杜香剛(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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重載鐵路新型高穩(wěn)定性預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的研發(fā)

杜香剛1，2
(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:考慮我國重載鐵路大運(yùn)量、大軸重和高密度的運(yùn)營特點(diǎn)，特別是小半徑和大坡道地段對(duì)軌枕穩(wěn)定性的特殊需要，兼顧我國養(yǎng)護(hù)維修體制，在Ⅲa型軌枕的軌下截面處設(shè)計(jì)了翅膀，研發(fā)了重載鐵路新型高穩(wěn)定性預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕(Ⅲa+型軌枕)。本文首先介紹了國內(nèi)外軌枕的應(yīng)用情況，然后對(duì)新型高穩(wěn)定性軌枕進(jìn)行了設(shè)計(jì)檢算，最后將其與Ⅲa型軌枕的強(qiáng)度、橫向阻力等性能進(jìn)行了對(duì)比性室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)。結(jié)果表明:重載鐵路新型高穩(wěn)定性預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的靜載抗裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和翅膀處抗剪強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求;相比Ⅲa型軌枕，在相同道床狀態(tài)下其實(shí)測道床橫向阻力可提高約15%，并可適當(dāng)降低道床壓應(yīng)力。

關(guān)鍵詞:重載鐵路有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕高穩(wěn)定性

大運(yùn)量、大軸重、高密度是我國重載鐵路和繁忙干線的顯著特點(diǎn)。隨著運(yùn)量、軸重和行車密度的增加，列車荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞加劇，線路設(shè)備病害發(fā)生和發(fā)展速度明顯加快，且軌道結(jié)構(gòu)及部件的劣化狀態(tài)極易出現(xiàn)惡性循環(huán)，導(dǎo)致維修更趨頻繁。

通過對(duì)我國大秦線、朔黃線、大包線等重載鐵路和客貨共線鐵路的大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在大運(yùn)量、大軸重、高密度的運(yùn)營條件下部分有砟軌道區(qū)段的軌枕和軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的傷損病害［1］。同時(shí)，對(duì)于繁忙干線，其繁重的運(yùn)輸任務(wù)造成了養(yǎng)護(hù)天窗時(shí)間極其有限，養(yǎng)護(hù)維修工作難以有效開展。如何強(qiáng)化軌枕，確保線路運(yùn)營安全，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量是當(dāng)前運(yùn)營部門亟待解決的問題。

鑒于此，我國重載鐵路軌枕設(shè)計(jì)時(shí)，有必要借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，在充分考慮我國重載鐵路運(yùn)營條件和養(yǎng)修體制［2］的基礎(chǔ)上，研發(fā)新型高穩(wěn)定性軌枕，滿足重載鐵路特殊區(qū)段提高道床橫向阻力和降低道床壓應(yīng)力等要求。

1　國外新型軌枕應(yīng)用情況

世界各國在解決上述問題時(shí)，設(shè)計(jì)了多種形式的軌枕。其中，軌下截面處設(shè)計(jì)翅膀的軌枕(俗稱十字頭軌枕)就是一種迅速發(fā)展起來的新型軌枕。

1.1英國和比利時(shí)軌枕

英國和比利時(shí)就開發(fā)了軌下截面處帶翅膀的重載軌枕。其共同特點(diǎn)是中間截面小，軌下截面大。特別是英國軌枕在軌下設(shè)計(jì)為小十字形，既有利于降低枕中截面所承受的負(fù)彎矩和提高道床橫向阻力，也不影響大型機(jī)械的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。

