【摘 要】針對某國外米軌鐵路修復(fù)項(xiàng)目18 t軸重的線路運(yùn)營條件，研發(fā)了一種新型的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。采用有限元法研究了輪重分配系數(shù)與軌枕鋪設(shè)根數(shù)的關(guān)系；基于極限狀態(tài)法檢算了軌枕彎矩，并開展了新型軌枕的廠內(nèi)試制、室內(nèi)靜載及疲勞試驗(yàn)。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明：研發(fā)的軌枕鋪設(shè)1 440根/km及以上時(shí)，均可滿足米軌鐵路18 t軸重運(yùn)營條件。新型混凝土軌枕擬用于某國外米軌鐵路修復(fù)項(xiàng)目，可為其他“一帶一路”米軌鐵路及國內(nèi)山區(qū)旅游鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】米軌鐵路； 混凝土軌枕； 18 t軸重； 輪載分配系數(shù)

【中圖分類號】U213.3+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-01-10

［課題項(xiàng)目］中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司課題（課題編號：T5Y2022-C02）

［作者簡介］徐娟娟（1981—），女，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)檐壍拦こ碳夹g(shù)。

0 引言

米軌鐵路主要分布東南亞、南美洲及非洲等40多個(gè)國家，里程近10萬km，占世界上鐵路總里程的8%［1］，中國云南省境內(nèi)有860 km的米軌鐵路［2］。在“一帶一路”倡議政策支持下，利用既有米軌鐵路開行中亞班列、進(jìn)行路港聯(lián)運(yùn)和國際貨運(yùn)的需求不斷增大［3-4］，國內(nèi)某西部山區(qū)鐵路擬采用米軌鐵路［5］。某國外米軌鐵路修復(fù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度60 km/h，車輛軸重18 t。既有軌道主要采用BS80R鋼軌（39.674 kg/m）、BS-80R鋼枕，軌道設(shè)備老舊，需對米軌鐵路軌道進(jìn)行更新。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定改造后軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為43" kg/m鋼軌、混凝土軌枕。云南米軌鐵路設(shè)計(jì)軸重為15 t，若直接采用既有云南米軌混凝土軌枕，需加密鋪設(shè)至1 760根/km及以上，經(jīng)濟(jì)性不高，安全余量不足。因此，有必要研發(fā)滿足18 t軸重線路運(yùn)營條件的米軌鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對米軌鐵路軌枕相關(guān)研究主要集中在道床橫向阻力、無縫線路、橋枕設(shè)計(jì)等方面。韋凱等［6］基于離散元法、并通過單根軌枕測試法研究了米軌鐵路混凝土枕道床道砟堆高、道床肩寬對道床橫向阻力的影響。楊?。?］進(jìn)行了坦桑尼亞米軌鐵路鋪設(shè)無縫線路適應(yīng)性研究。田春香等［8］基于極限狀態(tài)法，研究設(shè)計(jì)了米軌距橋枕。對于適應(yīng)較大軸重的米軌鐵路普通預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的研究相對較少。

本文研究設(shè)計(jì)了一種適用于18 t軸重的米軌鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，采用有限元法計(jì)算了輪重分配系數(shù)，進(jìn)行軌枕軌下截面、中間截面彎矩檢算，并通過廠內(nèi)軌枕試制、室內(nèi)靜載和疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 米軌鐵路新型軌枕結(jié)構(gòu)方案

研發(fā)的米軌鐵路新型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕（圖1）采用C60混凝土，適用于年通過總質(zhì)量8 Mt及以下、列車設(shè)計(jì)最高速度不大于80 km/h、軸重18 t及以下米軌線路。配套采用43 kg/m鋼軌，彈條扣件，應(yīng)用于直線軌道和R≥300m的曲線軌道。該軌枕主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算

2.1 輪重分配系數(shù)

