鋼管混凝土軌枕結構設計方案

孫立

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線站處，湖北 武漢 430063）

1 概述

1.1 鋼管混凝土軌枕研究意義

無砟軌道具有整體性強、穩(wěn)定性好、堅固耐用、軌道變形小和變形累積緩慢等特點，利于高速行車，可大大減少維修和養(yǎng)護工作量、降低作業(yè)強度、改善作業(yè)條件[1]。我國高速鐵路無砟軌道主要可分為兩大類：現(xiàn)澆雙塊式無砟軌道結構和預制板式無砟軌道結構[2]，現(xiàn)澆雙塊式無砟軌道具有明顯的經濟優(yōu)勢。目前所用的雙塊式無砟軌道核心技術我國并不具有自主知識產權。因此，研究具有自主知識產權的適用于現(xiàn)澆無砟軌道軌枕，對于實施我國高速鐵路“走出去”具有重要意義。

目前針對雙塊式軌枕的研究主要有雙塊式軌枕橫向阻力、橫向抗力研究[3-4]等；針對新型軌枕的研究主要有復合軌枕溫度適應性分析[5]、地鐵用連塊式軌枕試驗研究[6]等，研究內容多為傳統(tǒng)軌枕的受力分析。研究首次提出采用鋼管混凝土構件，將兩端混凝土軌枕塊連接，形成造價合理、具有我國自主知識產權的新型軌枕方案——鋼管混凝土軌枕，為我國現(xiàn)澆式無砟軌道提供了新的軌枕選擇形式。

1.2 SK-2型雙塊式軌枕應用缺點

SK-2型雙塊式軌枕（簡稱SK-2型軌枕）采用焊接桁架鋼筋作為軌枕塊連接骨架，具有結構穩(wěn)定性好、預制軌枕與現(xiàn)澆道床板連接界面少、結構優(yōu)勢明顯等優(yōu)點。但是，結合武廣、蘭新二線等多個項目的應用經驗，SK-2型軌枕仍存在以下缺點：

（1）軌枕塊下有桁架鋼筋，道床板施工時存在軌枕塊下振搗不密實等問題，同時軌枕塊體積小、質量輕，運營過程中容易產生脫空，嚴重時甚至導致周圍道床板破壞。在高鐵上，因為軸重輕表現(xiàn)不明顯，但是在貨運列車、尤其是重載列車運營條件下尤其明顯。

（2）桁架鋼筋采用冷軋鋼筋除鱗、造肋、焊接等工藝成型，鋼筋容易銹蝕，尤其是軌枕沒有及時使用情況下，影響結構耐久性，甚至影響結構正常使用[7-8]。

（3）桁架鋼筋制造需要專門生產線，軌枕生產成本高。

2 鋼管混凝土軌枕方案

2.1 總體方案

項目組在系統(tǒng)研究國內外新型建筑材料基礎上，結合現(xiàn)澆式軌道軌枕需求特點，提出了3種結構方案：鋼筋焊網方案、型鋼方案和鋼管混凝土軌枕方案。

方案一：鋼筋焊網方案。為增加焊網骨架的抗彎、抗扭能力，將鋼筋焊網折疊成三角形作為軌枕塊連接骨架，在三角處增加骨架鋼筋。

方案二：型鋼方案。直接將市場上“L”“H”“U”等型鋼作為軌枕塊連接骨架。

方案三：鋼管混凝土方案。鋼管混凝土近年來在建筑、橋梁等領域獲得了廣泛的應用，將高性能素混凝土注入新型小直徑鋼管以作為軌枕塊連接骨架，一方面可有效提高結構強度、塑性和韌性；另一方面可提高結構整體穩(wěn)定性，降低用鋼量，提高經濟性。

2.2 方案比選

3種結構方案優(yōu)缺點比較見表1。

表1 軌枕塊不同連接骨架方案優(yōu)缺點比較

方案三因鋼管混凝土軌枕抗變形能力強、經濟性最好，推薦新型現(xiàn)澆道床采用鋼管混凝土軌枕方案。

2.3 與SK-2型軌枕比較

鋼管混凝土軌枕與SK-2型軌枕優(yōu)缺點比較見表2。

表2 鋼管混凝土軌枕與SK-2型軌枕優(yōu)缺點比較

相對于SK-2型軌枕，鋼管混凝土軌枕加工更簡單，防銹性能更佳，軌枕混凝土生產工藝基本相同，造價基本相當。

3 結構設計

3.1 構件設計

鋼管混凝土構件設計主要包括2方面內容：有關鋼管外形、根數(shù)、管徑、管壁厚度及鋼管布置的選型研究以及核心混凝土性能研究。

3.1.1 鋼管選型研究

（1）鋼管外形比較。目前市場上最常見的鋼管外形為方（矩）形，國內外大量試驗表明，方（矩）形鋼管對于核心混凝土的約束能力明顯不及圓形鋼管[10]，因此連接骨架采用圓形鋼管。

