趙 民

(蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073)

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程(以下簡稱“蒙華鐵路”)北起鄂爾多斯，南至吉安，是一條便捷大能力煤運通道。它連接蒙陜甘寧“金三角”地區(qū)與湘鄂贛等華中地區(qū)，是“北煤南運”國家戰(zhàn)略運輸通道，是銜接多條煤炭集疏運線路、點網結合、鐵水聯運的高效煤炭運輸系統(tǒng)和國家綜合交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分。全線地貌單元多變，地質情況復雜，全線設車站78個，大中橋665座(長340.3 km)，隧道216座(長425.5 km)，全線橋隧比約43.8%。

蒙華鐵路1 km及以上隧道內采用彈性支承塊式無砟軌道結構，配套采用彈條Ⅶ型扣件。隧道群間的短路基和橋梁地段采用長枕埋入式無砟軌道結構。配套采用WJ-12型扣件。為滿足橋上鋪設護軌條件，可采用在道床板上植筋現澆混凝土平臺作為護軌安裝接口，或者在既有長枕埋入式無砟軌道用軌枕(以下簡稱“埋入式長枕”)上設置護軌安裝接口2種方案。考慮到現澆護軌安裝接口平臺存在施工工藝復雜、精度不高、混凝土結構耐久性受到影響等問題，選擇設置護軌安裝接口的埋入式長枕(以下簡稱“埋入式橋枕”)作為蒙華鐵路橋上長枕埋入式無砟軌道結構鋪設護軌的軌枕設計方案。由于埋入式橋枕目前在我國尚未進行過工程應用，有必要對蒙華鐵路埋入式橋枕的結構設計開展系統(tǒng)研究。

1 蒙華鐵路埋入式橋枕結構設計

1.1 結構選型

我國既有長枕埋入式軌枕主要在區(qū)間和道岔區(qū)使用[1]。區(qū)間埋入式長枕采用預應力鋼筋混凝土軌枕結構，側面設置預留孔，制造方便，經濟性好，在我國既有客貨共線鐵路(秦沈線、渝懷線等)及新建重載鐵路(瓦日線)中鋪設。道岔區(qū)埋入式岔枕底部設置桁架鋼筋，生產工藝相對復雜且成本較高，在我國遂渝、武廣、鄭西、滬杭等多條高速鐵路中鋪設應用。2種長枕埋入式軌枕現場使用情況良好，未出現傷損情況。

蒙華鐵路埋入式長枕主要在區(qū)間線路的橋上應用，與區(qū)間埋入式長枕和道岔區(qū)埋入式岔枕相比，需增加橋上護軌接口，因此，采用側面設置預留孔的區(qū)間埋入式長枕設計理念和生產工藝，增加護軌安裝接口作為埋入式橋枕，可以滿足重載鐵路運營安全性和穩(wěn)定性要求，而且制造工藝簡單，造價合理。

1.2 設計標準和原則

1.2.1 設計標準

根據 TB 10625—2017《重載鐵路設計規(guī)范》[2]、TB 10082—2005《鐵路軌道設計規(guī)范》[3]和鐵運[2007]243號《鐵路橋梁鋪設護軌暫行規(guī)定》[4]關于橋上護軌設置的相關規(guī)定，對于蒙華鐵路部分橋上長枕埋入式無砟軌道需要按照規(guī)范設置護軌，而在橋上安裝護軌區(qū)段采用長枕埋入式無砟軌道時不僅要求軌枕提供基本軌扣件接口，還需要在軌枕中間位置預留護軌安裝接口。鑒于目前相關文件并未對橋上無砟軌道護軌安裝尺寸給出具體規(guī)定，本次埋入式橋枕的設計接口參照有砟軌道混凝土橋枕開展設計工作。既有標準主要對橋上安裝護軌的埋入式橋枕設計有2點要求:①護軌與基本軌頭部間凈距為500 mm；②護軌頂面不得高于基本軌頂面5 mm，也不得低于基本軌頂面25 mm。