輪重分配系數(shù)與鋼軌類型、軌枕間距及鋼軌支承剛度等參數(shù)有關(guān)［9］。一般靠近輪載位置的軌枕受力較大，輪載影響范圍為9根軌枕左右［10］。因設(shè)計(jì)規(guī)范中無43 kg/m鋼軌對應(yīng)的輪重分配系數(shù)，本文建立了有限元模型，以歐拉梁模擬鋼軌，以兩層彈簧分別模擬扣件剛度、道床剛度，將車輪作用于鋼軌上的荷載經(jīng)鋼軌傳遞分配到附近約5根軌枕上，進(jìn)行輪重分配系數(shù)的求解。輪重分配系數(shù)有限元計(jì)算模型見圖2。

選取60 kg/m、75 kg/m鋼軌，按表2的軌道參數(shù)計(jì)算，并將模型計(jì)算值與規(guī)范值［10］進(jìn)行比較，對計(jì)算模型進(jìn)行校核，模型計(jì)算值與規(guī)范值對比如圖3所示。經(jīng)比較，模型計(jì)算值與規(guī)范值相差在3%以內(nèi)，模型計(jì)算結(jié)果可信。

本項(xiàng)目采用43 kg/m鋼軌，90 kN輪重，鋼軌支承剛度取700 kN/cm，將表2中的鋼軌彈性模量及43 kg/m鋼軌截面慣性矩?cái)?shù)值代入模型計(jì)算，求得輪重分配系數(shù)與每公里軌枕鋪設(shè)根數(shù)的關(guān)系如圖4所示?？梢?，隨著軌枕每公里鋪設(shè)根數(shù)的減少，軌枕間距增大，輪重分配系數(shù)變大，軌枕將承受更大的荷載。

2.2 軌枕設(shè)計(jì)荷載

2.2.1 豎向荷載

按Q/CR 9130-2018《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范（極限狀態(tài)法）》［11］，豎向荷載根據(jù)式（1）計(jì)算。

Rd=γPj（1+α）（1）

式中：γ為輪重分配系數(shù)，根據(jù)計(jì)算取值；Pj為靜輪重，取90 kN；α為附加動(dòng)載系數(shù)，取1.0。

2.2.2 設(shè)計(jì)荷載彎矩

軌下截面正彎矩按式（2）進(jìn)行計(jì)算，間截面負(fù)彎矩按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

Mg=a212e-bq8Rd（2）

MZ=L-4a14Rd（3）

式中：a1為軌枕承軌槽中心至枕端距離；e為鋼軌下軌枕的支承長度；bq為軌枕壓力分布寬度；L為軌枕長度。

根據(jù)上述新型米軌軌枕尺寸參數(shù)，a1=0.459 m，e=0.95 m，bq=0.114 m，L=1.995 m。當(dāng)鋪設(shè)1 520根/km軌枕時(shí)，γ=0.553，計(jì)算所得豎向荷載Rd=99.54 kN，軌下截面正彎矩Mg=9.619 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩Mz=3.957 kN·m。

2.3 軌枕彎矩檢算

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕正常使用極限狀態(tài)按式（4）進(jìn)行檢算，疲勞極限狀態(tài)按式（5）進(jìn)行檢算［9］。

1.2M≤（σp+1.5ffk）W0（4）

M≤（σp+0.7ffk/1.2）W0（5）

式中：M為正截面設(shè)計(jì)荷載彎矩值；σp為受拉區(qū)混凝土邊緣的法向預(yù)壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；ftk為混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，C60混凝土取2.85 MPa；W0為換算截面的彎曲截面系數(shù)。

按鋪設(shè)1 440根/km、1 520根/km、1 600根/km軌枕，對軌枕進(jìn)行彎矩檢算（表3、表4）。計(jì)算結(jié)果可知：鋪設(shè)1 440根/km及以上時(shí)，均能滿足18 t軸重荷載彎矩要求。

3 軌枕室內(nèi)試驗(yàn)

