林紅松 顏 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

林紅松 顏 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著重載鐵路軸重和年運(yùn)量的增加，軌枕的承載能力和疲勞壽命將有所降低，為保證重載鐵路的運(yùn)輸安全，有必要開(kāi)展30 t及以上軸重的重載軌枕設(shè)計(jì)研究。文章結(jié)合我國(guó)重載鐵路的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，以Ⅲ型混凝土軌枕為基礎(chǔ)，提出了通過(guò)適當(dāng)增大軌枕斷面和預(yù)應(yīng)力鋼筋、減小軌枕?yè)跫鐑A角等措施來(lái)提高軌枕承載能力的方案，并根據(jù)重載鐵路軌枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算分析了軌下及軌中截面承載能力彎矩及靜載和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)值，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了軌枕的靜載抗裂和疲勞試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：采用上述措施后的重載軌枕的承載力彎矩大于荷載彎矩；重載軌枕能夠滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗(yàn)要求和30 t軸重重載鐵路的使用要求，研究結(jié)果可為30 t軸重重載鐵路軌枕的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。

重載鐵路； 混凝土軌枕； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 承載力； 試驗(yàn)研究

近年來(lái)，重載鐵路運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，美國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)家在重載鐵路中已開(kāi)始運(yùn)營(yíng)30 t軸重及以上的重載列車，并取得了一定的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)重載鐵路目前仍以運(yùn)營(yíng)25 t軸重列車為主，缺乏30 t軸重及以上線路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。隨著重載列車速度的提高、軸重及運(yùn)量的增加，易造成軌道結(jié)構(gòu)傷損增加。近年來(lái)，多次線路調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)重載線路上的混凝土軌枕出現(xiàn)了一定程度的傷損，如擋肩破損、軌枕軌下及中間截面橫向裂紋等。

目前，我國(guó)既有線上大量鋪設(shè)的Ⅲ型及Ⅱ型軌枕的設(shè)計(jì)軸重為25 t。隨著重載鐵路軸重和年運(yùn)量的增加，軌枕的承載能力和疲勞壽命將有所降低，為保證重載鐵路的運(yùn)輸安全，有必要開(kāi)展30 t及以上軸重的重載軌枕設(shè)計(jì)研究，從而滿足30 t及以上軸重重載鐵路的運(yùn)營(yíng)條件。

1 軌枕設(shè)計(jì)方法

1.1 荷載彎矩

軌枕壓力計(jì)算采用TB 2034-1988《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》，采用連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型計(jì)算。軌枕枕上垂直動(dòng)壓力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：

Rd=γ(1+α)P0

(1)

式中：Rd——軌枕枕上垂直動(dòng)壓力(kN)；γ——輪重分配系數(shù)，與軌枕間距、扣件剛度、車輪軸距、鋼軌型式等有關(guān)；

α——?jiǎng)虞d系數(shù)，取1.5；

P0——靜輪重，取設(shè)計(jì)軸重的一半。

軌枕關(guān)鍵截面主要分為軌下截面與枕中截面，彎矩計(jì)算根據(jù)TB 2034-1988《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》，軌下截面與枕中截面彎矩計(jì)算，如圖1所示。

圖1 軌枕彎矩計(jì)算圖

軌下截面彎矩計(jì)算公式為：

(2)

枕中截面彎矩計(jì)算公式為：

(3)

式中：a1——荷載作用點(diǎn)至枕端距離，取a1=54 cm；

e——一股鋼軌下軌枕的全支承長(zhǎng)度，取e=95 cm；

b'——軌下襯墊寬度，一般取軌底寬(cm)；

Ks——軌枕設(shè)計(jì)系數(shù)，取1；

l——軌枕長(zhǎng)度(cm)。

1.2 預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，確定混凝土軌枕的預(yù)應(yīng)力損失。

(1)錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失

(4)

式中：a——張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力內(nèi)縮值(mm)；

l——張拉端至錨固端之間的距離(mm)；

Es——預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量(MPa)。

(2)預(yù)應(yīng)力筋的摩擦損失

由于Ⅲ型軌枕采用先張法施工，故不考慮預(yù)應(yīng)力筋的摩擦損失。

(3)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛

(5)