1.2.2 設計原則

①能夠滿足橋上安裝護軌的需要；②盡量考慮軌枕結構及配套扣件系統(tǒng)與正線軌道結構的通用性，減少軌道部件類型；③為配套扣件系統(tǒng)提供良好接口；④基本軌考慮60 kg/m和75 kg/m鋼軌通用性。

1.3 結構方案

1.3.1 護軌扣件方案

因蒙華鐵路隧道內及路基上用埋入式長枕(無護軌)與山西中南部鐵路通道(瓦日線)所用的重載埋入式長枕[5-6]相同，配套WJ-12型扣件，長枕內預埋鐵座，承軌面設置1∶40軌底坡。長枕側面設置6個預留孔。預留孔呈錐形，一側直徑 70 mm，另一側直徑50 mm。道床板施工時，縱向鋼筋穿過預留孔以增強新老混凝土黏結，同時施工時要求從直徑70 mm一側澆筑混凝土，確保預留孔內的混凝土灌注密實。另外，在軌枕端面預應力鋼絲預留一定長度，以進一步增強軌枕與道床板連接性能。

為便于生產制造及后期養(yǎng)護維修，設計中盡可能考慮配套扣件系統(tǒng)的通用性，因此本次埋入式橋枕的總體設計方案與既有隧道內和路基上重載埋入式長枕相同，主要修改內容為護軌安裝接口部分。護軌的安裝接口根據扣件系統(tǒng)的差異設計了2種方案。方案1，護軌采用既有橋上有砟軌道橋枕所使用的扣板式扣件(專線3448-Ⅱ)；方案2，護軌采用過渡段輔助軌用扣件(研線0607)。2種方案對比見表1。

表1 橋上埋入式橋枕2種方案對比

經方案比選后，確定橋上無砟軌道基本軌采用WJ-12型扣件，護軌采用扣板式扣件(專線3448-Ⅱ)的設計方案。該方案中護軌采用60 kg/m鋼軌，對應基本軌可采用60 kg/m鋼軌或75 kg/m鋼軌，設計的基本軌軌頭與護軌軌頭凈距為500 mm。橋上護軌的安裝鋪設與現有的新Ⅲ型混凝土橋枕相同。護軌頂面與基本軌頂面高差在正常安裝、最大調高和最大調低3種狀態(tài)下均可滿足維修標準[7]的要求。該設計方案中鋼軌、扣件及埋入式橋枕組裝示意如圖1，鋪設示意如圖2。

圖1 鋼軌、扣件及埋入式橋枕組裝示意

圖2 橋上長枕埋入式無砟軌道結構鋪設示意

1.3.2 截面和配筋方案

蒙華鐵路埋入式橋枕的配筋設計沿用既有重載鐵路隧道內埋入式長枕的設計方案，采用8根φ7 mm螺旋肋鋼絲。在截面設計過程中，為了保證輔助軌與基本軌頂面高差滿足設計規(guī)范的要求，在保持軌下截面高度不變的條件下需加高中間截面的尺寸。因此，與既有隧道內埋入式長枕相比，埋入式橋枕主要變化就是中間截面的高度增加，中間截面的預應力偏心值及永存預應力值隨之改變。為分析中間截面高度增加對埋入式橋枕的影響，提出了2種結構配筋方案:基準方案是鋼筋絲位和總張拉力保持與既有隧道內無護軌區(qū)段埋入式長枕相同；對比方案是將鋼筋絲位向軌枕頂面方向調整5 mm，同時將總張拉力由原來的348 kN調整為200 kN。對比方案中的絲位調整主要是為了降低中間截面的預應力偏心值；對于總張拉力的調整，主要是考慮到埋入式橋枕在運營階段埋置于混凝土道床板內，與道床板共同受力，軌枕的強度并非設計控制要點，而降低總張拉力有利于減少脫模和放張過程中橋枕所受到的阻力，便于生產制造。既有隧道內埋入式長枕及橋上埋入式橋枕配筋方案對比見表2。

埋入式橋枕主要材料參數:軌枕生產所用混凝土28 d強度等級為C60；預應力鋼絲抗拉極限強度為1 570 kN/mm2、抗拉強度設計值為1 070 N/mm2、抗壓強度設計值為400 N/mm2；鋼絲松弛率為Ⅱ級松弛。

