尤瑞林, 范 佳, 譚振宇, 陳 揚

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081；2.河北首科鐵路器材有限公司，河北 邢臺 054200)

1 概述

相對于其他交通系統(tǒng)，鐵路具有方便快捷、綠色節(jié)能、運輸能力大等優(yōu)點，目前逐漸成為貨物運輸和旅客出行的優(yōu)先選擇。軌道結(jié)構(gòu)是鐵路系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)，是鐵路運營安全可靠、舒適高效的重要保證。軌道結(jié)構(gòu)可分為有砟軌道和無砟軌道2種類型，前者主要用于高速鐵路和其他類型鐵路的特殊區(qū)段(如長大隧道內(nèi))[1-2]，從運營里程來看，有砟軌道仍然是鐵路線路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式。有砟軌道結(jié)構(gòu)中包括鋼軌、扣件、軌枕以及有砟道床[3]。

軌枕是軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，主要功能包括兩部分，一是承受著來自鋼軌的各向荷載，并將荷載向下部道床傳遞；二是有效保持線路的軌距、軌向等幾何形位。軌枕按其材質(zhì)分為木枕、 混凝土枕、 鋼枕和復合材料軌枕等[4]，其中預應力鋼筋混凝土軌枕是目前用量最大的一種軌枕類型[5]。

結(jié)合我國的具體運營情況，前期相關(guān)研究工作者針對預應力混凝土軌枕的設計方法、試驗標準、生產(chǎn)制造技術(shù)等開展了相關(guān)分析工作[2, 3, 5, 6]，同時也對軌枕的振動特性進行了計算分析[7-8]。國內(nèi)外既有研究成果表明，作為預應力鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土軌枕的承載強度和變形特征會受到收縮徐變效應的影響[9-10]。結(jié)合歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中對收縮徐變效應長期效應的規(guī)定[11-13]，介紹了收縮徐變效應的理論計算方法，并以我國常見的預應力混凝土軌枕類型為例，開展了理論計算和長期跟蹤測試，研究分析了收縮徐變效應對預應力混凝土軌枕關(guān)鍵尺寸影響。結(jié)合研究得出的結(jié)論，對預應力混凝土軌枕的設計、生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗工作提出了有益的建議，可為我國鐵路軌枕技術(shù)的發(fā)展提供參考。

2 理論計算方法

2.1 收縮效應計算方法

混凝土在硬化過程中要發(fā)生體積變化，最大的變化是當混凝土在大氣中或濕度較低的介質(zhì)中硬化時產(chǎn)生的體積減小，這種變形稱為混凝土收縮。一般認為，混凝土的收縮包括自生收縮、干燥收縮。

2.1.1 干燥收縮

歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范考慮混凝土齡期、混凝土強度等級、水泥類型、環(huán)境相對濕度、外部約束條件等因素，通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，給出了以下干燥收縮和自生收縮的計算公式[14]。

在特定齡期t時，混凝土由干燥收縮產(chǎn)生的應變

εcd(t)=βds(t,ts)·kh·εcd,0

(1)

式中,εcd,0為名義無約束干燥收縮值。用于計算收縮時間隨時間變化速率的系數(shù)

(2)

式中,ts為混凝土養(yǎng)護的時間；h0為名義構(gòu)件尺寸。

2.1.2 自生收縮

在特定齡期t時，混凝土由自生收縮產(chǎn)生的應變

εca(t)=βas(t)·εca(∞)

(3)

(4)

εca(∞)=2.5(fck-10)×10-6

(5)

式中,fck為混凝土28 d圓柱體抗壓強度。

2.2 徐變效應計算方法

混凝土結(jié)構(gòu)或者材料在長期恒定荷載作用下，變形隨時間增長的現(xiàn)象稱為徐變?；炷恋男熳兲匦灾饕c時間參數(shù)有關(guān)，通常表現(xiàn)為前期增長較快，而后逐漸變緩，經(jīng)過2～5 a后趨于穩(wěn)定[15]。對于預應力混凝土軌枕，由于在較小的截面中施加了高預應力，因此徐變效應不可忽視。