式中：σcon——控制張拉應(yīng)力；fptk——預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)混凝土的收縮徐變

(6)

式中：σpc——受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處的混凝土法向壓應(yīng)力；

ρ——截面預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋配筋率，由于普通鋼筋影響較小，只考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋。

1.3 軌枕抗裂彎矩及試驗(yàn)荷載

根據(jù)TB/T 2190-2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》，軌枕靜載抗裂要求在脫模后48 h內(nèi)完成，同時(shí)放張時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，故在計(jì)算混凝土截面靜載抗裂承載彎矩時(shí)，對(duì)C60混凝土，使用C45混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度。

Mcr=(σpc+1.75ftk)W0

(7)

式中：Mcr——軌枕截面靜載抗裂彎矩；σpc——混凝土受拉邊緣的法向預(yù)拉應(yīng)力；ftk——混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值；

W0——換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

根據(jù)TB/T 1879-2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》，檢驗(yàn)荷載F由下式計(jì)算

F=7.273Mcr

(8)

1.4 設(shè)計(jì)承載彎矩及試驗(yàn)荷載

疲勞(設(shè)計(jì))承載彎矩根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。

Mf=(σpc+0.7ft)W0

(9)

式中：Mf——軌枕截面疲勞(設(shè)計(jì))承載彎矩；ft——混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

同時(shí)，受壓區(qū)混凝土邊緣壓應(yīng)力計(jì)算公式為：

(10)

疲勞試驗(yàn)荷載：

Fmax=(1.05～1.1)F

(11)

1.5 破壞承載彎矩

軌枕截面受彎極限(破壞)承載彎矩根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算：

(12)

(13)

由于Ⅲ型軌枕全截面受到壓應(yīng)力，故受拉區(qū)混凝土相關(guān)計(jì)算項(xiàng)不予考慮，上式簡(jiǎn)化為：

(14)

α1fcbx=fpyAp

(15)

2 軌枕設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

30t軸重重載鐵路軌枕設(shè)計(jì)基本參數(shù)，如表1所示。

2.2 軌枕設(shè)計(jì)彎矩

根據(jù)軌枕設(shè)計(jì)方法及主要設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得到30t軸重重載鐵路軌枕的設(shè)計(jì)彎矩如表2所示。

表1 重載軌枕主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 軌枕設(shè)計(jì)彎矩

2.3 軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌枕定位為整體式單塊預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，考慮有擋肩軌枕的橫向抵抗能力更強(qiáng)，因此重載軌枕設(shè)計(jì)為有擋肩型式。同時(shí)針對(duì)重載鐵路軌枕受力特點(diǎn)，為提高軌枕抗彎承載力及擋肩橫向承載力，以增大軌枕斷面和配筋為主要方式。Ⅲ型軌枕是由Ⅰ、Ⅱ型軌枕發(fā)展而來(lái)，是國(guó)內(nèi)有砟軌道線路的主要軌枕，且Ⅲ型軌枕最早是按25 t軸重條件設(shè)計(jì)的。因此，以國(guó)內(nèi)應(yīng)用成熟的Ⅲ型有擋肩軌枕為基礎(chǔ)進(jìn)行軌枕設(shè)計(jì)，在既有線更換升級(jí)軌枕方面，具有優(yōu)越性。設(shè)計(jì)的30 t軸重重載軌枕結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。

圖2 重載軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(mm)