計算軌枕48 h內抗裂強度時，混凝土標準強度按不低于45 MPa計，其抗拉標準值、抗拉設計值、軸心抗壓設計值、受拉區(qū)混凝土塑性影響系數等參數均按相關規(guī)范及技術要求確定。在設計中考慮養(yǎng)護時溫差、墩頭內縮、鋼絲松弛等因素對預應力損失的影響。既有隧道內埋入式長枕及埋入式橋枕截面彎矩對比見表3。

表2 既有隧道內埋入式長枕及橋上埋入式橋枕配筋方案對比

表3 既有隧道內埋入式長枕及橋上埋入式橋枕截面彎矩對比 kN·m

2 蒙華鐵路埋入式橋枕受力分析

2.1 橋上長枕埋入式無砟軌道計算模型

根據橋上長枕埋入式無砟軌道結構受力情況，采用實體有限元模型(見圖3)計算軌道結構在列車荷載作用下的力學行為。模型中鋼軌采用歐拉梁單元，兩端約束縱向位移；扣件系統(tǒng)采用彈簧單元；道床板和底座采用實體單元；道床板底部和底座之間采用接觸單元模擬隔離層；橋梁采用殼單元。為消除邊界效應的影響，模型長取3塊道床板長度，以中間道床板對應的軌道結構作為研究對象。

圖3 長枕埋入式無砟軌道結構實體有限元模型及網格劃分

長枕埋入式無砟軌道結構的基本軌和護軌均采用60 kg/m鋼軌，基本軌采用WJ-12型扣件，護軌采用扣板式扣件，道床板板長6 775 mm，板寬2 800 mm，板厚350 mm，板縫100 mm，橋上混凝土底座寬2 800 mm，設計高度250 mm。道床板和底座間設置隔離層，兩限位凹槽尺寸為1 000 mm(長)×700 mm(寬)×130 mm(高)，凹槽周邊設置彈性緩沖墊層。

有限元模型計算參數:鋼軌彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數取 1.2×10-5℃-1；道床板混凝土強度等級 C40，彈性模量取 3.4×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數取 1.0×10-5℃-1；底座混凝土強度等級C40，彈性模量取3.4×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數取1.0×10-5℃-1；扣件間距為610 mm，扣件節(jié)點靜剛度為120 kN/mm，動剛度為180 kN/mm；橋梁與底座間的支承面剛度為1 000 MPa/m。

2.2 埋入式橋枕荷載計算結果

2.2.1 列車荷載

列車豎向荷載是設計計算時考慮的主要荷載。運營列車最大軸重300 kN，豎向設計荷載標準值Pk＝3Pj＝450 kN。其中:Pj為靜輪重，為設計靜軸重的1/2(150 kN)。根據實體有限元模型計算了荷載作用于道床板中間支點時軌枕承受的彎矩值。計算結果:軌下截面的正彎矩為2.05 kN·m，枕中截面負彎矩為0.52 kN·m。

2.2.2 溫度荷載

參考TB 10625—2017《重載鐵路設計規(guī)范》[8]，道床板最大溫度梯度按90℃/m取值。溫度梯度作用下道床板最大翹曲應力σt計算公式為

式中:Ec為道床板混凝土彈性模量，取3.45×104MPa；αt為混凝土線膨脹系數，取 1.0×10-5℃-1；βh為道床板厚的溫度梯度修正系數，取0.69；Tg為溫度梯度，取90℃/m；h為道床板厚度，取0.35 m。

