上的标记时，其时间范围就能够被高速相机所捕获。从表中可以看出，当坠落高度增加时，试验装置的效能会降低（即实际撞击速度和理论速度的差距会变大），从所有坠落高度的平均效能看来，损失的速度约为2%。

表2 大功率冲击试验机的效能

2.6仪表化

在每个坠落高度的冲击试验中，我们都要测量包括冲击荷载、加速度、裂纹宽度和破坏程度。冲击荷载可以用动态测力传感器测量，传感器最大量程为2000kN；用Dytran Series 3200B型加速计[6]测量加速度，加速计可测量的峰值振幅达10000g（此处g为重力加速度，约为9.81m/s2）；裂纹宽度用分辨率为0.1mm的放大镜测量；变形用BCM Sensor Technologies [1]公司生产的箔式应变计进行测量，在进行应变测量时，测量部位主要是轨枕中部和两端横截面的上表面和下表面，这样便能够计算出在冲击荷载下混凝土轨枕的曲率和合成弯矩。

2.7数据采集系统

底座内置了来自美国国家仪器公司的信号采集处理单元（SCXI）和串行通信接口（SCI）以获取数据信号，其中包括24条应变信号通道，4条电压信号通道和8条加速信号通道。当重锤落下时，会产生冲击荷载信号，该信号会触发数据采集系统，然后冲击荷载、加速度和应变的信号都会被记录下来，其中10kHz的低通滤波器会过滤掉噪声和高频信号。

3.结果分析

能量守恒定律能够较好地运用于混凝土挠度构件的冲击力学分析。可以通过两种方式建立能量守恒关系：一是荷载挠度，二是冲量与动量。建立能量守恒时，我们只考虑初始条件和结束条件，而忽略撞击过程[7]，当撞击结束时，重锤的做功会被转化成应变、破坏和动能。3.1惯性负载的影响

值得注意的是，在试验中，我们靠锤头或者撞击器上的动态测力传感器来记录冲击荷载，但总所周知的是，惯性力对试样的弯曲荷载也有较大的影响，因此，实际弯曲荷载Pb(t)、仪器记录的冲击荷载Pt(t)和广义上的惯性负载Pi(t)满足如下关系[7]:

Pb(t) =Pt(t) -Pi(t) (2)

对于任何装置，惯性负载Pi(t)都可以通过以下虚功表达式计算出来：

Pi(t) u0=(3)

此处a(t)为轨枕在x方向上的加速度， u0为给定的虚位移， u(x)为广义虚位移，m为每单位长度(m)试样的质量(kg)[7]。

3.2撞击器的能量

在撞击器撞击试样时，其动能可由重锤的加速度ah(t)算出，重锤动能(Eh)的计算公式如下[8]：

Ehah(t)du(4)

ut为时间t内的位移。

此外，重锤在某一特定高度的势能(Ep)可由公式5计算[9]：

Ep=Mgh(5)

此处M为重锤质量（592kg），g取9.81m/s2，h为坠落高度（m）。

3.3撞击器的能量损失

根据Wang的理论[10]，撞击器的能量损失（ΔE）由接触区域的摩擦造成，并可由以下积分式计算：

(6)

因数0.98为装置的效能，M为重锤质量（592kg），Pt (t)为冲击荷载（kN），g取9.81m/s2，h为坠落高度（m）。

3.4试样的能量吸收

外力（此处为冲击荷载P）做的虚功（δW）计算式如下：

(7)

此处δu0为荷载点的虚位移。

根据Birch等人的理论[11]，轨枕的实际能量吸收（EA）可由平均塑性冲击力和加速位移相乘估算出，计算式如下：

(8)

和

(9)

此处Pmp为塑性冲击力（来自动态测力传感器）的平均值，平均值可由最大冲击力和冲击荷载弹性负荷的最大值计算，此外，ü0 (t)为t时刻负载点的加速度，u0为t时刻负载点的位移。4.结果与讨论

撞击器在每个坠落高度的能量损失如表3所示，其势能可由公式6计算。研究发现，随着坠落高度增加，由接触摩擦而产生的能量损失减少，撞击器的平均能量损失在30%左右，这意味着总势能70%的能量转移到轨道相关构件。在铁轨系统中，损失的部分能量以以下方式被吸收：首先，车轮以弹性形变再还原的形式消耗一部分，然后，轨枕以震动的形式消耗一部分，并且车轮会由于发热、径向和纵向裂纹或失圆缺陷而更加恶化，甚至火车的悬挂弹簧也会受损。此外，轨枕上的发状裂纹也会扩展，特别是在跨距中部，此处弯矩最小[12]，研究发现，仅仅在冲击达到一定的程度时，震动才有可能加速此处的表面裂纹扩展，这要经过无数次应力循环，轨枕才会发生裂纹扩展并暴露出预应力钢筋[1]。

