高速铁路无砟轨道用预应力钢棒疲劳性能试验研究.pdf

铁道建筑
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Railway Engineering
September 2013
文章编号:1003-1995(2013)09-0100-04
高速铁路无砟轨道用预应力钢棒疲劳性能试验研究
姜子清2,董亮2,社香刚,刘伟斌,王福生3,邓娇
(1.中铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081
北京有色金属研究总院,北京100088;4.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412000
摘要:高速铁路无砟轨道结枃中的钢魴疲劳性能是影响无砟轨道结构耐久性的关键因素。针对 CRTS I
型、CRTS皿型板式无祚轨道预制轨道板米用的预应力钢棒,设计了漏斗形试件,首次采用高频疲劳试验
机对预应力钢棒母材进行疲劳性能试验。试验结果表明:预应力钢棒的S-N曲线呈整体连续下降趋
势;疲劳次数」在1x10°周次之前,随疲劳次数増大,应力幅值降低较为明显;疲劳次数N在1×10°
周次之后,应力幅値降低速率逐渐变缓;同时,采用基于 Miner线性损伤理论的有限元法对预应力钢棒
疲劳寿命进行计算分析,计算结果与试验结果吻合良好。试验所得预应力钢棒母材的疲劳寿命曲线,可
为高速铁路无砟轨道结构耐久性研究、预应力钢棒合理选材和设计提供依据。
关键词:预应力钢棒S-N曲线疲劳性能应力幅
中图分类号:U213.2'44;TU511.3文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2013.09.32
高速铁路无砟轨道以钢筋混凝土结构为主要承重
预应力钢棒等材料的疲劳性能一般采用 Wohler
构件,其中,我国应用较为广泛的 CRTS I型、CRTSⅢ曲线,即S-N曲线的形式进行表示,S-N曲线确定的
型板式无砟轨道预制轨道板中采用预应力钢棒。预应是应力幅与断裂时的疲劳次数的关系。日本对于
力钢棒的主要功能是在轨道板预制过程中对钢棒施加新干线板式无砟轨道的轨道板采用SD35钢筋的疲劳
顶拉力,保证轨道板处于一定的预压应力水平范围内,性能进行研究,并给出不同受力条件下钢筋的S-N曲
从而有效控制轨道板裂缝的产生和发展,影响预制轨线2;英国BS-5400疲劳设计规范给出9种钢结构
道板的耐久性。无砟轨道主要承受列车疲劳荷载和温的S-N曲线;欧洲钢结构协会(ECCS)1985年颁布的
度荷载,以弯拉荷载为主,因此,无砟轨道结构中承受钢结构疲芳设计规范给出了14种钢结构的S-N曲
弯拉荷载的预应力钢棒的疲劳性能研究是无砟轨道结线。对于材料低应力条件下的S-N曲线,我国航空
构耐久性研究的重要内容之
航天领域研究较为系统深入,并编制了《中国航空材
料手册》,手册中对结构钢、不锈钢以及其他航空材
收稿日期:2013-03-15;修回日期:2013-06-20
料按类型进行说明,包括物理、化学性能、组织结构、
基金项目;国家“九七三”计划项目(2010CB736102
力学性能以及工艺性能与要求等。在材料力学性能
作者篙介:姜子清(1983-),男,運宁大连人,助理研究员,顽士
中很重要的一项就是疲劳性能,包括光滑试样和缺
采用激光测试技术检测棚车车门与运用图像处理
参考文献
技术相比,其具有不受光线气候影响、数据处理效率
柴雪松,杨风春,边久松,等.货车装载安全状态监测系统的
高、识别准确率高、检测精度高等优点。
研制[J].铁路计算机应用,2002(61):7-9.
5结论
21于冬,顾培亮,陈钟,等,铁路货车装载状态监视和超限检测
系统的研究[J].中国铁道科学,2004,25(5):141-144
通过多次现场测试,结果表明,采用激光二维扫描[3]韩羽,杨本专,程建平.铁路货年综合校测系统「り]中国铁
技术检测棚车车门的开关状态,准确率高实时性好、不路,2002(9):41-
受光线气候影响,优于图像处理测试技术。自动化检测
14]王晓凯.车载激光雷达在铁路复测中的应用探讨J.铁道
替代了人工检査,测量数据自动保存到数据库中,既可建筑,03(23
以随时查询又可以作为存档依据,大大提高了检测效率[S]朱为鹏.基于数字图像处理的货车超限监测算法研究しD
成都:西南交通大学,2003.
和检测精度。因此,该检测方法具有很高的推广价值。
(责任审编王红)
2013年第9期
姜子清等:高速铁路无砟轨道用预应力钢棒疲劳性能试验研究
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口试样旋转弯曲试验的S-N曲线。在铁路工程领
域,1996年中国铁道科学研究院铁道建筑研究所对
铁路混凝土梁内使用的钢筋疲劳试验数据重新整理
分析,并补充做了钢筋母材疲劳试验,给出了普通钢
筋母材、预应力梁内普通钢筋、5预应力碳素钢丝、
7预应力钢绞线及冷拉N精轧螺纹钢筋的S-N
曲线。
虽然国内外研究者对于钢材的疲劳性能进行了较
为深入的研究,但对高速铁路无砟轨道结构中的预应
图2疲劳试验试件
力钢棒的疲劳性能研究尚属首次。根据无砟轨道结构
表1试件汇总
承受列车荷载的低应力幅、高疲劳循环次数的特点,在
实验室对钢筋在不同疲劳荷载条件下的疲劳性能进行
序号钢筋类型试验内容数量
备注
试验研究,绘制其S-N曲线,并采用基于 Miner线性损
13预应常规力
中间部分为5mm的
伤理论的有限元计算方法,对试验结果进行理论计算
力钢棒学试验
2圆棒,夹持区为M10
mm×1.5mm螺纹
校核。
工作部分直径为
试验概况与方法
213预应室温疲
mm的漏斗形试样,夹
力钢棒劳试验
持区为M14mmx1
mm螺纹
试验分为常规力学性能试验和室温疲劳试验。其
中,常规力学性能试验主要测试材料抗拉强度、屈服强1.2测试系统
度和断后伸长率性能,测试标准为《金属材料拉伸试
)常规力学性能试验
验第1部分:室温试验方法》(CB/T228.1-2010);室
常规力学性能采用微机控制电液伺服万能试验机
温疲劳试验主要测试室温条件下材料的疲劳寿命,测
进行试验,试验机最大荷载为300kN,精度为±1.0%,
试标准为《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》行程为250mm,有效拉伸空间为15mm,满足相关规
(CB/"T3075-2008)。
范和试验要求条件。试验机如图3所示。
1.1试件加工
常规力学性能试验的试件采用中间工作部分为
d5mm,两端夹持区为MI0mm×1.5mm螺纹,原始标
距为25mm的圆棒试样,为保证材料力学性能的重复
性,共加工同批次试件2根,如图1所示。疲劳试验的
试件采用中间工作部分直径为d5mm的漏斗形试样,
为保证试验中试件疲劳破坏出现在工作区而不在螺纹
夹持区,夹持区加工为M14mmx1mm的螺纹,共加
图3常规力学性能试验机
工同批次试件27根,如图2所示。加工试件信息汇总
如表1所示。
2)疲劳性能试验
在预应力钢棒S-N曲线试验中,采用瑞士
Amsler00HFP5100高频疲劳试验机进行试验,疲劳试
验机如图4所示。直径的13预应力钢棒采用
Amslerl00HFP5100高频疲劳试验机进行试验,试验机
最大负荷为100kN,频率最大