委內(nèi)瑞拉北部鐵路Tinaco-Anaco段軌枕選型

林紅松,顏 華,潘自立

委內(nèi)瑞拉北部鐵路Tinaco-Anaco段軌枕選型

林紅松,顏 華,潘自立

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

介紹委內(nèi)瑞拉既有鐵路軌道概況,總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外主型軌枕結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,采用軌枕承載能力、軌枕所提供的道床橫向阻力2個(gè)主要指標(biāo),對(duì)比分析我國(guó)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕和業(yè)主要求采用的DIWIDAG COOPER E70軌枕。對(duì)比分析結(jié)果表明,Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于E-70型軌枕,能更好地適應(yīng)高速、客貨共線的運(yùn)營(yíng)要求。

委內(nèi)瑞拉;高速鐵路;軌枕;選型

委內(nèi)瑞拉規(guī)劃2030年建成含15條線的鐵路網(wǎng),總長(zhǎng)度為13655 km。Tinaco(迪那科)—Anaco(阿那科)鐵路是其中的北部平原鐵路的一部分。該鐵路西起COJEDES(科赫德斯)州的Tinaco(迪那科),東至ANZOATEGUI(安索阿特吉)州的Anaco(阿那科),線路全長(zhǎng)約465 km,是中國(guó)中鐵承建的工程總承包(EPC)合同工程[1-3]。設(shè)計(jì)時(shí)速客車220 km/h,貨車120 km/h,全線采用UIC60鋼軌、有砟軌道結(jié)構(gòu),一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。在軌枕選型中,通過與世界主型軌枕對(duì)比分析,闡述了我國(guó)現(xiàn)有Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕的技術(shù)優(yōu)勢(shì),并最終說服業(yè)主采用Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕。這可為今后其他海外項(xiàng)目軌枕選型提供借鑒。

1 委內(nèi)瑞拉既有鐵路軌道概況

委內(nèi)瑞拉鐵路網(wǎng)并不發(fā)達(dá),既有鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低,現(xiàn)運(yùn)營(yíng)具有客運(yùn)功能的鐵路共約70 km,主要為加拉加斯—古阿鐵路,該鐵路運(yùn)營(yíng)模式類似我國(guó)的城市軌道,設(shè)計(jì)速度為120 km/h,運(yùn)行速度為100 km/h;在其他地區(qū)(如卡貝略港、圣費(fèi)利佩、亞里塔瓜、阿卡里瓜、巴基西梅托等城市附近)還有一些幾十年前建設(shè)的鐵路。加拉加斯—古阿鐵路為無(wú)縫線路、有砟軌道結(jié)構(gòu),采用UIC60鋼軌,Nabla扣件, DIWIDAG COOPER E70軌枕,如圖1所示。

圖1 加拉加斯—古阿鐵路軌道

鑒于加拉加斯—古阿鐵路采用E-70軌枕,業(yè)主初期要求在北部鐵路Tinaco-Anaco段采用此類型軌枕。然而,技術(shù)對(duì)比分析表明我國(guó)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕具有更好的技術(shù)優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕,這也符合我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)整體輸出的總體原則。

2 軌枕結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

為了適應(yīng)鐵路承載和線路養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)要求,各國(guó)均趨于采用強(qiáng)化型的軌枕結(jié)構(gòu),包括增加預(yù)應(yīng)力配筋和軌枕截面高度以提高軌枕的承載力,增大截面尺寸和軌枕長(zhǎng)度等優(yōu)化外形的設(shè)計(jì)來提高軌道的縱、橫向穩(wěn)定性[4-9],表1為世界各國(guó)鐵路主要混凝土軌枕結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 世界各國(guó)鐵路主要混凝土軌枕結(jié)構(gòu)參數(shù)

雖然各國(guó)發(fā)展、應(yīng)用混凝土枕的條件不盡一致,高速列車的形式和性能、高速鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、軌道鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)條件各有差異,但從各國(guó)鐵路高速化的過程中混凝土枕的發(fā)展和使用情況分析,仍具有以下共同點(diǎn)。

(1)混凝土枕的形式,除法國(guó)等個(gè)別國(guó)家發(fā)展非預(yù)應(yīng)力雙塊式軌枕外,大多數(shù)國(guó)家均發(fā)展預(yù)應(yīng)力整體式軌枕。