1.2美國和加拿大重載軌枕

北美鐵路工程和維修協(xié)會(huì)(AREMA)規(guī)定:“對(duì)于重載鐵路需要增大道床橫向阻力的區(qū)段，可考慮增大軌枕的端部橫向面積”。因此，美國和加拿大針對(duì)重載鐵路運(yùn)營和維護(hù)特點(diǎn)，在軌枕設(shè)計(jì)時(shí)考慮了提高道床橫向阻力的要求。CXT公司開發(fā)了側(cè)面壓花的軌枕，以減少軌枕橫移。圖1為美國TTCI試驗(yàn)環(huán)線上使用的重載軌枕，每根軌枕兩端由兩組扣件與鋼軌聯(lián)結(jié)。這些軌枕一般為框架軌枕或兩端帶十字頭軌枕(半框架軌枕)，可以提高枕端橫向面積，增大道床橫向阻力。同時(shí)，通過增加枕底和道床的接觸面積，降低了道床壓應(yīng)力。

1.3南非重載軌枕

南非INFRASET公司是一個(gè)軌枕設(shè)計(jì)和制造企業(yè)，有著50多年的應(yīng)用軌枕的歷史，其提供的混凝土軌枕應(yīng)用于軸重18.5～30 t的各種線路。圖2是該公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的帶翅膀的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，可用于一般干線鐵路和最大軸重為30 t的重載線路。軌下截面處的翅膀用于增大道床橫向阻力和降低道床壓應(yīng)力。

圖1　美國重載框架軌枕

圖2　南非重載軌枕

2　新型高穩(wěn)定性軌枕的設(shè)計(jì)

2.1既有Ⅲ型軌枕的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況分析

Ⅲ型軌枕包括Ⅲa型軌枕、Ⅲb型軌枕和Ⅲc型軌枕，Ⅲa型軌枕配套彈條Ⅱ型扣件或加強(qiáng)型彈條Ⅱ型扣件;Ⅲb型軌枕配套彈條Ⅲ型或彈條Ⅳ型扣件。Ⅲa型軌枕、Ⅲb型軌枕及其配套扣件適用的運(yùn)營條件:客車最高運(yùn)營速度200 km/h;貨車軸重250 kN，最高運(yùn)營速度90 km/h。Ⅲc型軌枕配套彈條Ⅴ型扣件，適用于時(shí)速250 km/h客運(yùn)專線鐵路(兼顧貨運(yùn))。Ⅲ型軌枕的截面外形尺寸和結(jié)構(gòu)性能見表1，設(shè)計(jì)荷載彎矩見表2。目前我國重載鐵路大量應(yīng)用的軌枕為Ⅲa型軌枕，按照我國軌枕設(shè)計(jì)方法對(duì)Ⅲa型軌枕的結(jié)構(gòu)檢算，Ⅲ型軌枕承載能力可以滿足開行25 t軸重貨物列車重載鐵路荷載彎矩的要求。

表1?、笮蛙壵斫孛嫱庑纬叽绾徒Y(jié)構(gòu)性能

表2?、笮蛙壵碓O(shè)計(jì)荷載彎矩

Ⅲa型軌枕目前被大量應(yīng)用在大秦線、朔黃線和大包線等重載或繁忙干線鐵路上，由于以上線路運(yùn)量大、軸重大、密度高，加速了部分Ⅲ型軌枕傷損病害的出現(xiàn)［1，3］。目前，Ⅲa型軌枕的主要傷損形式有軌下截面環(huán)裂、釘孔裂紋、縱裂、枕中截面環(huán)裂等。此外，相應(yīng)的有砟軌道結(jié)構(gòu)在大坡道和小半徑曲線地段也出現(xiàn)軌道幾何變化加劇、軌道穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不足、局部道床過快下沉等問題。

