李啟航

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

0 引言

雙塊式無砟軌道是國(guó)內(nèi)外高速鐵路應(yīng)用最廣泛的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一，其專利技術(shù)為國(guó)外公司所有。為研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型雙塊式軌枕，我國(guó)研究、開發(fā)了采用多根鋼管混凝土構(gòu)件連接兩端的混凝土軌枕塊，形成了一種新型的雙塊式軌枕[1]。

針對(duì)混凝土軌枕的研究，吳軍對(duì)雙塊式軌枕的吊裝堆放過程進(jìn)行了受力分析[2]。張岷檢算、分析、論證了新型連塊式軌枕的承載、抗變形能力[3]。林紅松等人對(duì)重載鐵路混凝土軌枕開展了承載能力及試驗(yàn)研究[4]。

鋼管混凝土（CFT）軌枕作為一種新型混凝土軌枕結(jié)構(gòu)，既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，又包含了鋼管混凝土連接構(gòu)件[5]。針對(duì)混凝土軌枕的研究，包括理論計(jì)算分析、承載能力和疲勞試驗(yàn)。針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究包括抗彎性能、壓彎性能、彎扭復(fù)合性能等：抗彎性能是確保軌枕生產(chǎn)、吊裝、施工過程中抵抗變形的關(guān)鍵指標(biāo)。為清晰、明確地掌握鋼管混凝土軌枕的力學(xué)性能，本文針對(duì)鋼管混凝土軌枕開展抗彎性能力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并與使用廣泛的SK-2 型雙塊式軌枕進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)方案

1.1 軌枕方案

無論是采用桁架鋼筋連接的SK-2 型雙塊式軌枕，還是CFT 軌枕，均要求其具有較高的抗彎剛度。為了與原有的SK-2 型雙塊式軌枕進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，驗(yàn)證采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了由2根和3 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕方案，如圖1、圖2 所示。

將采用2 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕分為方案A、B（見圖1）。方案A 采用2 根外徑42mm、壁厚3mm、長(zhǎng)度2000mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。方案B 采用2 根外徑33mm、壁厚3mm、長(zhǎng)度2000mm的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，鋼管材質(zhì)、鋼管內(nèi)灌注的材料以及軌枕的其他設(shè)計(jì)均相同。

圖1 A、B 組設(shè)計(jì)方案

將采用3 根鋼管混凝土構(gòu)件連接的CFT 軌枕分為方案C、D（見圖2）。方案C 采用3 根外徑42mm、壁厚3mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕，底部2 根鋼管混凝土構(gòu)件長(zhǎng)度為2000mm，頂部長(zhǎng)度為1100mm。方案D 采用底部2 根鋼管混凝土構(gòu)件外徑為33mm、長(zhǎng)度為2000mm，頂部采用1 根外徑42mm、長(zhǎng)度1100mm、壁厚均為3mm 的鋼管混凝土構(gòu)件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，頂部鋼管與下方2 根鋼管之間的高度均為90mm，鋼管材質(zhì)、鋼管內(nèi)灌注材料以及軌枕其他尺寸設(shè)計(jì)均相同。

圖2 C、D 組設(shè)計(jì)方案

1.2 試驗(yàn)步驟

抗彎試驗(yàn)采用軌枕專用試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)平臺(tái)通過支承兩端軌枕塊底部，在軌枕中部施加垂向荷載，可同時(shí)測(cè)量、記錄荷載大小和軌枕彎曲變形的大小。抗彎試驗(yàn)過程如下：

測(cè)量并標(biāo)記軌枕中點(diǎn)，作為垂向彎曲荷載施加點(diǎn)，測(cè)量并標(biāo)記兩個(gè)混凝土軌枕塊中心線，作為支承點(diǎn)；

將軌枕架設(shè)在抗彎試驗(yàn)平臺(tái)上，垂向加載頭調(diào)整至與軌枕中點(diǎn)接觸，將下部2 個(gè)支承點(diǎn)調(diào)整至軌枕塊中心線正下方，形成3 點(diǎn)支承抗彎試驗(yàn)。

啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在軌枕中點(diǎn)施加集中荷載，加載速率為2mm/min，記錄加載過程中軌枕中部的撓度和集中荷載的大小，并觀察軌枕塊的開裂情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CFT 軌枕抗彎性能

