中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University (Science and Technology)
第 50 卷第 1 期
2019 年 1 月
Vol.50 No.1
Jan. 2019
DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.01.029
复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究
赵振航 1，沈毓婷 1，魏强 2，江万红 3，耿浩 1，李成辉 1
(1. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都，610031；
2. 中国铁路总公司 工程管理中心, 北京，100038；
3. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都，610031)
摘要：为研究复合轨枕有砟轨道动力性能，试验铺设轨道结构实尺模型，采用落轴冲击的方法，测试不同落轴高
度冲击下钢轨、轨枕、道床、基础的加速度及钢轨的应变，并推算轨道动刚度和阻尼。研究结果表明：与弹性轨
枕有砟轨道对比，复合轨枕钢轨加速度较大，衰减快；复合轨枕道床和基础加速度峰值略小，道床衰减较慢；2
种轨道结构基础加速度衰减均较慢；在 1~10 Hz 范围内，复合轨枕振动能量较大，减小了其轨道钢轨和基础的振
动，使得 2 种轨道动力特性差异较大；2 种轨道弹性均很好，使得动刚度较小，复合轨枕和弹性轨枕轨道动刚度
分别为 28~32 kN/mm 和 38 kN/mm，阻尼分别为 170~195 kN·s/m 和 146~178 kN·s/m。从减振性能角度考虑，复合
轨枕有砟轨道效果更好。
关键词：振动；复合轨枕；动刚度；阻尼
中图分类号：U213.244
文献标志码：A
文章编号：1672−7207(2019)01−0234−07
Experimental study on dynamic performance of
composite sleeper ballasted track
ZHAO Zhenhang1, SHEN Yuting1, WEI Qiang2, JIANG Wanhong3, GENG Hao1, LI Chenghui1
(1. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;
2. Engineering Management Center of China Railway Corporation, Beijing 100038, China;
3. China Railway Eryuan Group Ltd, Chengdu 610031, China)
Abstract: A full-scale model was built in order to study the dynamic performance of composite sleeper ballasted track,
including vertical accelerations of rail, sleeper, ballast bed, foundation and strain of rail under wheel-drop loads of
different heights. Dynamic stiffness and damping coefficient of the composite sleeper ballasted track were deduced. The
results show that composite sleeper track structure offers larger vibration acceleration and faster attenuation of rail
compared with the test results of elastic sleeper ballasted track. It also offers smaller vibration accelerations of ballast bed
and foundation, and the ballast bed decays more slowly. The acceleration attenuation of the two track foundations is slow.
Composite sleeper possesses more vibration energy and reduces the vibration of rail and foundation at 1−10 Hz, which