2.2新型高穩(wěn)定性軌枕的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析

考慮我國重載鐵路大運(yùn)量、大軸重和高密度的運(yùn)營特點(diǎn)，特別是小半徑和大坡道地段對(duì)軌枕的特殊需要，新型高穩(wěn)定性預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕研發(fā)必須同時(shí)滿足重載鐵路對(duì)軌枕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低道床壓應(yīng)力和既有養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)制度的要求［3］。因此，通過對(duì)Ⅲa型軌枕開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，在其軌下截面處設(shè)計(jì)橫向?qū)挾炔淮笥谲壍讓挾鹊男〕岚?十字頭)，其他主要尺寸和配筋完全不變，承載能力與既有Ⅲa型軌枕相當(dāng)。此方案由于在軌下截面設(shè)計(jì)了小翅膀，可增大軌枕有效橫向面積，從而提高道床橫向阻力;同時(shí)，由于本方案在軌下截面處軌枕兩側(cè)均設(shè)計(jì)了小翅膀，還能夠適當(dāng)增加枕底道床承壓面積，降低道床壓應(yīng)力。這種在Ⅲa型軌枕基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性軌枕簡稱為Ⅲa+型軌枕。其外形設(shè)計(jì)見圖3。

圖3?、骯+型軌枕的外形設(shè)計(jì)

1)道床橫向阻力計(jì)算分析

根據(jù)日本佐藤吉彥道床橫向阻力的計(jì)算模型［4］，Ⅲa+型軌枕和Ⅲa型軌枕處的道床橫向阻力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。

表3　兩種軌枕處道床橫向阻力對(duì)比

由表3可得:鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了35.7%。實(shí)際上，由于十字頭并不位于軌枕端部邊緣而位于軌下截面處，軌枕端部邊緣和十字頭邊緣的連線會(huì)形成椎體形狀，產(chǎn)生“犁頭效應(yīng)”。因此，實(shí)際的道床橫向阻力會(huì)比計(jì)算結(jié)果小。

2)道床壓應(yīng)力計(jì)算分析

列車荷載通過軌枕對(duì)有砟道床的垂向壓應(yīng)力是道砟產(chǎn)生下沉和粉化的主要原因。增大軌枕底部面積可降低道床平均壓力，延緩道砟的粉化和道床的下沉。

根據(jù)軌枕鋪設(shè)技術(shù)要求，枕中部位道砟應(yīng)為浮砟，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)浮砟長度一般按600 mm計(jì)算，計(jì)算道床壓應(yīng)力時(shí)假設(shè)此部分不受力，軌枕底面道床壓應(yīng)力計(jì)算圖式見圖4。軌枕底部道床頂面壓應(yīng)力σZ的計(jì)算公式為

式中:Rd為垂直動(dòng)壓力，kN;A為一股鋼軌下扣除浮砟范圍后的軌枕支承面積。

圖4　軌枕底面道床壓應(yīng)力計(jì)算圖式

經(jīng)計(jì)算，Ⅲa型軌枕支承面積為3 000 cm2，Ⅲa+型軌枕支承面積為3 120 cm2。兩種軌枕的設(shè)計(jì)垂直動(dòng)壓力相同。將支承面積代入公式(1)可得:鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床壓應(yīng)力降低了4.0%。可見，Ⅲa+型軌枕相比Ⅲa型軌枕能夠適當(dāng)降低道床壓應(yīng)力，對(duì)延緩道砟的粉化和道床的下沉、減少養(yǎng)護(hù)維修工作量有一定的效果。

3　新型高穩(wěn)定性軌枕的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1室內(nèi)試驗(yàn)

1)靜載、疲勞和抗剪試驗(yàn)

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》(TB/T 1879—2002)［5］和設(shè)計(jì)要求，抽取了9根Ⅲa+型軌枕共27個(gè)截面進(jìn)行了靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:軌枕靜載抗裂強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法》(TB/T 1878—2002)［6］和設(shè)計(jì)要求，抽取了6根Ⅲa+型軌枕開展了疲勞試驗(yàn)，其中3根為軌下截面，3根為枕中截面。疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場見圖5，試驗(yàn)結(jié)果見表4?？梢?6根軌枕各受檢截面在經(jīng)過200萬次的疲勞加載后，殘余裂紋寬度均＜0.05 mm，軌下截面疲勞后破壞荷載均＞335 kN，枕中截面疲勞后破壞荷載均＞315 kN，疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　疲勞試驗(yàn)

