小半徑曲線段混凝土軌枕優(yōu)化設(shè)計研究

陳　漫，張　波，肖杰靈（.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都　6003；.廣州鐵路集團公司 衡陽工務段，湖南 衡陽　400）

小半徑曲線段混凝土軌枕優(yōu)化設(shè)計研究

陳漫1，張波2，肖杰靈1
（1.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都610031；2.廣州鐵路集團公司 衡陽工務段，湖南 衡陽421200）

針對既有普通線路小半徑曲線段混凝土枕存在的擋肩傷損嚴重、承軌槽壓潰、軌距擴大等問題展開了優(yōu)化研究。在Ⅲa型軌枕基礎(chǔ)上，重點對承軌槽尺寸進行優(yōu)化改造：加大承軌槽深度的同時改變擋肩坡度。以壓應力為評價指標，采用有限元軟件對改造后的軌枕進行承載能力檢算。結(jié)果表明：承軌槽深度由25 mm加大為40 mm、擋肩夾角由120°改為110°時，軌枕擋肩面和軌下截面所受壓應力最小，軌枕受力情況得到明顯改善。將改進后的混凝土枕在一編組站溜放線進行了試鋪，接近1年的使用情況表明該混凝土枕枕應用狀態(tài)良好。

混凝土枕；小半徑曲線；承軌槽；擋肩；軌距

1　概述

小半徑曲線段作為普通鐵路3大薄弱環(huán)節(jié)之一，受力情況比直線段復雜得多，容易發(fā)生鋼軌傷損、軌道幾何尺寸超限、聯(lián)結(jié)零件松動甚至破損等病害［1］。我國鐵路小半徑曲線段以往較多使用木枕，但木枕有諸多缺點，如質(zhì)量難以保證、腐朽失效快等，造成道釘持力不長久，軌距難以保持，給行車安全帶來隱患。另外，木枕線路軌道穩(wěn)定性差，維護成本也較高。混凝土軌枕具有強度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、道床橫向阻力大等優(yōu)點［2］。因此，人們逐漸開始采用混凝土枕代替木枕。然而，混凝土枕亦存在較多問題，如軌枕承軌槽、槽內(nèi)尼龍擋板等部件易破損。

為此，相關(guān)單位及學者對小半徑曲線段混凝土枕進行了相關(guān)研究。柳州局金城江工務段90年代在YIIF型軌枕承軌槽處錨定鋼板，加強承軌槽抗破壞能力，在瑤寨至關(guān)西間小半徑（R＜250 m）曲線上進行了試鋪，發(fā)現(xiàn)擋肩板處的尼龍擋板容易破壞［3］。2004年德陽軌枕廠在X-Ⅱ型軌枕的基礎(chǔ)上增加承軌槽的深度，增大擋肩受力面的坡度，尼龍座重新設(shè)計并加厚軌距擋板，但在使用過程中擋肩擠破、掉塊及承軌槽壓潰現(xiàn)象依然存在，而且軌距可調(diào)量小［4］；Ⅲ型軌枕與Ⅱ型軌枕相比，軌道幾何尺寸保持能力加強，道床的縱、橫向阻力提高，累積變形減緩，在小半徑曲線上得到廣泛應用。近幾年德陽軌枕廠在Ⅲb型軌枕基礎(chǔ)上加大預埋鐵座的間距，調(diào)整絕緣軌距塊尺寸來適應小半徑曲線段軌距加寬需求，發(fā)現(xiàn)改軌距作業(yè)工作量大、成本高，未推廣使用；德陽軌枕廠同時也在Ⅲa型軌枕基礎(chǔ)上加大承軌槽底腳間距至9 mm，無需改造就能滿足小半徑曲線段軌距加寬15 mm的要求。但承軌槽表面磨損的問題依然存在，尼龍座仍會產(chǎn)生外擠、上浮現(xiàn)象［5］。

綜上，混凝土軌枕勢必替代木枕為小半徑曲線服務，但針對軌枕擋肩破損、承軌槽壓潰等問題，混凝土枕設(shè)計尚需優(yōu)化。鑒于此，對Ⅲa型軌枕結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，將優(yōu)化后的軌枕在現(xiàn)場試鋪，并觀測效果。