leads to the great difference in the dynamic behaviors of the two tracks. The two tracks both have good elasticity and
make dynamic stiffnesses smaller. The dynamic stiffnesses of composite sleepers and elastic sleepers are respectively
28−32 kN/mm and 38 kN/mm, and the damping coefficients are 170−195 kN·s/m and 146−178 kN·s/m respectively.
Composite sleeper track has better vibration reduction effect.
Key words: vibration; composite sleeper; dynamic stiffness; damping
收稿日期：2018−01−16；修回日期：2018−03−05
基 金 项 目 (Foundation item) ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (51708459 ， 51778543 ， U1434208) ； 成 兰 铁 路 专 题 试 验 项 目 (CLRQT-2016-006)
(Projects(51708459, 51778543, U1434208) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(CLRQT-2016-006) supported
by the Test of Chengdu—Lanzhou Railway Track)
通信作者：李成辉，博士，教授，从事轨道结构及轨道动力学研究；E-mail: chli163chli@163.com
第1期
赵振航，等：复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究
随着我国铁路事业的飞速发展，为适应不同地质
条 件 及环 境需 求 ，研 发了 多 种型 式的 轨 道结 构。
235
轨道相同。
1.2 试验方法及工况
[1]
TB 10621—2014“高速铁路设计规范” 中规定在特
本次试验采用落轴冲击的方法，该方法能很好地
殊区域，如铁路穿越活动断裂带的野生动物保护区时，
测试不同冲击下轨道结构的动力特性，许多学者[8−14]
需要考虑铺设具有减振性能的有砟轨道。目前有砟轨
也采用该方法测试了 CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ板式，双块式
道减振措施主要是铺设具有减振性能的轨枕(如弹性
无砟轨道及Ⅲ型枕、Ⅱ型枕有砟轨道的动力特性。
轨枕、复合轨枕)、铺设道砟垫及固化道床等。复合轨
引起轮轨相互作用过大的原因主要是由于车轮存
枕于 20 世纪 90 年代在美国兴起，最初是为了代替日
在扁疤或钢轨存在短波不平顺。根据文献[15]的计算
益减小的木枕，经过高校、铁路公司、厂家等组成的
公式，以 CRH2 型车为例，假设其车轮存在 35 mm 扁
团队不断研究而生产，复合轨枕主要以废旧轮胎、塑
疤，计算对应的落轴高度约为 20 mm。因此，本文选
料等为原料，以玻璃纤维丝为加劲物辅以化学添加剂
取落轴高度 20 mm 为典型工况，另外增加 10 mm 和
而制成，具有质量轻、高弹性、阻尼大、线膨胀系数
30 mm 高度作为对比试验，每个高度测试均不少于
大、在潮湿或昆虫、菌类环境下不易降解等特性。目
6 次。
前，复合轨枕在美国、澳大利亚、印度等国进行了铺
1.3 试验内容
设，在国内应用较少，仅在山西中南部通道铺设了 1
[2]
本试验为通过落轴激励，测试复合轨枕和弹性轨
km 试验段 。目前，各国学者针对复合轨枕进行了较
枕有砟轨道的动力性能，主要的测试内容从上到下依
多研究。复合轨枕为热塑性材料，受温度影响较大，
次为钢轨的应变、加速度、轨枕加速度、道床加速度、
LOTFY 等
[3−5]
测试了不同温度下复合轨枕的弹性模
量、极限应变等参数，同时测试了螺纹道钉的抗拔和
基础加速度，具体的布点如图 1 所示。2 种轨道的测
点布置保证完全相同，可以方便地进行对比分析。
抗剪性能，为与复合轨枕配套的螺纹道钉提供设计使
用依据。段海滨[2]建立了动力学模型，分析复合轨枕
有砟轨道的动力响应。VIJAY 等[6]对复合轨枕进行了
疲劳试验，得出了复合轨枕疲劳性能良好。以往的研
究对复合轨枕轨道的研究多为材料性能分析，动力性
能研究多为理论分析，试验研究较少。为了深入研究
复合轨枕有砟轨道动力特性，本文作者建立复合轨枕
有砟轨道实尺模型，通过落轴激励试验，分析其动力
特性，为有砟减振轨道结构的应用提供技术支持。
1 试验
1.1 模型铺设
(a) 侧视图；(b) 俯视图
图 1 测点布置图
Fig. 1 Measuring point layouts