在廠內(nèi)進(jìn)行了軌枕試制，試制軌枕模具及成品見圖5。

根據(jù)TB/T 187-2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》［12］，軌枕靜載試驗(yàn)在脫模后24～48 h之間完成。軌枕試件就位后均勻加載，加載速率不大于1 kN/s，加載至30%～40%的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)荷載值（軌下截面為125 kN，枕中截面為95 kN）時(shí)，對試驗(yàn)狀態(tài)、支距尺寸進(jìn)行檢查，確認(rèn)正確后繼續(xù)加載；加載至設(shè)計(jì)檢驗(yàn)荷載值，保載180 s，試驗(yàn)結(jié)果為各截面均未出現(xiàn)裂縫，靜載試驗(yàn)結(jié)果為合格。

根據(jù)TB/T 1878-2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法》［13］，軌枕疲勞試驗(yàn)在混凝土28 d齡期后進(jìn)行；循環(huán)加載200萬次后，各截面均未出現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)論

研發(fā)了一種可用于米軌鐵路的新型的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，進(jìn)行了輪重分配系數(shù)計(jì)算分析，并采用輪重分配系數(shù)計(jì)算值對軌枕進(jìn)行了荷載彎矩檢算，并通過廠內(nèi)試制、室內(nèi)靜載及疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論：

（1）新型軌枕鋪設(shè)1 440根/km及以上時(shí)，檢算軌下截面正彎矩和中間截面負(fù)彎矩均可滿足18 t軸重荷載彎矩的要求。

（2）對新型混凝土軌枕開展了廠內(nèi)試制、室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示研發(fā)的新型軌枕可滿足18 t軸重米軌鐵路運(yùn)營條件。

（3）新型混凝土軌枕擬用于某國外米軌鐵路修復(fù)項(xiàng)目，也可為其他“一帶一路”米軌鐵路及國內(nèi)山區(qū)旅游鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］ 喜來.各不相同的鐵路軌距［J］. 交通與運(yùn)輸，2010（4）：13-14.

［2］ 姚元龍.米軌預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕［J］. 鐵道建筑，1983（10）：24-26.

［3］ 張梅. “一帶一路”倡議下米軌鐵路中亞班列發(fā)展路徑探析［J］. 對外經(jīng)貿(mào)實(shí)務(wù)，2019（7）：8-11.

［4］ 孫天. 河口至老街跨國鐵路線路走向方案研究［J］. 鐵道建筑技術(shù)，2019（增1）：201-205.

［5］ 李糧余，歐靈暢，尤睿，等. 山地米軌鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2019（12）：23-28.

［6］ 韋凱，尤睿，馬宏輝，等. 米軌混凝土枕道床橫向阻力離散元數(shù)值模擬［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2020（5）：7-11.

［7］ 楊俊. 米軌鋼枕鐵路無縫線路適應(yīng)性分析［J］. 鐵道建筑技術(shù)，2020（5）：50-54.

［8］ 田春香，王平，柯文華，等. 基于極限狀態(tài)法的米軌距橋枕設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2022（4）：43-47.

［9］ 尤瑞林，范佳，劉偉斌，等. 30t軸重重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)研究［J］. 鐵道建筑，2015（1）：113-118.

［10］ 徐娟娟，劉巍. 預(yù)應(yīng)力混凝土短岔枕強(qiáng)度有限元分析［J］. 鐵道建筑，2008（7）：95-97.

［11］ 中國鐵路總公司. 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范（極限狀態(tài)法）：Q/CR 9130—2018［S］. 北京：中國鐵道出版社，2019：43.

［12］ 中華人民共和國鐵道部． 預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法：TB/T 1879—2002［S］. 北京：中國鐵道出版社，2002：1-3.

［13］ 中華人民共和國鐵道部． 預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法：TB/T 1878—2002［S］. 北京：中國鐵道出版社，2002：1-3.