劉啟賓

（陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院） 陜西西安 710043）

1 概述

地鐵通常采用的軌枕型式有短軌枕和長(zhǎng)軌枕兩種［1-2］。短軌枕具有結(jié)構(gòu)輕巧、水溝設(shè)置靈活（中心水溝或側(cè)溝）、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，但存在施工時(shí)精調(diào)工作量大、軌道幾何形位保持不易等缺點(diǎn)［3-5］；長(zhǎng)軌枕具有施工調(diào)整工作量少、道床結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在只能設(shè)置雙側(cè)水溝、穿孔鋼筋壓漿困難、枕下易出現(xiàn)孔洞等缺點(diǎn)［6-8］。

針對(duì)上述問(wèn)題，借鑒雙塊式軌枕在高速鐵路上的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院均開始研究適用于地鐵用的雙塊式軌枕［9-10］。本院借鑒雙塊式軌枕的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種地鐵用連塊式軌枕，該軌枕保留了短軌枕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧的特點(diǎn)，避免了長(zhǎng)軌枕整體道床鋼筋孔壓漿和枕下局部容易出現(xiàn)空洞等現(xiàn)象，且增強(qiáng)了道床混凝土與軌枕之間連接的可靠性，減小了軌枕與道床之間新舊混凝土界面出現(xiàn)離縫、脫層等現(xiàn)象的可能。

為確保地鐵用連塊式軌枕的耗損率在施工中處于較低水平，本文結(jié)合施工中軌枕可能承受的最不利受力情況對(duì)連塊式軌枕進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢算，并通過(guò)試制試驗(yàn)對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，為連塊式軌枕在地鐵中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 連塊式軌枕設(shè)計(jì)

連塊式軌枕是將兩個(gè)獨(dú)立的軌枕塊用鋼筋桁架連接起來(lái)的一種軌枕型式［11］，鋼筋桁架有2根上弦桿和1根下弦桿，2根上弦桿為直徑14 mm的鋼筋，1根下弦桿為直徑18 mm鋼筋，三根主筋通過(guò)直徑8 mm波紋筋焊連，以提高桁架鋼筋系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。在軌枕塊端部設(shè)置門型支撐鋼筋，便于軌枕塊的存放與軌排組裝。連塊式軌枕設(shè)計(jì)如圖1～圖3所示。

圖1 連塊式軌枕立面

圖2 連塊式軌枕平面

3 連塊式軌枕結(jié)構(gòu)檢算

鋼筋桁架是連塊式軌枕在施工過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)［12］，在施工過(guò)程中可能出現(xiàn)鋼筋變形過(guò)大導(dǎo)致其發(fā)生永久變形并造成連塊式軌枕失效的現(xiàn)象。本節(jié)根據(jù)施工過(guò)程中連塊式軌枕可能出現(xiàn)的最不利受力情況，采用有限元分析方法對(duì)連塊式軌枕進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢算，并對(duì)其在施工過(guò)程中的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。

圖3 連塊式軌枕側(cè)視圖

3.1 有限元模型

有限元模型按照連塊式軌枕的設(shè)計(jì)建立，上層鋼筋為2根φ14HRB400級(jí)鋼筋，下層鋼筋為1根φ18HRB400級(jí)鋼筋；桁架鋼筋采用φ8HPB235級(jí)鋼筋，桁架鋼筋與箍筋之間采用固結(jié)。鋼筋均采用空間梁?jiǎn)卧M，梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦园凑珍摻畹膶?shí)際截面特性賦值。HRB400級(jí)鋼筋彈性模量取2.1×105MPa；HPB235級(jí)鋼筋的彈性模量取2.0×105MPa。鋼筋密度取 7.9×103kg／m3，泊松比取0.3。

門型支撐鋼筋及扣件預(yù)埋套筒等細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)連塊式軌枕的結(jié)構(gòu)受力無(wú)影響，在模型中不予考慮。

根據(jù)以上參數(shù)及簡(jiǎn)化原則，建立的連塊式軌枕有限元模型如圖4所示。

圖4 連塊式軌枕有限元模型

3.2 模擬工況及荷載

連塊式軌枕在施工期間可能出現(xiàn)的最不利荷載常見(jiàn)的有以下兩種:

（1）未按設(shè)計(jì)的起吊方式起吊。連塊式軌枕設(shè)計(jì)的起吊方式及施工期最不利的起吊方式分別如圖5～圖6所示。

圖5 連塊式軌枕設(shè)計(jì)起吊方式

圖6 連塊式軌枕施工期最不利起吊方式

此種工況下，在有限元模型中，將桁架鋼筋中間全部約束，軌枕塊施加重力荷載。

（2）軌排組裝完成后進(jìn)行道床鋼筋綁扎、焊接、道床底板清理等作業(yè)時(shí)工人直接踩踏在桁架鋼筋上進(jìn)行作業(yè)，其模擬效果如圖7所示。

此種工況下，在有限元模型中，將軌枕塊全約束，在桁架鋼筋中部施加1 kN（人的體重按100 kg計(jì)算）的垂向荷載，如圖8所示。

圖7 軌排組裝后工人踩踏工況

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）最不利起吊方式模擬結(jié)果

最不利起吊方式時(shí)有限元模擬結(jié)果如圖9～圖10所示，鋼筋最大應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖8 軌排組裝后工人踩踏有限元模擬

圖9 最不利起吊方式鋼筋變形模擬

圖10 最不利起吊時(shí)鋼筋桁架垂向位移

表1 最不利起吊方式時(shí)鋼筋最大應(yīng)力計(jì)算表

根據(jù)以上結(jié)果可以看出:在最不利起吊時(shí)，桁架鋼筋的最大垂向位移為0.12 mm，最大應(yīng)力為103 MPa，遠(yuǎn)小于HRB400級(jí)鋼筋的屈服強(qiáng)度。

綜合以上分析，連塊式軌枕的鋼筋桁架在最不利起吊方式下的變形很小、應(yīng)力水平很低，桁架鋼筋的變形在彈性變形范圍之內(nèi)。

（2）工人踩踏在鋼筋桁架上作業(yè)模擬結(jié)果

工人踩踏在鋼筋桁架上作業(yè)時(shí)有限元模擬結(jié)果如圖11～圖12所示，鋼筋最大應(yīng)力見(jiàn)表2。

圖11 工人踩踏在鋼筋桁架上變形模擬

圖12 工人踩踏時(shí)鋼筋桁架上的垂向位移

表2 工人踩踏在桁架鋼筋上時(shí)鋼筋最大應(yīng)力計(jì)算表

根據(jù)以上結(jié)果可以看出:在軌排組裝完成后，工人踩踏在連塊式軌枕鋼筋桁架上時(shí)，鋼筋桁架的最大垂向位移為0.209 mm，最大應(yīng)力為48.7 MPa，遠(yuǎn)小于HRB400級(jí)鋼筋的屈服強(qiáng)度。

綜合以上分析，連塊式軌枕在軌排組裝好工人踩踏在桁架鋼筋上時(shí)的變形很小、應(yīng)力水平很低，桁架鋼筋的變形在彈性變形范圍之內(nèi)。

4 連塊式軌枕試制試驗(yàn)研究

在連塊式軌枕結(jié)構(gòu)檢算的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步掌握連塊式軌枕結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)及結(jié)構(gòu)功能性能，需要進(jìn)行連塊式軌枕的試制及力學(xué)性能試驗(yàn)等系列工作。

連塊式軌枕模具按照設(shè)計(jì)圖紙的要求及外形尺寸偏差，采用精密加工鋼模具，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，能保證軌枕各部分的形狀、尺寸及預(yù)埋件的位置準(zhǔn)確，模具的制造允許公差為連塊式軌枕成品允許公差的1／2。

連塊式軌枕材料包括水泥、粗骨料、細(xì)骨料、減水劑、水、HRB400鋼筋、HPB300鋼筋、預(yù)埋套管等，其中水泥、粗骨料、細(xì)骨料、減水劑、水等材料性能指標(biāo)應(yīng)滿足《鐵路混凝土》（TB／T 3275-2011）中的相關(guān)規(guī)定，鋼筋的性能指標(biāo)應(yīng)滿足GB／T 1499中的相關(guān)規(guī)定，預(yù)埋套管應(yīng)滿足彈條Ⅲ型分開式扣件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。連塊式軌枕試制效果如圖13所示。

