鋼管混凝土軌枕抗彎試驗研究

李啟航

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063）

0 引言

雙塊式無砟軌道是國內(nèi)外高速鐵路應(yīng)用最廣泛的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一，其專利技術(shù)為國外公司所有。為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型雙塊式軌枕，我國研究、開發(fā)了采用多根鋼管混凝土構(gòu)件連接兩端的混凝土軌枕塊，形成了一種新型的雙塊式軌枕[1]。

針對混凝土軌枕的研究，吳軍對雙塊式軌枕的吊裝堆放過程進行了受力分析[2]。張岷檢算、分析、論證了新型連塊式軌枕的承載、抗變形能力[3]。林紅松等人對重載鐵路混凝土軌枕開展了承載能力及試驗研究[4]。

鋼管混凝土（CFT）軌枕作為一種新型混凝土軌枕結(jié)構(gòu)，既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，又包含了鋼管混凝土連接構(gòu)件[5]。針對混凝土軌枕的研究，包括理論計算分析、承載能力和疲勞試驗。針對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究包括抗彎性能、壓彎性能、彎扭復(fù)合性能等：抗彎性能是確保軌枕生產(chǎn)、吊裝、施工過程中抵抗變形的關(guān)鍵指標。為清晰、明確地掌握鋼管混凝土軌枕的力學(xué)性能，本文針對鋼管混凝土軌枕開展抗彎性能力學(xué)性能試驗研究，并與使用廣泛的SK-2 型雙塊式軌枕進行對比。

1 試驗方案

1.1 軌枕方案

無論是采用桁架鋼筋連接的SK-2 型雙塊式軌枕，還是CFT 軌枕，均要求其具有較高的抗彎剛度。為了與原有的SK-2 型雙塊式軌枕進行力學(xué)性能對比，驗證采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，設(shè)計了由2根和3 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕方案，如圖1、圖2 所示。

將采用2 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕分為方案A、B（見圖1）。方案A 采用2 根外徑42mm、壁厚3mm、長度2000mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。方案B 采用2 根外徑33mm、壁厚3mm、長度2000mm的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，鋼管材質(zhì)、鋼管內(nèi)灌注的材料以及軌枕的其他設(shè)計均相同。

圖1 A、B 組設(shè)計方案

將采用3 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕分為方案C、D（見圖2）。方案C 采用3 根外徑42mm、壁厚3mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕，底部2 根鋼管混凝土構(gòu)件長度為2000mm，頂部長度為1100mm。方案D 采用底部2 根鋼管混凝土構(gòu)件外徑為33mm、長度為2000mm，頂部采用1 根外徑42mm、長度1100mm、壁厚均為3mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，頂部鋼管與下方2 根鋼管之間的高度均為90mm，鋼管材質(zhì)、鋼管內(nèi)灌注材料以及軌枕其他尺寸設(shè)計均相同。

圖2 C、D 組設(shè)計方案

1.2 試驗步驟

抗彎試驗采用軌枕專用試驗平臺進行，試驗平臺通過支承兩端軌枕塊底部，在軌枕中部施加垂向荷載，可同時測量、記錄荷載大小和軌枕彎曲變形的大小。抗彎試驗過程如下：

測量并標記軌枕中點，作為垂向彎曲荷載施加點，測量并標記兩個混凝土軌枕塊中心線，作為支承點；

將軌枕架設(shè)在抗彎試驗平臺上，垂向加載頭調(diào)整至與軌枕中點接觸，將下部2 個支承點調(diào)整至軌枕塊中心線正下方，形成3 點支承抗彎試驗。

啟動試驗機，在軌枕中點施加集中荷載，加載速率為2mm/min，記錄加載過程中軌枕中部的撓度和集中荷載的大小，并觀察軌枕塊的開裂情況。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 CFT 軌枕抗彎性能

方案A 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖3 所示。可見，當(dāng)荷載較小時，軌枕中點鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的撓曲位移隨荷載增加而增大，當(dāng)荷載小于14.0KN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關(guān)系，并呈直線上升趨勢，表明此時鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于14.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構(gòu)件進入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過17.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖3 方案A CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案B 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖4 所示。當(dāng)荷載小于5.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關(guān)系，表明此時鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于5.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構(gòu)件進入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過6.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖4 方案B CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案C 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖5 所示。當(dāng)荷載小于21.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關(guān)系，表明此時鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于21.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構(gòu)件進入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過25.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖5 方案C CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案D 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖6 所示。當(dāng)荷載小于16.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關(guān)系，表明此時鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于16.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構(gòu)件進入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過20.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖6 方案D CFT 軌枕抗彎試驗曲線

2.2 SK-2 軌枕抗彎性能

SK-2 軌枕抗彎試驗曲線如圖7 所示?？梢?，當(dāng)荷載較小時，軌枕中間位置桁架鋼筋的撓曲位移隨荷載增加而增大，當(dāng)荷載低于15.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關(guān)系，呈直線上升趨勢，表明此時鋼筋桁架處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于15.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時桁架鋼筋出現(xiàn)塑性變形；當(dāng)荷載超過19.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載逐漸降低。

圖7 SK-2 軌枕抗彎試驗曲線

2.3 軌枕抗彎性能對比分析

CFT 軌枕及SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能試驗，以彈性階段終點作為軌枕抗彎性能所承受的最大荷載。方案A 軌枕承受最大荷載為14.0kN，方案B 軌枕承受最大荷載為5.0kN，方案C 軌枕承受最大荷載為21.0kN，方案D 軌枕承受最大荷載為16.0kN，SK-2軌枕所能承受的最大荷載為15.0kN。

方案A、D 與SK-2 型軌枕抗彎性能基本相當(dāng)，方案B 弱于SK-2 型軌枕，方案C 的抗彎性能大于SK-2型軌枕。鋼材用量方面，方案A 為11.5kg、方案B 為8.9kg、方案C 為14.7kg、方案D 為12.1kg、SK-2 型為17.3kg。由此可見，四種方案鋼材用量均小于SK-2型軌枕。綜合考慮抗彎性能和材料用量，A 為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

本文通過對鋼管混凝土軌枕、SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能進行對比試驗研究，得出以下結(jié)論：

其一，鋼管混凝土軌枕方案A、B、C、D 均滿足承載能力要求，采用2 根外徑42mm 的鋼管混凝土構(gòu)件的方案A，抗彎性能滿足使用要求，材料用量方面更優(yōu)，為優(yōu)選方案。

其二，鋼管混凝土軌枕抗彎性能達到軌枕所能承受的最大荷載后，可繼續(xù)保持緩慢上升，從而發(fā)揮鋼管混凝土的延性特點；SK-2 軌枕抗彎性能具有直線上升、上升變緩、逐漸下降三個階段，彈性變形階段抗彎性能較強，一旦發(fā)生塑性變形，抗彎性能會迅速下降。