尤瑞林，范 佳，郄錄朝，李秋義

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430063）

重載鐵路成為全球鐵路快速發(fā)展的一個(gè)重要方向。從國(guó)外發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)膶?shí)踐來(lái)看，鐵路貨運(yùn)已成為大宗貨物運(yùn)輸最為經(jīng)濟(jì)高效的方式［1-2］。澳大利亞主要發(fā)展大軸重重載鐵路，其FMG 鐵路軸重為40 t；美國(guó)重載列車(chē)的軸重為32.5～35.7 t；巴西重載列車(chē)的軸重大部分在32.5 t 以上，并計(jì)劃提高到37.5 t。中國(guó)已開(kāi)展了大軸重重載鐵路的相關(guān)研究，成功建成國(guó)內(nèi)第1 條30 t 軸重重載鐵路——瓦日鐵路，但尚無(wú)成熟的40 t軸重重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。為了滿(mǎn)足我國(guó)重載鐵路“走出去”的需求，推進(jìn)重載鐵路技術(shù)國(guó)際化，有必要開(kāi)展40 t 軸重重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，提出適用于40 t 軸重重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)［3］。

軌枕是有砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，一方面?zhèn)鬟f列車(chē)荷載，另一方面保持軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)［4］。軌枕通常按原材料類(lèi)型分為木枕、混凝土枕、鋼枕和復(fù)合材料軌枕［5］，其中，混凝土軌枕強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，保持軌道幾何能力強(qiáng)，是重載鐵路主要采用的軌枕類(lèi)型［6］。我國(guó)25 t軸重重載鐵路主要采用Ⅲa型軌枕，30 t軸重重載鐵路（如瓦日鐵路和蒙華鐵路）采用Ⅳa 型軌枕，但對(duì)于40 t軸重重載鐵路混凝土軌枕目前仍缺乏相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。本文基于對(duì)國(guó)內(nèi)外混凝土軌枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，開(kāi)展了40 t軸重重載軌枕的設(shè)計(jì)研究，并完成了室內(nèi)試驗(yàn)研究，為更大軸重重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 國(guó)內(nèi)外混凝土軌枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

世界主要的國(guó)家和地區(qū)均制定了相應(yīng)的混凝土軌枕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。北美地區(qū)采用北美鐵路工程和維修協(xié)會(huì)（AREMA）編寫(xiě)的《AREMA 鐵路工程手冊(cè) 第4 部分：混凝土軌枕》［7］；歐洲地區(qū)采用EN 13230《鐵路應(yīng)用軌道混凝土軌枕和岔枕》標(biāo)準(zhǔn)［8］；澳大利亞采用AS 1085.14《軌道結(jié)構(gòu)材料第14 部分：預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕》標(biāo)準(zhǔn)［9-10］。中國(guó)也已經(jīng)發(fā)布了多項(xiàng)混凝土軌枕的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括TB/T 2190－2013《混凝土枕》（適用于普速鐵路）、TB/T 3300－2013《高速鐵路有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕》等［10-11］。本文進(jìn)行歐洲、北美及中國(guó)混凝土軌枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)定的研究，對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外混凝土軌枕設(shè)計(jì)方法之間的差異，并開(kāi)展40 t 軸重重載軌枕的研究和設(shè)計(jì)工作。

1.1 枕上動(dòng)壓力計(jì)算方法

列車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，軌枕承受鋼軌傳遞下來(lái)的荷載，荷載的大小不僅與列車(chē)軸重、運(yùn)行速度、車(chē)輛狀態(tài)等外部因素有關(guān)，同時(shí)也與軌道幾何、道床狀態(tài)、軌道部件配置等線(xiàn)路因素有關(guān)［12］。軌枕承受的列車(chē)荷載是動(dòng)態(tài)荷載，但在軌枕設(shè)計(jì)過(guò)程中通常將該動(dòng)態(tài)荷載按準(zhǔn)靜態(tài)荷載考慮，通過(guò)一定的附加系數(shù)來(lái)計(jì)算其導(dǎo)致的軌枕彎矩值，這就是設(shè)計(jì)所用到的枕上動(dòng)壓力。

基于不同國(guó)家或地區(qū)混凝土軌枕設(shè)計(jì)中所采用標(biāo)準(zhǔn)的分析，可總結(jié)出不同國(guó)家或地區(qū)枕上動(dòng)壓力的計(jì)算方法，見(jiàn)表1。