表3撞击器在不同坠落高度的能量损失

利用公式9，轨枕吸收的能量可由平均塑性冲击荷载和最大位移相乘获得，其中位移由加速度积分计算。注意此处输入能量是轨道其它构件吸收后的剩余能量，此能量为总势能和表4中能量损失之差。对于这种轨道（即柔性轨道），轨枕仅以弯曲变形的形式吸收了冲击能量的45%，值得注意的是，这个数值是基于最大位移和平均塑性冲击荷载的简化计算，所以数值比轨枕的实际动态特性要大。研究发现，25%的冲击能量都被道砟支承系统和轨道衬垫所消耗。还有一点要注意的是，试验装置采用的是硬橡胶（高密度聚乙烯），此类橡胶、EVA等较软的衬垫将会消耗更多的冲击能[12]。

随后再进行一系列累积冲击试验，每次坠落的高度依次增加以确定混凝土轨枕的极限冲击效果。轨枕在冲击荷载大约在1800kN下的极限效果，很明显混凝土轨枕为劈裂破坏模式，该破坏模式也能在实际环境中也能看到，此时轨枕沿预应力钢筋的方向劈裂成3部分。尽管在轨枕两端出现了混凝土剥落和预应力钢筋屈服的现象，但是并没有出现严重的界面裂纹和钢筋被破坏的情况，基于此，人们开始注重预应力钢筋混凝土轨枕的缺陷设计和分析。对于轨枕的强度评估，根据冲击试验结果来看，静态试验方法并不适用于实际情况下有砟轨道轨枕的研究，试验结果显示，轨枕在实验室下的极限冲击能力为1800kN（等效力矩108kNm），这比静态试验下的70kNm高得多[13-16],其性能差异达到了40%，这个差异与混凝土轨枕未开发的保留强度有关。

5.结论

由于掌握的知识有限，当前对于轨道系统的设计方式没有考虑到冲击荷载。本次研究的目标就是通过极限状态的设计理念，为预应力钢筋混凝土轨枕找到一条合理的设计方法。本课题是对预应力轨枕的综合性研究，包括荷载条件、静态和动态性能，还有抗冲击性。本次采用伍伦贡大学的大功率冲击试验机，研究了预应力轨枕的冲击效果，详细描述了试验过程，并取得了良好的试验结果，定量分析了动态条件下，预应力轨枕的断裂能和能量损失，同时，这两项也可作为极限状态下轨枕的伤害衡量指标。

本文重点介绍了预应力钢筋混凝土轨枕的能量吸收机制和冲击荷载对轨道结构的影响。把能量守恒运用于铁路轨枕和轨道系统，研究了撞击器（对应实际场景的车轮）和橡胶垫（对应于道砟）的能量损失。结果发现，对于这种柔性轨道（轨道模量10-20MPa），高达60%的冲击能会对车轮、衬垫和道砟造成损害，并会加速轨枕的裂纹扩展，剩余约45%的能量会被轨枕以弯曲形变的形式所吸收（包括断裂），其能量吸收能力（或者称之为断裂能）也代表了预应力轨枕的抗破坏能力。研究同样发现，由于高应变速率的影响，预应力轨枕中的混凝土强度在动态破坏模式下起决定性作用。一般情况下，标准的静态试验并不能体现轨枕在实际使用环境中的真实寿命，因为极限冲击荷载要比静态方法下的计算值要高得多，且动态破坏模型也与预期的弯曲破坏模型不同。所以，当前轨枕的设计理念过于保守，此次基于极限状态和性能的研究会为轨枕设计找到新的方向[15-18]。

致谢

这里要感谢澳大利亚铁路工程技术合作研究中心(Rail-CRC)为本次研究提供财政支持，感谢技术员Alan Grant，Ian Bridge，Bob Roland和Jason Knust在研究期间提供的帮助，并且，第一作者还要感谢澳大利亚政府提供的奋进奖学金，才能给与其访问日本东京铁道技术研究所的机会。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。