(2)加大混凝土枕的長(zhǎng)度和斷面尺寸是高速鐵路發(fā)展的必然趨勢(shì)。加大軌枕尺寸和質(zhì)量,以提高線路的縱橫向阻力和穩(wěn)定性,適當(dāng)減少軌枕配置密度以提高鋪設(shè)進(jìn)度和方便道床維修。

(3)各國(guó)均發(fā)展了不同類型的軌枕,各類型軌枕的幾何、結(jié)構(gòu)參數(shù)不盡相同,以與不同級(jí)別的線路合理匹配。

3 軌枕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

在高速鐵路運(yùn)營(yíng)中,軌道結(jié)構(gòu)各部件必須滿足列車重復(fù)作用的承載要求。此外,由于軌道的穩(wěn)定性與運(yùn)行的安全、平順和舒適性以及少維修的經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān),確保運(yùn)行安全和保持軌道穩(wěn)定的道床阻力指標(biāo)往往具有重要的意義。因此對(duì)不同軌枕進(jìn)行量化對(duì)比時(shí),采用軌枕承載能力、軌枕所提供的道床橫向阻力兩個(gè)指標(biāo)。

3.1 軌枕承載能力

軌枕為預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件,以正截面受拉區(qū)邊緣混凝土應(yīng)力達(dá)到0.7ft計(jì)算確定其設(shè)計(jì)承載力。軌枕截面設(shè)計(jì)承載能力為

式中 Mf——軌枕設(shè)計(jì)承載能力;

ft——軌枕混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

σpc——截面受拉區(qū)邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力;

yx——換算截面形心至截面下邊緣的距離;

I0——截面對(duì)換算截面形心的慣性矩;

W0——換算截面抗彎模量。

3.2 道床橫向阻力

混凝土軌枕軌道的道床橫向阻力與軌枕的質(zhì)量、軌枕與道床的摩擦力、軌枕的支承表面積,以及道床的質(zhì)量、密實(shí)度等有關(guān)。目前,對(duì)各類軌枕軌道橫向阻力的評(píng)估大多都是采用實(shí)測(cè)線路上單枕的道床橫向阻力值并通過統(tǒng)計(jì)回歸分析求得。日本專家佐藤吉彥等根據(jù)實(shí)驗(yàn)軌道上對(duì)不同類型軌枕的道床橫向阻力試驗(yàn)結(jié)果,分析了軌枕外形各個(gè)側(cè)面所分擔(dān)的道床橫向阻力的相互關(guān)系,提出了道床橫向阻力的計(jì)算公式[9]

式中 F——一根軌枕的道床橫向阻力;

W——軌枕及以上軌道部件的質(zhì)量;

Ge——軌枕端部面積對(duì)上緣的靜面矩; Gs——軌枕側(cè)面積對(duì)上緣的靜面矩;

γ——道砟的體積密度;

a,b,c——系數(shù),混凝土枕情況下a=0.75、b=29、c=1.8。

上式表明,一根軌枕的道床橫向阻力由3部分組成:軌枕底面與道床的摩擦力;軌枕端部的道床阻力;軌枕側(cè)面的道床阻力。據(jù)此,可根據(jù)軌枕的外形尺寸計(jì)算分析軌道不同類型軌道的道床橫向阻力。

4 Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕與E70軌枕對(duì)比分析

Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕與E70軌枕的幾何尺寸、配筋等對(duì)比見表1。軸重250 kN時(shí)的設(shè)計(jì)彎矩、軌枕設(shè)計(jì)承載能力、道床橫向阻力對(duì)比見表2,其中設(shè)計(jì)彎矩計(jì)算方法見文獻(xiàn)[10]。

表2 Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕與E70軌枕性能對(duì)比

由表1和表2可以看出如下幾點(diǎn)。

(1)軌枕長(zhǎng)度不同,Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕的設(shè)計(jì)彎矩大于E-70軌枕。由于E-70軌枕的截面高度和配筋均低于Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕,因此Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕的設(shè)計(jì)承載能力遠(yuǎn)大于E-70型軌枕。用單根軌枕的承載能力與該段鐵路設(shè)計(jì)彎矩做比較,則E-70型軌枕的軌下截面和枕中截面的安全系數(shù)分別為1.03和1.11,而Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕的軌下截面和枕中截面的安全系數(shù)分別為1.16和1.35。