表4　Ⅲa+型軌枕疲勞試驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)Ⅲa+型軌枕的抗剪強(qiáng)度，在十字頭處進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖6。以0.2 kN/s的速度加載，最大靜停荷載為14.0 kN，靜停3 min，觀察受拉區(qū)狀態(tài)，不出現(xiàn)裂紋為合格。試驗(yàn)結(jié)果見表5，可見，所有試驗(yàn)樣品均滿足要求。

圖6　十字頭抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

表5?、骯+型軌枕抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2)實(shí)尺模型單根軌枕橫向阻力試驗(yàn)

為了對(duì)比相同道床狀態(tài)下Ⅲa+型軌枕和Ⅲa型軌枕處的道床橫向阻力，在高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鋪設(shè)了多節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型。實(shí)尺模型采用無砟肩堆高和砟肩堆高0.15 m兩種道床結(jié)構(gòu)，分別鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕和Ⅲa型軌枕，每種軌枕鋪設(shè)11根。相同工況下不同道床結(jié)構(gòu)和不同型號(hào)軌枕試驗(yàn)時(shí)，均重新鋪設(shè)和搗固，且搗固方式、人員和耗時(shí)相同。

試驗(yàn)結(jié)果見表6?？梢?砟肩堆高0.15 m時(shí)，鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了20.1% ;無砟肩堆高時(shí)，鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了11.3%。

表6　不同工況下道床橫向阻力試驗(yàn)結(jié)果　kN

此外，利用實(shí)尺模型還進(jìn)行了搗固密實(shí)度對(duì)道床橫向阻力的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:①無砟肩堆高、鋪設(shè)Ⅲa型軌枕時(shí)，搗固4遍比搗固2遍道床橫向阻力提高了13.9% ;②無砟肩堆高、鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕時(shí)，搗固4遍比搗固2遍道床橫向阻力提高了11.9% ;③無砟肩堆高、搗固2遍時(shí)，鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了16.7% ;搗固4遍時(shí)，鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了14.6%。

3.2現(xiàn)場測試

2014年，在豐沙線沿河城站上行K58 + 198—K58 + 318區(qū)段鋪設(shè)了Ⅲa+型軌枕和Ⅲa型軌枕進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。豐沙線年運(yùn)量約為1.1億t，主要貨物為煤炭，每天圖定運(yùn)行90對(duì)貨車和27對(duì)客車。貨車最大軸重為25 t，貨車行車速度約為60 km/h。本試驗(yàn)段共鋪設(shè)了220根Ⅲa+型軌枕。試驗(yàn)段線路條件為正線鐵路、曲線半徑330 m、坡度3.5‰，扣件系統(tǒng)為彈條Ⅱ型扣件，鋼軌為60 kg/m鋼軌。鋪設(shè)前對(duì)枕底約20 cm以上的道砟進(jìn)行了清篩。

現(xiàn)場共開展了兩次道床橫向阻力測試。第1次在剛鋪設(shè)一周后進(jìn)行，選取了Ⅲa+型軌枕和Ⅲa型軌枕各6根;第2次測試在鋪設(shè)半年后進(jìn)行，豐沙線當(dāng)日累計(jì)運(yùn)量約為6 000萬t。選取了Ⅲa+型軌枕12根和Ⅲa型軌枕6根。豐沙線測試現(xiàn)場見圖7。

圖7　豐沙線測試現(xiàn)場

第1次測試結(jié)果:鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處道床橫向阻力平均值為9.0 kN/枕;鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力在6 kN/枕左右，且軌枕橫移還未達(dá)2 mm時(shí)，軌枕瞬間發(fā)生較大滑移，致使道床阻力試驗(yàn)無法進(jìn)行，道床橫向阻力較小。