徐變效應對預應力混凝土軌枕壓縮變形的影響

εcc(t)=φ(t,t0)εp

(6)

式中,εp為預應力導致的軌枕截面壓縮應變；φ(t,t0)為徐變系數(shù)，用于表示混凝土在計算時t的徐變影響。

歐洲規(guī)范通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，規(guī)定徐變系數(shù)

φ(t,t0)=φ0βc(t,t0)

(7)

式中,βc(t,t0)為加載后混凝土徐變隨時間變化系數(shù)

(8)

式中,βH為計算系數(shù)，對于常用預應力混凝土材料

βH=1.5[1+(0.012RH)18]h0+250α3

(9)

名義徐變系數(shù)

φ0=φRHβ(fcm)β(t0)

(10)

式中,φRH為相對濕度RH對名義徐變系數(shù)的影響系數(shù)，對于常用預應力混凝土材料

(11)

(12)

(13)

混凝土強度對名義徐變系數(shù)的影響系數(shù)

(14)

混凝土加載時刻的齡期對名義徐變系數(shù)的影響系數(shù)

(15)

式中,t0為加載時的混凝土齡期。

3 常用軌枕計算分析

保持軌道幾何的穩(wěn)定性是軌枕的重要功能之一，對于我國常用的預應力鋼筋混凝土軌枕，保持軌道幾何穩(wěn)定的關(guān)鍵尺寸為保持軌距的2個承軌槽外側(cè)底角間距。由上述理論分析可以看出，對于預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，收縮徐變效應不可避免地使2個承軌槽外側(cè)底角間距縮小。以下將以我國常用的預應力混凝土軌枕類型為例，計算分析收縮徐變效應對軌枕該關(guān)鍵尺寸的影響。

3.1 常用軌枕概況

目前，我國有砟軌道線路常用的預應力混凝土軌枕主要是新Ⅱ型和Ⅲ型2種類型，2種軌枕的外形尺寸如表1所示[16]。

表1 新Ⅱ型及Ⅲ型軌枕主要尺寸表

3.2 計算分析

根據(jù)我國預應力鋼筋混凝土軌枕的實際生產(chǎn)情況，計算時水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5級；軌枕用混凝土脫模強度為50 MPa，脫模彈性模量為3.45×104MPa，軌枕用混凝土28 d強度為62 MPa，28 d彈性模量為3.65×104MPa。根據(jù)我國鐵路軌枕的設計圖紙及其中的截面尺寸和配筋設計情況，新Ⅱ型軌枕的永存預應力為9.6 MPa，Ⅲ型軌枕的永存預應力為9.0 MPa。計算過程中，考慮養(yǎng)護時間7 h，養(yǎng)護完成至脫模時間按3 h計。軌枕的主要截面參數(shù)見3.1節(jié)，在計算過程中，考慮軌下截面和枕中截面的差異，采用分段計算收縮量后取總和的方式，對于新Ⅱ型軌枕，兩承軌槽外側(cè)底角間的軌枕分為3段，中間段長度為500 mm(尺寸為中間截面尺寸)，兩側(cè)2段相同長度都為569 mm(尺寸按等效截面尺寸計)；對于Ⅲ型軌枕，兩承軌槽外側(cè)底角間的軌枕也分為3段，中間段長度為400 mm(尺寸為中間截面尺寸)，兩側(cè)2段相同長度都為709 mm(尺寸按等效截面尺寸計)。

以環(huán)境的相對濕度為75%，計算不同時間點新Ⅱ型和Ⅲ型軌枕兩承軌槽外側(cè)底角間距變形量隨時間的變化趨勢，如圖1和圖2所示。

圖1 收縮徐變對新Ⅱ型軌枕尺寸影響

圖2 收縮徐變對Ⅲ型軌枕尺寸影響

由圖1、圖2的計算結(jié)果可以看出：

(1)收縮和徐變效應2種因素對軌枕尺寸的影響在軌枕生產(chǎn)完成后早期影響較大，隨著時間的增加，軌枕的兩承軌槽外側(cè)底角間距不斷縮小，軌枕生產(chǎn)完成后的2個月內(nèi)變形量可達到總變形量的60%以上，3 a內(nèi)變形量約達到總變形量的95%，此后逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)徐變效應和收縮效應對軌枕承軌槽外側(cè)底角間距影響的規(guī)律一致，其中徐變效應對于軌枕尺寸的影響大于收縮效應，對于我國常用的軌枕類型，徐變引起的承軌槽外側(cè)底角間距變化量約占總變化量的60%。