为了能较好地说明复合轨枕有砟轨道动力性能，
试验中也铺设了较为成熟的弹性轨枕有砟轨道进行对
比。以往的研究中，有砟轨道承受列车垂向荷载，轨
道铺设 5 根轨枕进行受力分析。为保证试验结果准确，
同时节省试验成本，试验中，2 种轨枕数量均为 6 根。
2
试验结果及分析
实验前对道砟进行清洗，保证其性能要求。模型的铺
设按照现场施工要求，2 种轨道结构道砟的夯实、捣
鼓方法均相同，道砟截面尺寸满足我国 350 km/h 有砟
2.1 加速度时程曲线
落轴冲击下轨道各结构的加速度时程曲线如图 2
轨道要求 。复合轨枕有砟轨道主要由 CHN60 钢轨、
所示。通过图 2(a)钢轨加速度时程曲线可以看出：轮
弹条Ⅱ分开式扣件、复合轨枕、一级道砟、道砟垫组
对对 2 种轨道结构的钢轨均有 2 次明显的冲击，第 1
成，弹性轨枕有砟轨道扣件采用弹条Ⅱ型扣件、轨枕
次冲击作用下复合轨枕钢轨加速度最大值为 252.57g
由Ⅲ混凝土枕+枕下胶垫组成，其他结构与复合轨枕
(g 为重力加速度，g=9.81 m/s2)，弹性轨枕钢轨加速度
[7]
236
中南大学学报(自然科学版)
第 50 卷
(a) 钢轨；(b) 轨枕；(c) 道床；(d) 基础
1—复合轨枕；2—弹性轨枕。
图2
加速度时程曲线图(落轴高度 20 mm)
Fig. 2 Time histories of accelerations (wheel-drop load of height of 20 mm)
最大值为 217.42g。复合轨枕钢轨加速度最大值虽然比
作用，减小道床和基础的振动。
弹性轨枕的大，但衰减较快，到第 2 次冲击前基本衰
2.2 落轴高度影响
2
减为 0 m/s 。由图 2(b)~(d)可以看出：在落轴激励下，
为分析不同冲击下，各结构的动力响应，测试了
2 种轨道轨枕的加速度峰值相差不大，弹性轨枕加速
10，20 和 30 mm 落轴高度下钢轨、轨枕、道床、基
度衰减略快；弹性轨枕的道床加速度峰值为 7.36g，略
础的加速度最大值，如图 3 所示(平均值为 6 次测试的
大于复合轨枕道床加速度的峰值 5.26g，弹性轨枕的道
最大值的平均值)。由图 3 可知：随着落轴高度的增大，
床加速度衰减也较快；同样，弹性轨枕的基础加速度
2 种轨道钢轨、轨枕、道床和基础的加速度最大值均
峰值也略大于复合轨枕基础的峰值，2 种结构下基础
有所增大；3 种落轴高度下复合轨枕轨道钢轨和轨枕
的衰减均较慢。
的加速度均比相同高度下弹性轨枕轨道的大，而道床
2 种轨道结构表现出来的动力特性与其各自的结
和基础加速度则比弹性轨枕轨道的小。从加速度最值
构特点(如质量、钢轨、阻尼等)密切相关。复合轨枕
来看，与弹性轨枕轨道相比，复合轨枕轨道更有利于
质量仅为弹性轨枕的 1/3 左右，轨道结构参振质量比
减小对道床的冲击，对基础减振效果更好。
弹性轨枕的小，受到落轴冲击后对钢轨的冲击大，使
2.3 频域分析
得钢轨的加速度峰值较大。而复合轨枕内含有橡胶成
参照文献[8]中计算公式，得到轨道各结构 1/3 倍
分和高密度聚乙烯等高分子材料，其结构阻尼较大，
频程加速度级如图 4 所示。由图 4(a)可知：在 1~2 500
各种材料的模量不同，当承受相同应力时，应变不同，
Hz 时，复合轨枕钢轨加速度级均比弹性轨枕的小，尤
会形成相对应变，增加耗能，因此，复合轨枕会消耗
其是在 1~10 Hz 时，复合轨枕钢轨加速度级远比弹性
大量的能量，对下部结构(如道床、基础)起到隔振的
轨枕的低；在 2 500~3 150 Hz 时，2 种轨道钢轨加速
第1期
赵振航，等：复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究
(a) 钢轨；(b) 轨枕；(c) 道床；(d) 基础
图 3 不同落轴高度加速度最值和均值图
Fig. 3 The maximum values and mean values of accelerations under different wheel-drop load heihgts
(a) 钢轨；(b) 轨枕；(c) 道床；(d) 基础
1—复合轨枕；2—弹性轨枕。
图4
1/3 倍频程加速度级
Fig. 4 One-third octave vertical frequency-weighted vibration acceleration level
237
238
第 50 卷
中南大学学报(自然科学版)
度级相差很小。由此可见，在落轴冲击下，复合轨枕
图 5 可知：2 种轨道结构的钢轨−轨枕和钢轨−道床传
有砟轨道会显著降低钢轨的低频振动。由图 4(b)可知：
递函数差异主要也表现在 1~10 Hz 范围内，在该频段
在 1~16 Hz 时，复合轨枕加速度级比弹性轨枕的大；
内，复合轨枕有砟轨道的钢轨振动小，轨枕振动大，
在 16~2 000 Hz 时，复合轨枕加速度级有大于或小于
因此，复合轨枕有砟轨道钢轨−轨枕传递函数明显比