2　改進方案

在小半徑曲線上鋪設(shè)Ⅲa型混凝土軌枕，使用過程中發(fā)現(xiàn)，軌枕因擋肩擠裂而失效的情況占43%左右，最嚴重情況下軌枕擋肩破損率高達72%，嚴重影響鋼軌固定和軌距的保持，危及行車安全。曲線上下股鋼軌在輪軌橫向力作用下存在鋼軌扭轉(zhuǎn)、外擠現(xiàn)象，導致軌底膠墊偏斜嚴重，橫向偏斜率達到10% ～15%［6］，造成鋼軌直接磨損承軌槽表面，軌底坡無法保持，鋼軌外翻；承軌槽表面磨損以后，使得軌下膠墊受力情況更為惡劣，使用壽命縮短。針對上述問題，需對軌枕承軌槽尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。改變承軌槽尺寸可從擋肩坡度和承軌槽深度2方面入手，本文給出3種方案。

方案1：增大承軌槽深度，將原有Ⅲa型軌枕承軌槽的深度由25 mm分別變更為30，35，40，45，50 mm。改進后的軌枕軌下截面尺寸見表1。

表1　軌枕軌下截面尺寸

方案2：保持承軌槽深度（25 mm）、軌枕軌下截面尺寸（230 mm×300 mm×170 mm）不變，改變擋肩坡度，將原有Ⅲa型軌枕擋肩坡度由120°分別改為115°，110°，105°，100°，95°。

方案3：結(jié)合方案1和方案2，在方案1中研究擋肩面壓應力隨承軌槽深度變化規(guī)律，在方案2中研究擋肩面壓應力隨擋肩坡度變化規(guī)律。確定軌枕擋肩面最佳受力坡度后，加深承軌槽深度，比較軌枕擋肩面壓應力大小，確定承軌槽合理深度值，從中選出一個使軌枕承軌槽受力更加合理的結(jié)構(gòu)形式。軌枕軌下截面尺寸需結(jié)合方案1和方案2確定。

3　方案比選

由于小半徑曲線段列車運營速度降低，軌枕每公里鋪設(shè)根數(shù)增加，則小半徑曲線段軌枕上的壓力也有所降低，本文3種方案都是在Ⅲa型軌枕的基礎(chǔ)上僅對承軌槽尺寸進行改進，在基本配筋不變的情況下，改進后的Ⅲa型軌枕的承載能力與Ⅲ型軌枕基本相當，軌枕的枕中截面和軌下截面承載能力均能滿足小半徑曲線段線路的使用要求［7］。因此本節(jié)采用有限元軟件仿真計算軌枕擋肩及承軌槽受力情況。

1)受沉積環(huán)境影響，二2煤層頂?shù)装鍘r性存在較大差異。巖石在單軸壓縮過程中具有壓密、彈性、屈服和破壞4個階段。

3.1計算模型

根據(jù)改進后的Ⅲa型軌枕以及預應力鋼筋建立空間實體模型，預應力鋼筋與軌枕混凝土之間完全耦合，即假設(shè)預應力鋼筋與軌枕混凝土之間不發(fā)生滑移。將混凝土、預應力鋼筋和道床視為完全彈性體進行計算。將道床在實際工作中的狀態(tài)理想化，將其剛度視為單根軌枕下連續(xù)均勻支承的線性剛度。為更好模擬實際情況，模型加載前先對預應力筋施加預應力荷載，軌枕發(fā)生翹曲變形后，在軌枕底面添加初應力0和面荷載形式的枕上換算動荷載［8］，在軌枕擋肩面同時施加橫向力和垂向力。軌枕的基本力學模型示意如圖1，軌枕有限元模型見圖2。

圖1　基本力學模型示意

圖2　軌枕有限元模型

3.2計算參數(shù)

軌枕混凝土的強度等級為C60，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010），混凝土的彈性模量為3.6×104MPa，抗壓強度標準值 38.5 MPa，設(shè)計值27.5 MPa，混凝土抗拉強度標準值2.85 MPa，設(shè)計值2.04 MPa。預應力鋼絲使用低松弛螺旋肋高強鋼絲，直徑7.0 mm，彈性模量2×105MPa，抗拉強度標準值1 570 MPa，設(shè)計值 1 070 MPa，抗壓強度標準值580 MPa，設(shè)計值400 MPa?；炷梁弯摻畈此杀确謩e取為0.2與0.3［9］，鋼筋混凝土密度取2 500 kg/m3，鋼筋有效預應力取936 MPa，道床總剛度取2×105kN/m，軌枕擋肩面受力取最不利工況，其中橫向力取71 kN，垂向力取125 kN［10］。

