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        礦用900mm軌距38kg/m鋼軌預(yù)應(yīng)力混凝土枕的設(shè)計

        2020-12-26 02:04:46宋立國
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年24期
        關(guān)鍵詞:混凝土設(shè)計

        宋立國

        (中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司,北京102400)

        1 引言

        河北省唐山市及唐山市周邊存在許多的鐵礦廠,如遷安、遷西,遵化等地區(qū),包括灤南馬城最近發(fā)現(xiàn)的一個較大規(guī)模的鐵礦廠,這些鐵礦廠多采用900mm 軌距的非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土枕,但隨著科技的進(jìn)步,采礦能力的提升,這種非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土枕已經(jīng)不能滿足承重要求,發(fā)生了大量的破壞和裂縫,增加了運營和維護(hù)成本,并且存在著嚴(yán)重的安全隱患。唐山分公司為了解決這一現(xiàn)狀,并結(jié)合自己混凝土構(gòu)件的豐富預(yù)制經(jīng)驗,設(shè)計了這種900mm 預(yù)應(yīng)力混凝土礦用軌枕,通過對混凝土枕施加預(yù)應(yīng)力,可以增強其抗壓抗折能力,從而提高混凝土軌枕的使用壽命,并且能夠減輕混凝土的質(zhì)量,方便其施工,并能滿足其各方面力學(xué)性能。

        2 結(jié)構(gòu)尺寸和計算條件

        馬蘭莊礦山鐵路使用的電力機車的運行速度為3m/s,地下礦山鐵路的彎道數(shù)量很多??紤]到與鐵路線性部分相比彎曲部分的復(fù)雜特性,該設(shè)計采用了肩枕的形式。此次設(shè)計的900mm 預(yù)應(yīng)力礦用軌枕各部尺寸如圖1 所示。軌下:高度為129.4mm,上部寬度為157.7mm,下步寬度為190mm;軌中:高度為120mm,上部寬度160mm,下部寬度190mm;承軌部位:長度為305mm,并采用1∶40 的坡度設(shè)計,預(yù)留孔上空直徑45mm,預(yù)留孔中心距軌槽板坡底腳間距為45.5mm;軌枕全長1600mm;總質(zhì)量98kg,設(shè)計軌距為900mm。采用預(yù)應(yīng)力鋼絲為4φ7mm 高強度螺旋肋鋼絲,為加強其性能,加裝7 個φ6mm 封閉式箍筋。鋼軌類型為P38 鋼軌,扣件類型為70 型彈條扣件。

        圖1 礦用預(yù)應(yīng)力混凝土枕外形尺寸(單位:mm)

        唐山分公司目前生產(chǎn)的軌枕產(chǎn)品型號為XII、IIIA、XIIIQ以及一般線路岔枕,雙塊式軌枕、和重載埋入式長針等,這些軌枕均采用流水線作業(yè)形式,混凝土強度等級為C60,生產(chǎn)效率較高,日產(chǎn)能達(dá)1 500 根,故此次設(shè)計礦用軌枕也采用C60混凝土,出池強度達(dá)到其設(shè)計強度的75%,即45MPa 時方可出池,從而進(jìn)行下一道工序,重復(fù)生產(chǎn)[1]。

        3 設(shè)計荷載的計算

        3.1 軌下承載部位的垂直壓力

        在軌道承重部分之下的垂直壓力開采領(lǐng)域中使用的電力機車的質(zhì)量為14t,礦車的滿載質(zhì)量為19.7t。計算負(fù)載在最不利的位置確定。

        軌下承載部位的垂直壓力Rd為:

        式中,γ 為輪重分配系數(shù),一般取γ≤0.5,這里取最大值0.5;α為綜合動載系數(shù),重載軌道為1.5,其他軌道為1.0,這里取1.0;P0為靜輪重即 60kN,代入數(shù)據(jù)得 Rd=60kN。

        3.2 軌枕截面的正負(fù)彎矩

        根據(jù)枕下與枕中道床支承反力圖(見圖2),計算礦枕截面的正負(fù)彎矩。

        圖2 枕下道床支承反力(單位:mm)

        3.2.1 軌下截面的正彎矩

        軌下截面道床支承反力見圖2a。

        3.2.2 枕中截面負(fù)彎矩

        軌中截面道床支承反力見圖2b。

        首先計算枕底反力 q:60kN×2=(0.625m×2)q+0.35m(0.75q),則 q=78.87kN/m。

        枕中截面負(fù)彎矩:

        另經(jīng)計算驗證,軌枕下面道床頂面受到的壓應(yīng)力為:

        式中,σ2為壓應(yīng)力;S底為底面截面積之和。

        代入數(shù)據(jù)得 σ2=0.39MPa<[σ2]=0.5MPa([σ2]為道床頂面允許壓應(yīng)力)。

        4 材料力學(xué)相關(guān)參數(shù)

        礦用預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計強度為C60,放張脫模強度45MPa;

        預(yù)應(yīng)力鋼絲采用高強螺旋肋鋼絲,直徑φ7mm;

        5 靜載抗裂彎矩計算

        在機車運行過程中,軌下直接受力,承受正彎矩,向下彎曲,而軌中截面產(chǎn)生負(fù)彎矩,向上彎曲,因此,應(yīng)對該軌枕的軌下與軌中分別進(jìn)行正負(fù)彎矩計算。

        5.1 軌下截面靜載抗裂正彎矩

        軌下截面尺寸如圖3 所示。

        經(jīng)計算,預(yù)應(yīng)力鋼筋總截面面積:Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構(gòu)件換算截面積構(gòu)件換算截面積(A0)為 23 204.6mm3,截面靜矩(S0)為1 179 617.93mm3。

        換算截面形心至截面下邊緣的距離y下=S0/A0=50.83mm。

        偏心距 e0=50.83mm-50mm=0.83mm(50mm 為型心中心)。計算得:

        慣性矩 I0=26 440 492.1mm4

        有效預(yù)應(yīng)力 σpe=(1036-100)N/mm2=936N/mm2

        Npe=936N/mm2×154mm2=144 174.8N

        截面下邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力:

        軌下截面抗裂彎矩Mcr=(σpc+1.75ftk)W0(ftk為混凝土軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值,截面受檢邊緣的彈性抵抗矩W0=5 602 284mm3)。計算得 Mcr=10.17kN·m。

        5.2 軌中截面靜載抗裂負(fù)彎矩

        軌中截面尺寸如圖4 所示。

        圖3 軌下截面(單位:mm)

        圖4 枕中截面圖(單位:mm)

        預(yù)應(yīng)力鋼筋總截面積:Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構(gòu)件換算截面積構(gòu)件換算截面積(A0)21 708mm2,截面靜矩(S0)1 019 420mm3。

        y下=S0/A0=46.96mm

        e0=46.96mm-50mm=-3.04mm

        I0=21 947 191.91mm4

        法向應(yīng)力

        5.3 檢驗荷載的確定

        根據(jù)TB/1879—2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》的規(guī)定,檢驗荷載 F 與檢驗彎矩 Mcr的關(guān)系為:F=7.273Mcr。同時根據(jù)MT/T375.3—1994《礦用菱鎂混凝土制品》考慮靜載支點間距 L軌下=280mm,L軌中=680mm,最終的靜載抗裂檢驗值確定為:F軌下=87.28kN,F(xiàn)枕中=24kN。

        疲勞試驗最大荷載值取為:Fmax=1.05F,經(jīng)計算,軌下截面疲勞試驗最大荷載為91.64kN;枕中截面疲勞試驗最大荷載25.2kN,均滿足要求[2]。

        6 破壞設(shè)計承載力計算

        根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,在滿足截面疲勞承載力設(shè)計前提下,其承載力強度安全系數(shù)都在2.0 以上,滿足使用中軌下110kN,軌中25kN。

        7 結(jié)語

        為了滿足不斷增長的采礦領(lǐng)域需求,這次設(shè)計了采礦軌道。重新設(shè)計了軌枕,并將原來的鋼筋混凝土軌枕更改為預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾點:

        1)可以大大提高軌枕的實際承載能力,使礦井的運輸效率提高50%;

        2)和之前的非預(yù)應(yīng)力混凝土礦枕相比,此次設(shè)計的礦枕截面尺寸更小,質(zhì)量更輕,方便施工,還能節(jié)約成本。

        由于對混凝土枕施加了預(yù)應(yīng)力,其各方面力學(xué)性能均高于前者,使用壽命更長,維護(hù)保養(yǎng)費用更低。

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