预应力钢筋混凝土轨枕的冲击试验

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

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%。