弹性轨枕加速度级的情况；在 2 000 Hz 后，2 种轨枕
弹性轨枕轨道的高；2 种轨道道床振动虽相差不大，
加速度级均迅速减小，2 种轨枕振动主要集中在 2 000
但复合轨枕有砟轨道的钢轨−道床传递函数也明显比
Hz 以下。从图 4(c)和(d)可以看出：在 2 000 Hz 以下，
弹性轨枕轨道的高。在 10 Hz 以上时，2 种轨道的钢
2 种轨道道床加速度级相差不大，变化趋势也相同，
轨−轨枕和钢轨−道床传递函数趋势相同，大小也相差
在 2 000 Hz 后，复合轨枕道床加速度级迅速减小；在
较小。
1~10 Hz 时，复合轨枕基础加速度级远比弹性轨枕的
小，在 10 Hz 后，2 种轨道基础加速度级相差不大。
由上述分析可知，2 种轨道结构动力特性差异主
3
轨道动刚度和阻尼
要表现在 1~10 Hz 范围内，该频段内，复合轨枕振动
能量较大，明显减小了复合轨枕轨道的钢轨和基础振
根据振动理论，利用落轴试验可以测试轨道结构
动。对比 2 种有砟减振轨道，在 1~10 Hz 范围内，复
的整体动刚度和阻尼，落轴试验计算轨道结构整体动
合轨枕有砟轨道对基础的减振效果优于弹性轨枕有砟
刚度和阻尼的公式如下：
轨道对基础的减振效果，当大于 10 Hz 时，2 种轨道
的减振效果相近。
传递函数可以分析轨道结构的振动传递特性[9]，
W
K 
g
图 5 所示为钢轨−轨枕、钢轨−道床的传递函数。由
(π  arctan
2 1   2
1  2 2
(1   2 )t02
)2
C  2 WK / g
(1)
(2)
式中：K 为轨道结构整体动刚度；W 为轮对重力； 为
临界阻尼系数比；C 为轨道结构整体阻尼系数；t0 为
冲击力持续时间。  可由冲击速度和反弹速度求得，
具体公式如下：

2 1   2 
  (π  arctan
)
v1
1  2 2 

 exp 

v0
1 2






(3)
式中： v0  gT0  2 gh ，为轮轨冲击速度； v1  gT1 ，
为回弹速度；h 为落轴高度。
本次试验轮对重力 W 为 12 kN，t0 和 T1 可以由落
轴冲击下钢轨的应变时程曲线获取(如图 6 所示)，将
已知参数代入式(1)和(2)即可求得不同落轴高度下轨
道结构的动刚度和阻尼，如图 7 和图 8 所示。
由图 7 可知：2 种轨道的动刚度均较低，这主要
由 2 方面原因决定，其一为本身性质，2 种轨道结构
均具有较好的弹性，弹性轨枕有砟轨道弹性主要由扣
件系统、枕下胶垫、道床、道砟垫提供，复合轨枕有
砟轨道弹性主要由扣件系统、复合轨枕、道床、道砟
(a) 钢轨−轨枕；(b) 钢轨−道床
垫提供；其二为施工质量，本次室内试验虽对道砟均
1—复合轨枕；2—弹性轨枕。
进行了分层夯实及捣鼓，但密实度与现场仍有一定差
图5
传递函数
Fig. 5 Transfer functions
距，因此，也会影响轨道动刚度。在不同高度冲击下，
弹性轨枕有砟轨道动刚度较为稳定，约为 38 kN/mm，
第1期
239
赵振航，等：复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究
随着高度的增加，复合轨枕有砟轨道动刚度略有增加，
由 28 kN/mm 增加到 32 kN/mm。由图 8 可知：复合轨
枕有砟轨道阻尼比弹性轨枕轨道的略大，不同落轴高
度下复合轨枕有砟轨道阻尼为 170~195 kN·s/m，弹性
轨枕有砟轨道阻尼为 146~178 kN·s/m。
4 结论
1) 随着落轴高度的增大，2 种轨道动力响应均有
所增大；对比 2 种轨道，复合轨枕有砟轨道钢轨加速
度较大，衰减快；2 种轨道轨枕加速度相近；复合轨
图6
钢轨应变时程曲线
Fig. 6 Time history of impact strain of rail
枕有砟轨道道床和基础加速度略小，道床衰减较快；2
种轨道基础加速度均衰减较慢。
2) 在 1~10 Hz 范围内，复合轨枕振动能量较大，
减小了其轨道钢轨和基础的振动，使得 2 种轨道动力
特性差异较大，故复合轨枕有砟轨道减振效果优于弹
性轨枕有砟轨道减振效果；在 10 Hz 以上时，2 种轨
道的减振效果相近。
3) 2 种轨道结构均由多层结构提供弹性，因此弹
性较好，使得动刚度均较小。复合轨枕有砟轨道动刚
度为 28~32 kN/mm，弹性轨枕有砟轨道动刚度约为 38
kN/mm；复合轨枕有砟轨道阻尼略大于弹性轨枕轨道
阻尼，复合轨枕有砟轨道阻尼为 170~195 kN·s/m，弹
性轨枕有砟轨道阻尼为 146~178 kN·s/m。
参考文献：
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轨道结构动刚度
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图8
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(编辑 杨幼平)