（2）鋼管根數(shù)比較。分別比較了成“品”字形布置的3根鋼管和2根水平布置的設計方案，比較抗彎、抗扭變形能力，“品”字形布置3根鋼管優(yōu)于2根水平布置鋼管，但“品”字形布置鋼管需要軌枕塊厚度較大，上層鋼筋和扣件預埋套管位置協(xié)調難度大。通過理論計算及試驗驗證，2根水平布置的鋼管完全能達到與SK-2型軌枕桁架鋼筋相當?shù)目棺冃文芰?。因此，設計采用2根鋼管混凝土構件連接，軌枕塊內設置箍筋，箍筋與鋼管混凝土構件采用固定鋼筋定位。鋼管混凝土構件連接2根直徑10 mm鋼筋（固定鋼筋）加強與混凝土軌枕塊之間的連接性能。

（3）鋼管外徑比較。采用外徑42 mm、壁厚3 mm結構用無縫鋼管，其力學性能指標應符合GB/T 8162—2008《結構用無縫鋼管》的規(guī)定。

3.1.2 核心混凝土性能研究

鋼管內灌注自密實混凝土。為了保證鋼管混凝土灌注質量，要求采用真空灌注方法。

3.2 軌枕塊結構設計

3.2.1 幾何設計

鋼管混凝土軌枕塊幾何設計主要與項目采用的扣件類型相關，保證扣件安裝的前提下，軌枕塊幾何尺寸應最小，從而盡可能減小預制軌枕塊和現(xiàn)澆道床板混凝土的接觸界面，控制混凝土裂紋發(fā)生幾率。與WJ-7型扣件相匹配的軌枕塊設計見圖1。

圖1 與WJ-7型扣件相匹配的軌枕塊設計

3.2.2 配筋設計

SK-2型軌枕沿襲原創(chuàng)技術設計，軌枕塊內除了桁架鋼筋和1根環(huán)形箍筋外，沒有其余配筋，尤其是提供軌道結構橫向受力的軌枕擋肩采用素混凝土設計，在軌枕脫模時容易開裂掉塊。研究借鑒地鐵短軌枕設計經驗，結合不同線路荷載條件計算結構，與WJ-7型扣件相匹配的軌枕塊配筋設計見圖2。

圖2 與WJ-7型扣件相匹配的軌枕塊配筋設計

3.2.3 軌枕塊與道床板加強連接設計

（1）軌枕塊側面設置凹槽。為加強軌枕塊與道床板混凝土的可靠連接，比選了3種方案：軌枕側面粗糙化處理、軌枕側面分別設置1條或2條凹陷溝槽、軌枕側面分別設置2個凹槽。綜合比較連接效果和可施工性，推薦采用軌枕側面分別設置2個凹槽方案，

（2）軌枕底設置門型鋼筋。為進一步加強軌枕塊和道床板的連接可靠性，設計借鑒地鐵短軌枕道床中短軌枕底面設置門型鋼筋經驗，在軌枕底面設置3條φ16 mm門型鋼筋，實際效果見圖4。其實際效果見圖3。

圖3 軌枕塊側面凹槽效果

圖4 軌枕底3條門型鋼筋

3.3 鋼管混凝土構件與軌枕塊連接

為消除鋼管混凝土構件周圍軌枕塊混凝土應力集中影響，借鑒扣件預埋套管周圍設置螺旋鋼筋的經驗，在鋼管混凝土構件與軌枕塊結合位置設置螺旋鋼筋。

4 試驗研究

4.1 抗彎性能試驗

4.1.1 鋼管混凝土構件

鋼管混凝土構件的抗彎性能直接決定鋼管混凝土軌枕的抗彎性能，因此針對鋼管混凝土構件開展抗彎性能測試（見圖5）。將鋼管混凝土構件按照兩端支撐間距為1.5 m架設安裝，正中位置施加荷載并記錄荷載和撓曲位移值。其中鋼管采用20#熱軋鋼材，選擇外徑為34、38、42 mm的鋼管進行對比試驗，鋼管中均灌注相同混凝土材料。