3.3計算結(jié)果

擋肩面受力情況對比見圖3。從圖3（a）可以看出，當承軌槽深度由25 mm增加到30 mm時，軌枕擋肩面平均壓應力由29.3 MPa降到27.4 MPa，但最大壓應力由49 MPa增至50.5 MPa，說明此時軌枕擋肩面局部可能承受更大的橫向力，仍然會出現(xiàn)擋肩破損現(xiàn)象；當承軌槽深度由30 mm逐步增加到50 mm時，軌枕擋肩面的平均壓應力和最大壓應力都有所減小，這對軌枕擋肩的受力是有利的；總的來說，加大承軌槽的深度可以改善軌枕擋肩面的受力情況。

圖3（b）是軌枕擋肩坡度由120°減小到95°時擋肩面受力情況?？梢钥闯?，軌枕擋肩面的平均壓應力和最大壓應力都會在110°出現(xiàn)拐點，擋肩坡度由120°降到110°時，擋肩受力情況會得到改善，但當擋肩坡度從110°繼續(xù)下降時，軌枕擋肩面受力情況會變得更加惡劣，加快擋肩破損速率，影響軌枕使用壽命。

為進一步研究軌枕擋肩面受力合理性，在擋肩面最佳受力坡度110°時，研究承軌槽深度由25 mm增加到50 mm時，軌枕擋肩面受力變化規(guī)律。

圖3　擋肩面受力情況對比

綜合以上因素，在方案3中將擋肩坡度定為110°，承軌槽深度定為40 mm。這種結(jié)構(gòu)形式對軌枕擋肩和承軌槽的受力最為有力。下面將此種結(jié)構(gòu)形式的軌枕與Ⅲa型軌枕的擋肩面、承軌槽受力情況進行對比。

3.4改進前后對比分析

1）改進前后軌枕及擋肩面受力情況對比

圖4　改進前軌枕及擋肩面壓應力云圖（單位：MPa）

圖5　改進后軌枕及擋肩面壓應力云圖（單位：MPa）

改進前、后軌枕及擋肩面壓應力云圖分別見圖4、圖5。由圖4、圖5可以明顯看出：軌枕擋肩面在最不利受力情況下，Ⅲa型軌枕擋肩面承受的最大壓應力為48 MPa，高于C60混凝土抗壓強度標準值38.5 MPa，會出現(xiàn)擋肩破損現(xiàn)象，擋肩面平均壓應力為30 MPa左右，軌枕擋肩面易被壓壞；改進后的Ⅲa型軌枕擋肩面承受最大壓應力為36 MPa，低于C60混凝土抗壓強度標準值38.5 MPa，不會出現(xiàn)擋肩破損現(xiàn)象，擋肩面平均壓應力為22 MPa左右，軌枕擋肩面的受力情況得到明顯改善。這是由于改進后的Ⅲa型軌枕擋肩斜面坡度由120°改為110°，提高了扣件的橫向摩阻力；承軌槽深度由25 mm改為40 mm，加高了擋肩結(jié)構(gòu)，改變了橫向作用力的傳遞方向，增大了擋肩的受力面積，致使軌枕擋肩的受力強度大大降低。

2）改進前后承軌槽受力情況對比

軌枕承軌槽一般都是壓潰失效的，故在ANSYS中提取軌下截面第三主應力對比分析。在相同的荷載下（枕上垂直動壓力均取為150 kN），改進前Ⅲa型軌枕軌下截面第三主應力最大為20.7 MPa，而改進后第三主應力最大為17.4 MPa，承軌槽的受力情況得到一定改善。這是由于改進后的Ⅲa型軌枕頂寬由0.171 m增大到0.194 m，受力面積增加，故軌下所受壓應力減小。

4　現(xiàn)場試驗

4.1試鋪地點的選擇

對衡陽工務段管內(nèi)正線小半徑曲線段使用的混凝土枕病害進行現(xiàn)場調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)某編組站線路上行車密度最大、狀態(tài)變化最快，而且線路上大部分曲線半徑為180 m，軌道的幾何尺寸變化快，Ⅲa型混凝土軌枕出現(xiàn)了嚴重的擋肩破損、承軌槽偏磨下切等病害，因此改進后的Ⅲa型軌枕選在該地段進行試鋪。

4.2試鋪

將改進后的Ⅲa型軌枕在此編組站溜1、溜3道小半徑曲線段進行了試鋪，見圖6。在溜1道鋪設(shè)軌枕36根，溜3道鋪設(shè)38根，其他部件按照《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運［2006］146號）的規(guī)定設(shè)置，觀測試鋪后軌枕使用效果。