圖13 連塊式軌枕試制試樣

連塊式軌枕制造完成后，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。主要試驗(yàn)項(xiàng)目有:支撐塊正截面靜載抗裂強(qiáng)度性能、最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變?cè)囼?yàn)、鋼筋桁架承載性能試驗(yàn)。

4.1 支撐塊正截面靜載抗裂強(qiáng)度性能

為確保支撐塊服役期靜載抗裂特性的可靠性，對(duì)軌枕塊靜載抗裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試（試件共3組）。靜載抗裂強(qiáng)度檢驗(yàn)值取75 kN，采用分級(jí)加載的方式逐步增加荷載（荷載P≤80 kN，每級(jí)5 kN；荷載P＞80 kN，每級(jí)2.5 kN），每級(jí)持荷 3 min，用放大鏡觀察軌枕截面中部裂縫開展情況。當(dāng)加載至1.1倍的檢驗(yàn)荷載（82.5 kN）時(shí)，如支撐塊不壓潰且枕底裂縫寬度不大于0.5 mm，則其靜載抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。加載試驗(yàn)見(jiàn)圖14，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖14 支撐塊正截面靜載抗裂強(qiáng)度性能加載試驗(yàn)

表3 支撐塊正截面靜載抗裂強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，軌枕塊在檢驗(yàn)荷載作用下，支撐塊未出現(xiàn)壓潰或開裂情況，說(shuō)明地鐵用連塊式軌枕靜載抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全富余量。

4.2 最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變?cè)囼?yàn)

為測(cè)定連塊式軌枕鋼筋桁架在最不利起吊狀態(tài)的變形特性，進(jìn)行連塊式軌枕在最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)將連塊式軌枕中部持續(xù)懸吊3 h，每隔1 h量測(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂向位移變化情況，如圖15所示。

圖15 最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變?cè)囼?yàn)

表4 最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由表4可以看出:在吊裝3 h后軌枕垂向位移最大變化量為0.10 mm，與仿真模擬結(jié)果相當(dāng)，表明連塊式軌枕在最不利起吊狀態(tài)時(shí)鋼筋桁架形變可以滿足軌排吊裝、搬運(yùn)等實(shí)際需求。

4.3 鋼筋桁架承載性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證連塊式軌枕鋼筋桁架的承載能力，確保軌排組裝后連塊式軌枕在工人踩踏下結(jié)構(gòu)變形在線彈性范圍內(nèi)，進(jìn)行連塊式軌枕鋼筋桁架承載性能試驗(yàn)。鋼筋桁架位移使用百分表測(cè)量（精度 0.01 mm），如圖16所示。

試驗(yàn)共進(jìn)行3組，采用千斤頂先施加1 kN的力，持荷3 min讀取百分表數(shù)值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖16 鋼筋桁架承載性能試驗(yàn)

表5 模擬工人踩踏情況下鋼筋桁架變形值

由表5可知:鋼筋桁架在最不利荷載作用下，垂向最大位移為0.2 mm，與仿真模擬結(jié)果相當(dāng)，表明鋼筋桁架應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)，工人踩踏不會(huì)對(duì)連塊式軌枕的軌距、軌底坡及超高等參數(shù)造成影響。

5 結(jié)論

本文基于有限元分析方法及室內(nèi)試制試驗(yàn)，結(jié)合連塊式軌枕在施工時(shí)可能出現(xiàn)的常見(jiàn)最不利荷載工況，對(duì)地鐵用連塊式軌枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢算與測(cè)試分析，得出的主要結(jié)論如下:

（1）連塊式軌枕在最不利起吊狀態(tài)及軌排組裝后工人踩踏在鋼筋桁架上時(shí)的變形很小、應(yīng)力水平較低，桁架鋼筋的變形及應(yīng)力均處于線彈性范圍。

（2）連塊式軌枕設(shè)計(jì)可以滿足施工需求，在施工的過(guò)程中耗損率能夠保持較低水平，可以在地鐵中推廣使用。