第2次測試結(jié)果:鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處道床橫向阻力平均值為16.2 kN/枕，相比第1次測試，運(yùn)營半年后鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處道床橫向阻力提高了80.4% ;鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力平均值為7.9 kN/枕，比剛鋪設(shè)時(shí)第1次測試出的道床橫向阻力有了較明顯提高，但由于試驗(yàn)中期工區(qū)在試鋪的Ⅲa型軌枕處進(jìn)行過養(yǎng)修作業(yè)，與Ⅲa+型軌枕處的道床橫向阻力缺乏可比性。不過，調(diào)研大秦線的實(shí)測道床橫向阻力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):在通過總重7～10億t的3個(gè)鋪設(shè)Ⅲa型軌枕區(qū)段，實(shí)測道床橫向阻力平均值約為12.0 kN/枕［7］?？梢?與Ⅲa型軌枕相比，Ⅲa+型軌枕可明顯提高道床橫向阻力，有利于提高軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

1)國外經(jīng)驗(yàn)表明:通過在軌下截面處設(shè)計(jì)翅膀(十字頭)可以進(jìn)一步加強(qiáng)軌枕的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高道床橫向阻力，并可適當(dāng)降低道床壓應(yīng)力。

2)設(shè)計(jì)檢算表明:鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了35.7%。但由于十字頭并不位于軌枕端部邊緣而位于軌下截面處，軌枕端部邊緣和十字頭邊緣的連線會(huì)形成椎體形狀，產(chǎn)生“犁頭效應(yīng)”，實(shí)測道床橫向阻力值會(huì)比計(jì)算值要小;鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床壓應(yīng)力降低了4.0%。

3)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明:Ⅲa+型軌枕的靜載抗裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和翅膀處抗剪強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求;鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕處比鋪設(shè)Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力提高了約15%，并且道床搗固越密實(shí)效果越好。

4)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明:運(yùn)營一段時(shí)間后，新設(shè)計(jì)的Ⅲa+型軌枕處道床橫向阻力平均值可達(dá)16.2 kN/枕，比同期鋪設(shè)的Ⅲa型軌枕處道床橫向阻力有較大提高，可滿足重載鐵路對(duì)道床橫向阻力的要求。

5)與Ⅲa型軌枕相比，Ⅲa+型軌枕可明顯提高道床橫向阻力，并適當(dāng)降低道床壓應(yīng)力。Ⅲa+型軌枕特別適合在重載鐵路小半徑和大坡道地段鋪設(shè)使用，并且在道床性能要求相同的情況下，鋪設(shè)Ⅲa+型軌枕可適當(dāng)減少道砟用量，降低建設(shè)成本。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Research and Development of New-type Prestressed Concrete Sleeper with High Stability for Heavy Haul Railway

DU Xianggang1，2

(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:W ith consideration of the characteristics of large traffic volume，heavy axle load and high density of heavy haul railway in China，Ⅲa+sleeper，the prestressed concrete sleeper with wings at rail seat was designed.T his type of prestressed concrete sleeper is used in sharp curve and long slope to meet the special requirement of the railway track's stability，and confirm to the current maintenance system.In this paper，domestic and abroad sleepers were introduced，and of the new high stability sleeper was calculated.Finally，the laboratory and field tests of strength and lateral resistance were conducted.T he test results showed that cracking resistance under static loading，fatigue，and shear capacity at wings were satisfied.Compared to theⅢa sleeper，the lateral resistance of theⅢa+sleeper was increased by 15%，and the ballast stress was decreased.

Key words:Heavy haul railway;Ballasted track;Prestressed;Concrete sleeper;High stability

作者簡介:杜香剛(1982—)，男，助理研究員，碩士。

基金項(xiàng)目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015G004-A，2015G004-C)

收稿日期:2015-01-20;修回日期:2015-03-30

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0113-05

中圖分類號(hào):U213.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.28