方案A 的CFT 軌枕抗彎性能試驗(yàn)，其典型曲線如圖3 所示。可見，當(dāng)荷載較小時(shí)，軌枕中點(diǎn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的撓曲位移隨荷載增加而增大，當(dāng)荷載小于14.0KN 時(shí)，荷載與位移之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，并呈直線上升趨勢(shì)，表明此時(shí)鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于14.0kN 時(shí)，曲線上升會(huì)變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過17.0kN 時(shí)，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢(shì)。

圖3 方案A CFT 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線

方案B 的CFT 軌枕抗彎性能試驗(yàn)，其典型曲線如圖4 所示。當(dāng)荷載小于5.0kN 時(shí)，荷載與位移之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，表明此時(shí)鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于5.0kN 時(shí)，曲線上升會(huì)變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過6.0kN 時(shí)，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢(shì)。

圖4 方案B CFT 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線

方案C 的CFT 軌枕抗彎性能試驗(yàn)，其典型曲線如圖5 所示。當(dāng)荷載小于21.0kN 時(shí)，荷載與位移之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，表明此時(shí)鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于21.0kN 時(shí)，曲線上升會(huì)變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過25.0kN 時(shí)，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢(shì)。

圖5 方案C CFT 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線

方案D 的CFT 軌枕抗彎性能試驗(yàn)，其典型曲線如圖6 所示。當(dāng)荷載小于16.0kN 時(shí)，荷載與位移之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，表明此時(shí)鋼管混凝土構(gòu)件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于16.0kN 時(shí)，曲線上升會(huì)變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)荷載超過20.0kN 時(shí)，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢(shì)。

圖6 方案D CFT 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線

2.2 SK-2 軌枕抗彎性能

SK-2 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線如圖7 所示?？梢?，當(dāng)荷載較小時(shí)，軌枕中間位置桁架鋼筋的撓曲位移隨荷載增加而增大，當(dāng)荷載低于15.0kN 時(shí)，荷載與位移之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，呈直線上升趨勢(shì)，表明此時(shí)鋼筋桁架處于彈性變形階段；當(dāng)荷載大于15.0kN 時(shí)，曲線上升會(huì)變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時(shí)桁架鋼筋出現(xiàn)塑性變形；當(dāng)荷載超過19.0kN 時(shí)，隨著撓曲變形的增加，荷載逐漸降低。

圖7 SK-2 軌枕抗彎試驗(yàn)曲線

2.3 軌枕抗彎性能對(duì)比分析

CFT 軌枕及SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能試驗(yàn)，以彈性階段終點(diǎn)作為軌枕抗彎性能所承受的最大荷載。方案A 軌枕承受最大荷載為14.0kN，方案B 軌枕承受最大荷載為5.0kN，方案C 軌枕承受最大荷載為21.0kN，方案D 軌枕承受最大荷載為16.0kN，SK-2軌枕所能承受的最大荷載為15.0kN。

方案A、D 與SK-2 型軌枕抗彎性能基本相當(dāng)，方案B 弱于SK-2 型軌枕，方案C 的抗彎性能大于SK-2型軌枕。鋼材用量方面，方案A 為11.5kg、方案B 為8.9kg、方案C 為14.7kg、方案D 為12.1kg、SK-2 型為17.3kg。由此可見，四種方案鋼材用量均小于SK-2型軌枕。綜合考慮抗彎性能和材料用量，A 為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)鋼管混凝土軌枕、SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

其一，鋼管混凝土軌枕方案A、B、C、D 均滿足承載能力要求，采用2 根外徑42mm 的鋼管混凝土構(gòu)件的方案A，抗彎性能滿足使用要求，材料用量方面更優(yōu)，為優(yōu)選方案。

其二，鋼管混凝土軌枕抗彎性能達(dá)到軌枕所能承受的最大荷載后，可繼續(xù)保持緩慢上升，從而發(fā)揮鋼管混凝土的延性特點(diǎn)；SK-2 軌枕抗彎性能具有直線上升、上升變緩、逐漸下降三個(gè)階段，彈性變形階段抗彎性能較強(qiáng)，一旦發(fā)生塑性變形，抗彎性能會(huì)迅速下降。