4.3試鋪效果

1）改進后的Ⅲa型軌枕兩承軌槽外側(cè)間距由原來的1.818 m加大到1.837 m，直接解決了小半徑曲線段軌距加寬0.015 m的要求。

2）由于軌枕擋肩和承軌槽的承載能力加強，使得軌距保持能力大大加強，試鋪改進后的Ⅲa型軌枕，檢查周期由原來的1周增加到1個月，減少了工區(qū)的維修養(yǎng)護工作量。

3）軌枕使用壽命延長，在小半徑曲線段鋪設(shè)改進的Ⅲa型軌枕后，擋肩和承軌槽的受力面積都有所增大，在最不利受力情況下?lián)跫缑嫫骄鶋簯τ?0 MPa降為22 MPa，擋肩的承載能力提高了26.7%；承軌槽的壓應力由20.7 MPa降為17.4 MPa，承軌槽承載能力提高了15.9%。

圖6　小半徑曲線段軌枕試鋪

5　結(jié)論

1）加大軌枕承軌槽的深度，雖然軌枕擋肩面所受橫向力會加大，但軌枕擋肩面平均壓應力會減小，這對承軌槽的受力是有利的。

2）當軌枕擋肩坡度由120°降為110°時，軌枕擋肩面所受壓應力減小，但擋肩坡度繼續(xù)減小會加大軌枕擋肩面所受壓應力，加快擋肩破損速率。

3）在滿足軌枕擋肩坡度110°的情況下，承軌槽應盡可能加深，以便減小承軌槽和軌枕擋肩面所受壓力，延長軌枕使用壽命。

［1］王定舉.朔黃重載鐵路小半徑曲線病害成因分析及整治措施探析［J］.鐵道標準設(shè)計，2013（12）：58-62.

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

［3］黃記倫.在R＜250 m小半徑曲線上鋪設(shè)特種混凝土軌枕［J］.鐵道運營技術(shù)，2001（1）：1-3.

［4］鄭愛國，康祥梅.小半徑曲線加寬型軌枕的研制［J］.混凝土與水泥制品，2013（10）：31-34.

［5］周家鳴.Ⅲb型預應力混凝土枕在小半徑曲線的應用［J］.中國鐵路，2003（10）：39-40.

［6］董天曾，周存富.鋪設(shè)ⅢQ型軌枕，加強陡坡小半徑曲線軌道［J］.鐵道建筑，2000（1）：34-37.

［7］張文仁.Ⅲ型軌枕在山區(qū)鐵路中的鋪設(shè)和養(yǎng)護維修［J］.鐵道運營技術(shù)，2005（1）：35-36.

［8］洪曉龍.重載鐵路軌枕受力特性分析與參數(shù)優(yōu)化［D］.成都：西南交通大學，2014.

［9］白玲，汪加蔚.預應力混凝土軌枕的設(shè)計計算［J］.混凝土與水泥制品，2009（1）：27-30.

［10］牟曉光.高強預應力筋粘結(jié)性能試驗研究及數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學，2006.

（責任審編葛全紅）

Study on Optimal Design of Concrete Sleeper on Small Radius Curve Section

CHEN Man1，ZHANG Bo2，XIAO Jieling1
（1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.Hengyang Track Division，Guangzhou Railway Group Company，Hengyang Hunan 421200，China）

According to current problems of concrete sleepers on small radius curve section in existing common railway line，such as serious injuries of shoulder，bruised rail ditch and the widening of gauge，the optimization research was conducted.Based onⅢa sleeper，an optimization design of the rail ditch size was implemented primarily，which was increasing the depth of the rail ditch and changing the slope of the shoulder at the same time，and the carrying capacity calculation for transformed sleeper was conducted with the finite element software by using the compressive stress as evaluation index.Results show that the compressive stress of sleeper shoulder surface and sleeper bottom under the rail is minimal when the rail ditch depth is increased from 25 mm to 40 mm and shoulder angle is changed from 120°to 110°，and the sleeper stress situation is obviously improved.T he improved concrete sleepers are laid on lead track in a marshaling station and the use situation in nearly 1 year identified that the concrete sleepers are in good condition.

Concrete sleeper；Small radius curve；Rail ditch；Shoulder；Gauge

U213.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.32

1003-1995（2016）08-0128-05

2015-10-20；

2016-05-10

國家杰出青年科學基金（51425804）

陳漫（1992— ），男，碩士研究生。