(3)按軌枕使用40 a考慮，新Ⅱ型軌枕的兩承軌槽外側(cè)底角間距最大縮小量值為1.55 mm，Ⅲ型軌枕兩承軌槽外側(cè)底角間距最大縮小量值為1.48 mm，Ⅲ型軌枕縮小量值小于新Ⅱ型軌枕主要是由于其截面的預壓應力相對較小、徐變效應的影響相對較弱。

圖3 環(huán)境的相對濕度對預應力混凝土的收縮徐變效應影響

環(huán)境的相對濕度對預應力混凝土的收縮徐變效應影響明顯，以下以新Ⅱ型軌枕為例，計算不同相對濕度條件下，制造完成3 a時間內(nèi)，兩承軌槽外側(cè)底角間距的變化量，取相對濕度范圍45%～95%，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3的計算結(jié)果可以看出：

(1)不同環(huán)境相對濕度條件下，預應力混凝土軌枕的尺寸變化隨時間變化的規(guī)律相同。同一預應力混凝土構(gòu)件，環(huán)境相對濕度越小，構(gòu)件的收縮量越大，對于新Ⅱ型軌枕，環(huán)境相對濕度45%時，3 a后兩承軌槽底角的間距收縮量最大值可達到1.97 mm，而環(huán)境相對濕度為95%時，3 a后兩承軌槽底角的間距收縮量最大值為0.85 mm。

(2)我國幅員遼闊，各地氣候差異較大，南方多雨濕潤，北方少雨干燥，另外，同一地區(qū)四季的環(huán)境相對濕度差異也較大，總體來看，我國環(huán)境的相對濕度范圍較寬，為40%～90%，因此在軌枕設計和產(chǎn)品模型制作過程中需要考慮收縮徐變效應的影響，尤其對于干燥地區(qū)，應預留軌枕尺寸的收縮量。

4 室內(nèi)跟蹤測試

為進一步研究分析收縮徐變效應對軌枕關(guān)鍵尺寸的影響，選擇新Ⅱ型軌枕進行尺寸變化的跟蹤觀測。

本項試驗自脫模時開始對5根軌枕進行跟蹤觀測，測試的位置為兩承軌槽外側(cè)底角的間距，測試過程中對每根軌枕做編號和測量位置標記，每次測量確保是同位置測量。

本次測試在河北某軌枕廠內(nèi)進行，測試期間環(huán)境相對濕度平均值約為70%，軌枕采用水泥28 d強度為42.5 MPa，軌枕脫模時混凝土強度為50 MPa，脫模彈性模量為3.45×104MPa；軌枕用混凝土28 d強度為62 MPa，28 d彈性模量為3.65×104MPa。軌枕的兩承軌槽外側(cè)間距標準值為1 818 mm，目前鋼模加工時該值按標準值控制。對選取的軌枕跟蹤觀測得到的兩承軌槽外側(cè)間距變化量如表2所示，對于測試結(jié)果與環(huán)境相對濕度同為70%條件下理論計算結(jié)果的對比如圖4所示。

表2 新Ⅱ型軌枕收縮徐變影響跟蹤觀測

圖4 新Ⅱ型軌枕收縮徐變效應實測結(jié)果與理論計算對比

由表2和圖4中的結(jié)果，可以看出：

(1)由于系統(tǒng)誤差和偶然誤差的影響，新Ⅱ型軌枕收縮徐變效應實測結(jié)果具有一定的離散型，但收縮徐變效應對預應力混凝土軌枕的尺寸的影響實測結(jié)果與理論計算結(jié)果變化規(guī)律基本吻合。