將以上數值代入式(1)，計算得道床板最大翹曲應力為3.75 MPa。

溫度梯度作用下，軌枕寬度范圍內道床板所受的彎矩Mt計算公式為

式中:b為軌枕等效寬度，取0.26 m。

經計算，Mt為 19.9 kN·m。

由于軌枕與道床板澆筑為一體，軌枕承受的彎矩由其抗彎剛度決定。其彎矩分配系數μ計算公式為

式中:Es為軌枕混凝土彈性模量，取3.60×104MPa；h1為軌枕埋入道床板內的等效高度，取0.15 m；h2為軌枕的枕底道床板厚度，取0.2 m。

經計算彎矩分配系數為0.31，即荷載引起的彎矩的31%由軌枕承擔。因此，在溫度梯度作用下軌枕承受的彎矩為6.08 kN·m。

2.2.3 橫向荷載

在橫向力作用下，道床板在橫向產生的彎矩Mq為

式中:kq為橫向力沿軌道縱向的分配系數，取0.3；Q為橫向力，按100 kN計；L為橫向力作用點距道床板頂面的高度，為0.214 m。

經計算，Mq為6.42 kN·m/m。

橫向荷載在道床板的上下側產生的彎矩值均為Mq/2，即每米寬度范圍內最大彎矩Mqa為3.21 kN·m/m。在軌枕寬度范圍內，考慮軌枕的等效寬度以及荷載引起的彎矩的分配系數，可以得出軌枕自身所受到的橫向荷載引起的彎矩為0.42 kN·m/m。

綜合以上分析，可得到埋入式橋枕軌下截面所受的正彎矩最大值為8.55 kN·m，枕中截面負彎矩最大值為7.02 kN·m。結合表3可知，2種配筋方案的承載能力均能夠滿足運營階段使用要求。

3 蒙華鐵路埋入式橋枕室內試驗

3.1 靜載抗裂強度試驗

針對設計提出的基準方案(絲位不變，總張拉力為348 kN)和對比方案(絲位上調5 mm，總張拉力為200 kN)，試制了2種方案的平直段橋枕，并按照TB/T 1879—2002《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》[9]及Q/CR 509—2016《30 t軸重重載鐵路隧道內長枕埋入式無砟軌道用混凝土軌枕技術條件》[10]的規(guī)定進行靜載抗裂強度試驗，見圖4?；鶞史桨杠壪陆孛骒o載檢驗值為170 kN，中間截面靜載檢驗值為100 kN；對比方案軌下截面靜載檢驗值為110 kN，中間截面靜載檢驗值為80 kN。試驗結果表明埋入式橋枕的靜載抗裂強度滿足設計要求。

圖4 埋入式橋枕截面靜載抗裂強度試驗

3.2 預應力偏心對埋入式橋枕拱度的影響試驗

由于本次設計的埋入式橋枕在中間位置加高了截面，導致軌枕中間部分的預應力偏心值較大，通過對橋上埋入式橋枕中間截面拱度的跟蹤觀測，分析預應力偏心對埋入式橋枕中間截面初始預應力偏心產生的上拱和徐變導致的拱度的影響。試驗分別選取2種方案的軌枕各3根進行長期監(jiān)測，試驗按照TB/T 3080—2014《有砟軌道混凝土岔枕》[11]中對岔枕拱度的測量方法執(zhí)行。監(jiān)測時間分別為脫模時、脫膜后24 h，48 h，3 d，7 d，14 d，28 d，60 d 和 90 d。 試驗結果見表4?？梢?對比方案由于向上調整了預應力的絲位，同時降低了總張拉力，中間部分上拱現象明顯減少。

表4 預應力偏心引起的埋入式橋枕的拱度 mm

4 結論

1)經不同方案比選，確定了蒙華鐵路埋入式橋枕方案，該方案橋上無砟軌道基本軌采用WJ-12型扣件，護軌采用扣板式扣件(專線3348-Ⅱ)。

2)因安裝扣件接口需要增加中間截面高度。為分析截面高度增加對埋入式橋枕的影響，提出了基準方案(絲位不變，張拉力348 kN)和對比方案(絲位上調5 mm，張拉力200 kN)2種結構配筋方案。

3)經有限元仿真分析，埋入式橋枕軌下截面所受的正彎矩最大值為8.55 kN·m，枕中截面負彎矩最大值為7.02 kN·m。2種方案的承載能力均能夠滿足運營階段使用要求。

4)經靜載抗裂強度試驗和預應力偏心對埋入式橋枕拱度影響試驗，試制的埋入式橋枕各項性能均能滿足相關技術標準和設計的要求。對比方案更有利于生產，尤其對于產品的放張和脫模更加便利，較基準方案中間部分上拱明顯減小。