輪重分配系數(shù)γ與鋼軌類(lèi)型、軌枕間距、軌道模量等因素有關(guān)，表1中γ的數(shù)值是各國(guó)家或地區(qū)針對(duì)常用軌道配置的推薦取值。

1.2 軌枕荷載彎矩計(jì)算方法

軌枕荷載彎矩計(jì)算公式一般是基于彈性地基梁理論來(lái)確立，但由于實(shí)際軌枕承受的荷載彎矩值受到軌枕底部道床支承狀態(tài)以及線(xiàn)路實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的影響，不同國(guó)家或地區(qū)在具體荷載彎矩的計(jì)算公式中存在區(qū)別。通過(guò)對(duì)比不同國(guó)家或地區(qū)軌枕的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出混凝土軌枕荷載彎矩的計(jì)算方法，見(jiàn)表2［4］。表中數(shù)據(jù)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軌距、軌枕長(zhǎng)度2.6 m、60 kg/m鋼軌等常規(guī)配置考慮的。

表1 不同國(guó)家或地區(qū)枕上動(dòng)壓力的計(jì)算方法

表2 不同國(guó)家或地區(qū)軌枕荷載彎矩的計(jì)算方法

2 40t軸重重載鐵路軌枕荷載彎矩計(jì)算

上文基于不同國(guó)家或地區(qū)軌枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)枕上動(dòng)壓力、荷載彎矩計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比，以下將基于擬定的40 t 軸重重載鐵路典型工況（表3），開(kāi)展軌枕荷載彎矩的計(jì)算。

表3 擬定的40 t軸重重載鐵路典型工況

基于上述運(yùn)營(yíng)條件及軌道結(jié)構(gòu)基本配置情況，得到不同國(guó)家或地區(qū)軌枕荷載彎矩計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出：①由于國(guó)內(nèi)外軌枕荷載彎矩的計(jì)算方法不同，導(dǎo)致軌枕不同截面位置荷載彎矩的計(jì)算結(jié)果存在差異。對(duì)于40 t 軸重重載鐵路典型工況，北美地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的軌下截面正彎矩顯著高于歐洲和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果；②造成這種計(jì)算結(jié)果差異的原因除了荷載彎矩的計(jì)算方法有區(qū)別以外，還由于動(dòng)載系數(shù)的取值差異較大。北美地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)中軌枕的動(dòng)載系數(shù)均按照3.0 考慮；中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中軌枕動(dòng)載系數(shù)按普速、高速和重載鐵路3 種不同運(yùn)營(yíng)條件進(jìn)行了區(qū)分；而歐洲標(biāo)準(zhǔn)中軌枕動(dòng)載系數(shù)的取值則綜合考慮了列車(chē)速度、支承條件等多個(gè)因素。

另外，軌枕的設(shè)計(jì)過(guò)程不僅與荷載彎矩有關(guān)，還與軌枕材料的強(qiáng)度取值方法、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、軌枕產(chǎn)品的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)。例如，中國(guó)混凝土軌枕設(shè)計(jì)過(guò)程中混凝土強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值而非標(biāo)準(zhǔn)值，軌枕的檢驗(yàn)荷載值是基于軌枕設(shè)計(jì)承載能力來(lái)確定的；而歐洲和北美混凝土軌枕設(shè)計(jì)過(guò)程中混凝土強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，軌枕的檢驗(yàn)荷載是直接基于荷載彎矩計(jì)算值來(lái)確定的，因此各國(guó)的軌枕設(shè)計(jì)理念具有一定的差異。

以下將根據(jù)中國(guó)的軌枕設(shè)計(jì)方法來(lái)提出40 t軸重重載鐵路混凝土軌枕的設(shè)計(jì)方案，然后采用國(guó)外軌枕的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 40 t軸重重載鐵路軌枕荷載彎矩計(jì)算結(jié)果

3 40t軸重重載鐵路軌枕設(shè)計(jì)方案

軌枕所用混凝土的28 d 強(qiáng)度等級(jí)為C60，預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉極限強(qiáng)度σb為1 570 N/mm2，預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpy為1 070 N/mm2，預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpy′為400 N/mm2，鋼絲松馳率為Ⅱ級(jí)松馳。設(shè)計(jì)軌枕的關(guān)鍵截面尺寸及配筋方案與Ⅲa 型軌枕（適用于25 t 軸重）和Ⅳa 型軌枕（適用于30 t 軸重）的對(duì)比見(jiàn)表4［4］。其余設(shè)計(jì)參數(shù)如混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值以及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、混凝土48 h 強(qiáng)度等級(jí)、混凝土抗拉標(biāo)準(zhǔn)值以及抗拉標(biāo)準(zhǔn)值、受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)等均按中國(guó)軌枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取值。另外，在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)溫差、墩頭內(nèi)縮、鋼絲松馳等因素對(duì)鋼絲預(yù)應(yīng)力損失的影響。設(shè)計(jì)完成軌枕的外形尺寸及配筋如圖2所示。