圖5 鋼管混凝土構件抗彎試驗

鋼管混凝土構件抗彎性能測試結果見圖6。對比分析外徑為34、38、42 mm鋼管混凝土構件的荷載位移曲線可知：

（1）外徑34 mm鋼管混凝土構件彈性段終點荷載為3.3 kN，撓曲變形為31.5 mm；撓曲變形2 mm時承受荷載0.25 kN。

（2）外徑38 mm鋼管混凝土構件彈性段終點荷載為3.3 kN，撓曲變形23.4 mm；撓曲變形2 mm時承受荷載0.33 kN。

圖6 鋼管混凝土構件抗彎性能測試結果

（3）外徑42 mm鋼管混凝土構件彈性段終點荷載為5.2 kN，撓曲變形27.5 mm；撓曲變形2 mm時承受荷載0.49 kN。

分析測試結果可知，外徑34、38 mm的鋼管混凝土構件彈性段終點荷載相當，外徑38 mm的鋼管混凝土構件在彈性段終點撓曲變形小于外徑34 mm的鋼管混凝土構件；外徑42 mm鋼管混凝土構件彈性段終點荷載為外徑34、38 mm的1.5倍。設計按2根鋼管混凝土構件承受0.75 kN的荷載（成年人體重）仍在2 mm彈性變形范圍內考慮，由此可見選取外徑42 mm鋼管混凝土構件滿足設計要求。

4.1.2 鋼管混凝土軌枕

鋼管混凝土軌枕抗彎試驗利用試驗平臺，在兩端混凝土軌枕塊下方按照1.5 m間距支撐軌枕，并在正中位置加載，形成3點支撐抗彎試驗（見圖7）。通過4.1.1中試驗已確定選取外徑42 mm的鋼管混凝土構件，因此抗彎試驗用軌枕均采用外徑42 mm的鋼管混凝土構件制造。

圖7 鋼管混凝土軌枕抗彎試驗

軌枕抗彎試驗結果見圖8。結果表明：鋼管混凝土軌枕受彎時，屈服荷載為9.9 kN，彈性段終點荷載為6.3 kN，軌枕質量為180 kg，可見軌枕在自重荷載作用下不會發(fā)生塑性變形；軌枕澆筑進入道床后鋼管混凝土構件不再作為主要受力構件，施工過程中按不利工況下鋼管混凝土構件上方承受0.75 kN荷載考慮，可見在不利施工荷載作用下軌枕不會發(fā)生塑性變形，滿足受力要求。

4.2 連接可靠性試驗

為驗證鋼管混凝土構件與混凝土軌枕塊的連接性能是否可靠，在2軌枕塊之間采用千斤頂頂推軌枕塊的內側面進行連接可靠性試驗（見圖9）。設計4種工況進行對比試驗，分別為：不采取加強措施的空白組、設門型鋼筋組、焊接2 cm短鋼筋組、穿入螺旋鋼筋組。

圖8 鋼管混凝土軌枕抗彎試驗結果

連接可靠性試驗結果見圖10。試驗結果表明：空白組連接力為68.0 kN，設門型鋼筋組連接力為75.1 kN，焊接2 cm短鋼筋組連接力為65.1 kN，穿入螺旋鋼筋組連接力為76.3 kN。4種工況下鋼管混凝土構件與軌枕塊之間連接力均為60～80 kN，鋼管混凝土構件與軌枕之間可形成可靠連接，其中穿入螺旋鋼筋可提供的連接力最大，連接性能最為可靠。

圖9 連接可靠性試驗

圖10 連接可靠性試驗結果

5 結論

總結現(xiàn)有雙塊式軌枕的優(yōu)缺點，提出一種力學性能優(yōu)異、經濟性更好的鋼管混凝土軌枕，對鋼管混凝土軌枕的總體方案、結構設計、力學性能進行分析，得出如下結論：

（1）鋼管混凝土軌枕采用鋼管混凝土構件取代鋼筋（型鋼）作軌枕塊連接骨架，相比較冷軋帶肋鋼筋桁架，不需要大型專用生產線，具有生產簡單、鋼管不易生銹、耐久性好、用鋼量少等優(yōu)點。

（2）鋼管混凝土軌枕塊下設置門型鋼筋，容易搗固密實；側面設置凹槽，軌枕塊與道床板混凝土連接可靠；軌枕塊采用配筋設計，混凝土裂紋控制更好，結構更加安全、耐久。

（3）鋼管混凝土軌枕抗彎性能試驗、連接可靠性試驗表明，其力學性能優(yōu)異，滿足施工過程中受力性能要求。

（4）我國對其具有完全自主知識產權，可廣泛應用于高鐵、市域鐵路、城際鐵路和城市軌道交通，并可應用于客貨共線鐵路、貨運專線和重載鐵路。采用鋼管混凝土軌枕現(xiàn)澆道床板式無砟軌道，可為我國高速鐵路“走出去”和“一帶一路”倡議的實施提供技術保障。