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

30 t軸重軌枕結(jié)構(gòu)方案主要有以下特點(diǎn)：

(1)為提高重載軌枕的擋肩承載能力，優(yōu)化傳力方向，承軌槽兩底腳采用凹槽設(shè)計(jì)；

(2)承軌槽擋肩與承軌面的夾角由III型有擋肩軌枕的120°調(diào)整為100°；

(3)在擋肩處增加箍筋，提高擋肩橫向承載能力；

(4)采用C60混凝土，10φ8的螺旋肋鋼絲，總張拉力480 kN；

(5)主體尺寸與III型有擋肩軌枕基本相同。

2.5 軌枕承載能力檢算

30 t軸重重載軌枕采用C60混凝土，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=38.5 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.85 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=27.5 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=2.04 MPa，彈性模量為 36 000 MPa。重載軌枕采用10φ8的螺旋肋鋼絲，鋼絲的截面積為50.3 mm2，預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 570 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 1 110 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為410 MPa，彈性模量為2.05×105MPa。根據(jù)軌枕設(shè)計(jì)方法及材料參數(shù)，預(yù)應(yīng)力鋼筋控制張拉應(yīng)力為954.9 MPa，預(yù)應(yīng)力損失合計(jì)約134.8 MPa，軌下斷面受壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)力為7.5 MPa、枕中斷面受壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)力為11.9 MPa。30 t軸重重載鐵路軌枕的承載能力檢算結(jié)果，如表3所示。

表3 承載能力檢算

從表3可見(jiàn)，新型軌枕可以滿足30 t軸重重載鐵路的承載能力要求。

3 軌枕室內(nèi)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證重載鐵路軌枕能滿足30 t軸重重載鐵路的運(yùn)營(yíng)要求，參照TB/T 1879-2002《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》和TB/T 1878-2002《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕疲勞試驗(yàn)方法》，進(jìn)行了軌枕靜載抗裂和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。軌枕靜載抗裂和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目包括軌下截面正彎矩和中間截面負(fù)彎矩兩個(gè)力學(xué)參數(shù)，且靜載和疲勞的加載圖示基本相同，其中軌下截面和中間截面靜載試驗(yàn)圖示，如圖3所示。

圖3 軌枕靜載試驗(yàn)圖示(mm)

在軌枕承載能力計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上適當(dāng)增大，重載鐵路軌枕靜載試驗(yàn)的軌下檢驗(yàn)荷載取215 kN，中間截面檢驗(yàn)荷載取180 kN，軌下截面疲勞檢驗(yàn)荷載最大值取230 kN，中間截面疲勞檢驗(yàn)荷載最大值取190 kN。

通過(guò)對(duì)30 t軸重靜載抗裂重載鐵路軌枕在室內(nèi)進(jìn)行靜載抗裂和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在開(kāi)裂檢驗(yàn)荷載下，未發(fā)現(xiàn)軌枕開(kāi)裂；軌枕軌下截面和枕中截面實(shí)際開(kāi)裂荷載分別為277 kN、236 kN；疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，軌枕在經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞循環(huán)荷載后卸載，未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明重載軌枕能滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且有一定的安全余量。

4 結(jié)論

本文結(jié)合我國(guó)重載鐵路的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，按照國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕開(kāi)展了設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)增大軌枕斷面、提高預(yù)應(yīng)力鋼筋面積等措施，可有效提高軌枕承載能力。

(2)按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型重載軌枕開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)研究，新型重載軌枕的靜載抗裂和疲勞試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)要求，表明新型重載軌枕能滿足30 t軸重重載鐵路的使用要求。

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Research on Design and Experiment of Concrete Sleeper Suitable for 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

LIN Hongsong YAN Hua

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.，Chengdu 610031, China)

With the increase of axle load and annual volume of traffic of heavy haul railway, carrying capacity and fatigue life of the sleeper are decrease to some extent. In order to ensure the transport safety, it is necessary to study the concrete sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway. Considering of the operation characteristics of heavy haul railway in China, the measures were taken to improve the bearing capacity of sleeper such as increase of the cross section of sleeper and prestressed reinforcement, decrease of the angle of sleeper shoulder based on the type Ⅲ concrete sleeper in this paper. According to the structural design of heavy haul railway sleeper, the bearing capacity of rail seat and sleeper center section, static load and fatigue test value were calculated and analyzed, and the static load crack resistance and fatigue test were carried out. The research results show that the bearing bending moment of concrete sleeper for heavy haul railway is greater than the load bending moment after adopted these measures. The heavy haul railway sleeper can meet the experimental requirements of China’s technical standards and the operating requirements of 30t axle load heavy haul railway. Research results can provide references for the design and experiment of sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway.

heavy haul railway; concrete sleeper; structural design; bearing capacity; experimental research

2015-12-29

林紅松(1982-)，男，高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)03—0069—05

U213.3

A