(2)在混凝土軌枕養(yǎng)護完成14 d之內(nèi)，實測的預應力混凝土軌枕尺寸的收縮量大于理論計算結(jié)果，此后實測收縮變化量相對小于理論計算結(jié)果，60 d后實測結(jié)果平均值(0.86 mm)與理論計算結(jié)果的數(shù)值(1.0 mm)相差不大，60 d以后，理論計算結(jié)果大于實測結(jié)果，計算結(jié)果偏于不利。

造成收縮徐變效應的實測結(jié)果與理論計算結(jié)果差異的可能原因包括：長期跟蹤測試過程中環(huán)境的相對濕度是變化的，這與理論計算中的假定取值不相符；預應力混凝土軌枕生產(chǎn)過程中，混凝土的強度和彈性模量也是隨時間變化的，這也很難通過理論計算完全如實反映；由于測試誤差的影響，實測結(jié)果本身也具有一定的離散性。

5 結(jié)論與建議

軌枕是有砟軌道線路中重要的軌道部件，其作為預應力鋼筋混凝土構(gòu)件，自身的承載強度和變形特征受到混凝土收縮徐變效應的影響。結(jié)合歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中對收縮徐變效應長期效應的規(guī)定，介紹了收縮徐變效應的理論計算方法，并以我國常見的預應力混凝土軌枕類型為例，開展了理論計算和長期跟蹤測試，研究分析了收縮徐變效應對預應力混凝土軌枕關(guān)鍵尺寸影響。理論計算結(jié)果和跟蹤測試結(jié)果綜合分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)收縮和徐變效應2種因素對軌枕尺寸的影響較大，且影響的時間主要在軌枕生產(chǎn)完成后的早期時間段。軌枕生產(chǎn)完成后的2個月內(nèi)變形量可達到總變形量的60%以上，3 a內(nèi)變形量約達到總變形量的95%，此后逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)承軌槽外側(cè)底角間距是預應力混凝土軌枕的關(guān)鍵尺寸，不僅影響線路建設過程中的扣件安裝，而且影響后期線路的養(yǎng)護維修工作。對于我國常用預應力混凝土軌枕，按使用40 a考慮，新Ⅱ型軌枕的兩承軌槽外側(cè)底角間距最大縮小量值為1.55 mm，Ⅲ型軌枕兩承軌槽外側(cè)底角間距最大縮小量值為1.48 mm。

(3)預應力混凝土構(gòu)件的收縮和徐變效應受到環(huán)境相對濕度條件的影響，環(huán)境相對濕度越小，構(gòu)件的收縮量越大，對于新Ⅱ型軌枕，環(huán)境相對濕度45%時，3 a后兩承軌槽底角的間距收縮量最大值可達到1.97 mm，而環(huán)境相對濕度為95%時，3 a后兩承軌槽底角的間距收縮量最大值為0.85 mm。

(4)室內(nèi)試驗結(jié)果表明，收縮徐變效應對預應力混凝土軌枕的尺寸的影響實測結(jié)果與理論計算結(jié)果變化規(guī)律基本吻合，混凝土軌枕生產(chǎn)完成60 d后實測結(jié)果平均值(0.86 mm)與理論計算結(jié)果的數(shù)值(1.0 mm)相差不大，60 d以后，理論計算結(jié)果大于實測結(jié)果，計算結(jié)果偏于不利。

基于上述研究分析結(jié)論，對于我國預應力混凝土軌枕技術(shù)的發(fā)展，提出以下建議：

(1)在軌枕設計和生產(chǎn)過程中，要考慮收縮及徐變效應對軌枕性能的影響，尤其對于氣候干燥地區(qū)，更需要在設計和模型制造過程中預留軌枕尺寸的變形量。

(2)在預應力混凝土軌枕標準制訂和產(chǎn)品檢驗過程中，也要考慮收縮及徐變效應對預應力混凝土軌枕尺寸的影響，過于嚴格的尺寸公差，預應力混凝土構(gòu)件是很難在全壽命中保證的。