(2)E70型軌枕長(zhǎng)度較Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕小10 cm,軌枕寬度和高度均較Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕小,質(zhì)量較Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕輕35 kg。幾何尺寸的減小,使E-70型軌枕的單枕道床橫向阻力較Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕降低22%。以單枕道床橫向阻力與設(shè)計(jì)規(guī)定值(10 kN/枕)的比值表征軌枕橫向阻力的安全性,則E-70型軌枕和Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕的安全系數(shù)分別為1.08和1.32。

(3)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕枕底面積較E-70型軌枕大近1 000 cm2,從軌道運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)維修來看,軌枕的底面積增加,同一枕上壓力作用下的道床應(yīng)力減小,有利于減少道砟粉化,減少軌道的維修工作量,降低運(yùn)營(yíng)成本,同時(shí)也滿足高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間短的要求。

總的來看,Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于E-70型軌枕,能更好地適應(yīng)高速、客貨共線的運(yùn)營(yíng)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為了改善軌道結(jié)構(gòu)受力,提高軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及減少養(yǎng)護(hù)維修工作量,加大混凝土枕長(zhǎng)度和斷面尺寸是高速鐵路有砟軌道軌枕發(fā)展的共同趨勢(shì)。對(duì)比分析軌枕承載能力、提供的道床橫向阻力表明,Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕較E-70型軌枕具有明顯優(yōu)勢(shì)。

Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕作為成熟產(chǎn)品,在中國(guó)已經(jīng)經(jīng)歷了規(guī)范化、大批量的生產(chǎn),生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、質(zhì)量管理統(tǒng)一,經(jīng)過了近20年客貨共線運(yùn)營(yíng)條件的考驗(yàn),并已成功運(yùn)用于250 km/h的新建和提速鐵路上,積累了豐富的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。從我國(guó)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)整體輸出的原則出發(fā),建議在海外項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用我國(guó)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕。

[1] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.委內(nèi)瑞拉北部平原鐵路TINACO-ANACO段EPC項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)資料匯編[R].成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,2012.

[2] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.委內(nèi)瑞拉北部鐵路用軌枕、扣件等軌道部件研制[R].成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,2012.

[3] 陳永,劉厚強(qiáng).中國(guó)與委內(nèi)瑞拉鐵路路基設(shè)計(jì)比較分析[J].高速鐵路技術(shù),2011(5):40-43.

[4] 盧祖文.我國(guó)鐵路混凝土軌枕的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中國(guó)鐵路, 2006(6):8-11.

[5] 楊寶峰,于春華.鐵路軌枕現(xiàn)狀及發(fā)展[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007 (2):36-40.

[6] 盧祖文.預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)的幾點(diǎn)建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),1998(10):1-4.

[7] 朱瑞.高速鐵路軌枕及其生產(chǎn)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2001(8): 5-7.

[8] 汪加蔚.我國(guó)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].混凝土與水泥制品,1997(5):23-27.

[9] 盧祖文.客運(yùn)專線鐵路軌道[M].北京:中國(guó)鐵路出版社,2005.

[10]李成輝.軌道[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

Sleeper Type Selection of Tinaco-Anaco Section onVenezuela's North Railway

LIN Hong-song,YAN Hua,PAN Zi-li
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

General situation of existing Venezuela railway tracks was introduced.Structural parameters and development trends of themain types of sleepers athome and abroad were summarized and analyzed. On the basis above,taking sleeperbearing capacity(SBC)and lateralballast resistance(LBR)provided by sleeper as the evaluating indexes,the difference between China's Sleeper Type III and Sleeper Type DIWIDAG COOPER E70 required by the owner were compared.Comparison results show that every index of Sleeper Type IIIwith shoulder was superior to that of E70,so Sleeper Type IIIwith shoulder could better adapt to the operation requirements of high-speed,mixed passenger and freight railway.

Venezuela;high-speed railway;sleeper;type selection

U213.3+4

A

1004- 2954(2013)07- 0048- 02

2013- 01- 30;

2013- 02- 21

林紅松(1982—),男,高級(jí)工程師,2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)道路與鐵道工程專業(yè),工學(xué)博士,E-mail:hongsonglin@163.com。