40 t 軸重重載軌枕采用的混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋等原材料與既有的Ⅲa型、Ⅳa型軌枕相同。根據(jù)軌枕外形尺寸及配筋方案，計(jì)算出40 t 軸重重載軌枕軌下截面正彎矩和枕中截面負(fù)彎矩承載能力分別為35.6，22.3 kN·m。通過(guò)與Ⅲa 型、Ⅳa 型軌枕的對(duì)比可以看出，40 t 軸重重載軌枕在質(zhì)量提高相對(duì)較小的情況下即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載要求。

表4 軌枕的關(guān)鍵截面尺寸及配筋方案對(duì)比

圖2 40 t軸重重載鐵路軌枕設(shè)計(jì)方案示意（單位：mm）

4 40t軸重重載鐵路軌枕室內(nèi)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步考察設(shè)計(jì)的40 t 軸重重載軌枕的性能，以下基于AREMA 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試制的軌枕開(kāi)展承載強(qiáng)度試驗(yàn)。選擇AREMA 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，一方面是由于該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢驗(yàn)值與現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)條件直接相關(guān)，另一方面是由于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)荷載值高于歐洲同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)條件更為嚴(yán)苛。

采用文獻(xiàn)［4］詳細(xì)介紹的AREMA 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，并結(jié)合上節(jié)計(jì)算得到的荷載彎矩值，本次設(shè)計(jì)的40 t 軸重重載軌枕按AREMA 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定得出的荷載檢驗(yàn)值見(jiàn)表5。室內(nèi)試驗(yàn)情況見(jiàn)圖3。

表5 40 t軸重重載軌枕按AREMA標(biāo)準(zhǔn)得到的荷載檢驗(yàn)值kN

圖3 40 t軸重重載軌枕室內(nèi)試驗(yàn)情況

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：新研發(fā)的40 t 軸重重載軌枕的軌下截面及枕中截面的正、負(fù)彎矩靜載試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足AREMA 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，軌下截面正彎矩疲勞試驗(yàn)結(jié)果也滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有較大安全余量。另外，按照AREMA 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定還開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力鋼絲黏結(jié)力發(fā)展及軌枕承軌面磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)論

1）由于國(guó)內(nèi)外混凝土軌枕動(dòng)載系數(shù)取值方法及荷載彎矩的計(jì)算方法不同，導(dǎo)致軌枕不同截面位置荷載彎矩的計(jì)算結(jié)果存在差異。對(duì)于40 t軸重重載鐵路典型工況，北美地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的軌下截面正彎矩顯著高于歐洲和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。按中國(guó)混凝土軌枕的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，40 t 軸重重載軌枕的荷載彎矩為：軌下截面正彎矩30.3 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩21.8 kN·m。

2）軌枕的設(shè)計(jì)過(guò)程不僅與荷載彎矩有關(guān)，還與軌枕材料的強(qiáng)度取值方法、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、軌枕產(chǎn)品的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)。按照中國(guó)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)完成的40 t軸重重載軌枕軌下截面正彎矩和枕中截面負(fù)彎矩承載能力分別為35.6，22.3 kN·m，通過(guò)與Ⅲa型、Ⅳa型軌枕的對(duì)比可以看出，40 t軸重重載軌枕在質(zhì)量提高相對(duì)較小的情況下，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載要求。

3）新研發(fā)的40 t軸重重載軌枕的軌下截面及枕中截面的正、負(fù)彎矩靜載試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足AREMA 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，軌下截面正彎矩疲勞試驗(yàn)結(jié)果也滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有較大安全余量。另外，按照AREMA標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定還開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力鋼絲黏結(jié)力發(fā)展及軌枕承軌面磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

本文通過(guò)總結(jié)梳理，詳細(xì)對(duì)比分析了歐洲、北美地區(qū)與中國(guó)混凝土軌枕荷載彎矩計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的異同，并結(jié)合40 t 軸重重載鐵路的運(yùn)營(yíng)條件，完成了40 t 軸重重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的設(shè)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，為更大軸重軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用提供了技術(shù)儲(chǔ)備。