重載鐵路快速?gòu)棗l扣件配套軌枕設(shè)計(jì)

谷呈朋 袁憲利 李 苗 裴愛華

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.陜西靖神鐵路有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000)

近年來(lái)，我國(guó)重載鐵路發(fā)展迅速，先后建成了大秦鐵路、朔黃鐵路、瓦日鐵路等重載貨運(yùn)通道，國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的重載煤運(yùn)鐵路通道—蒙華鐵路，也在快速建設(shè)之中。作為承載鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，軌道工程技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步，為重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展創(chuàng)造了重要條件[1-2]。

靖神鐵路是蒙華鐵路集疏運(yùn)系統(tǒng)的重要支線和陜西省內(nèi)最長(zhǎng)的煤炭運(yùn)輸鐵路，南起靖邊北站(與蒙華鐵路接軌)，北至神木西站(與包西鐵路接軌并連通紅檸鐵路)。設(shè)計(jì)運(yùn)量近期5 100×104t，遠(yuǎn)期7 200×104t，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，將與蒙華鐵路同步建成。

重載鐵路運(yùn)量大、軸重大、行車密度大、荷載作用時(shí)間長(zhǎng)，軌道結(jié)構(gòu)所受沖擊較大，易造成軌道結(jié)構(gòu)的傷損，惡化軌道工作狀態(tài)[3]。軌道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與軌道部件尺寸、材料等參數(shù)有關(guān)[4]。美國(guó)、加拿大、巴西、南非等國(guó)在重載鐵路中采用了養(yǎng)護(hù)維修成本較低的快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)，我國(guó)在合武、石太等客運(yùn)專線也有該類型扣件的應(yīng)用。侯堯花[5]介紹了扣件預(yù)埋鐵座定位裝置的研制情況及定位裝置在軌枕生產(chǎn)中的工藝要點(diǎn)；張向輝[6]等介紹了與客運(yùn)專線快速?gòu)棗l扣件配套使用的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的生產(chǎn)制造技術(shù)；林紅松[7]等通過(guò)適當(dāng)增大軌枕截面和增加配筋、減小軌枕?yè)跫鐑A角等措施，對(duì)30 t軸重混凝土軌枕進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究；杜香剛[8]結(jié)合國(guó)外重載軌枕形式，介紹了新型高穩(wěn)定性軌枕的設(shè)計(jì)和研發(fā)情況。

另一方面，軌枕作為有砟軌道結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，可起到有效降低道床垂向動(dòng)力、延緩道床劣化等作用[9]。目前，針對(duì)重載鐵路軌枕的設(shè)計(jì)研究主要側(cè)重軌枕自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通常是從增加配筋、擴(kuò)大枕底接觸面等方面對(duì)普通軌枕進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)?？焖?gòu)棗l扣件作為一種新型扣件系統(tǒng)，在國(guó)外重載鐵路應(yīng)用較多；國(guó)內(nèi)軌枕設(shè)計(jì)多配套傳統(tǒng)彈條扣件，較少有針對(duì)快速?gòu)棗l扣件的配套軌枕和橋枕設(shè)計(jì)。結(jié)合靖神鐵路工程，在既有國(guó)鐵Ⅲ型軌枕基礎(chǔ)上，針對(duì)快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行配套軌枕及橋枕的設(shè)計(jì)。

1 快速?gòu)棗l扣件簡(jiǎn)介[10]

標(biāo)準(zhǔn)配置的FC-16扣件系統(tǒng)由快速?gòu)棗l、絕緣帽、軌距擋塊、軌下墊板和預(yù)埋鐵座等組成(如圖1)。

圖1 快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)

該扣件是一種無(wú)螺栓扣件系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)特的開關(guān)式橫向安裝結(jié)構(gòu)，能快速有效地進(jìn)行安裝和拆卸，養(yǎng)護(hù)維修成本低。

國(guó)內(nèi)重載常用的扣件系統(tǒng)對(duì)軌枕的接口主要是通過(guò)預(yù)留錨固螺栓孔或預(yù)埋套管實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)控制較為簡(jiǎn)單?？焖?gòu)棗l系統(tǒng)采用了特殊的預(yù)埋鐵座結(jié)構(gòu)，對(duì)漏出軌枕表面部分預(yù)埋件的定位要求比較高，需對(duì)幾處關(guān)鍵接口尺寸進(jìn)行控制。目前，普通Ⅲb型軌枕模具及預(yù)埋件制作工藝不能滿足快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)對(duì)軌枕的接口要求，需對(duì)扣件與軌枕接口進(jìn)行配套設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)Ⅲ型橋枕相比，采用快速?gòu)棗l扣件后，為適應(yīng)扣件功能并滿足相關(guān)規(guī)范要求，需調(diào)整橋枕尺寸，并對(duì)橋枕進(jìn)行受力分析檢算。

2 配套軌枕設(shè)計(jì)

2.1 配套軌枕設(shè)計(jì)原則

結(jié)合靖神鐵路的工程實(shí)際及扣件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配套軌枕設(shè)計(jì)原則如下：

(1)盡量采用成熟的設(shè)計(jì)方案，保證軌枕的承載能力不低于既有國(guó)鐵Ⅲ型枕。

(2)軌枕長(zhǎng)度按2.6 m設(shè)計(jì)。

(3)預(yù)埋件接口工藝滿足FC-16型扣件系統(tǒng)的接口要求，并保證扣件安拆的空間要求。

(4)橋枕設(shè)計(jì)時(shí)，護(hù)軌與基本軌凈距為500 mm；護(hù)軌頂面與基本軌(60 kg/m或70 kg/m)頂面高差限差為-25～5 mm。

2.2 配套軌枕方案及接口設(shè)計(jì)

FC-16型扣件配套使用的Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕(簡(jiǎn)稱ⅢFC16型枕)外形尺寸和結(jié)構(gòu)配筋采用了與Ⅲb型軌枕相同的設(shè)計(jì)方案，軌下高度維持不變，針對(duì)預(yù)埋件部分，按照快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)的相關(guān)制造要求進(jìn)行了接口設(shè)計(jì)。

根據(jù)FC-16型扣件系統(tǒng)的相關(guān)要求，軌枕預(yù)埋件的接口內(nèi)容包括：

①預(yù)埋鐵座抗拔力不小于70 kN；

②軌底坡設(shè)置在軌枕承軌面上；

③主要的控制尺寸包括兩承軌臺(tái)外側(cè)預(yù)埋件間距離、同一軌底內(nèi)外側(cè)預(yù)埋件間距離、預(yù)埋件對(duì)稱軸控制點(diǎn)(A點(diǎn))至枕面高度、預(yù)埋件下部?jī)梢砜刂泣c(diǎn)(B、C點(diǎn))至枕面高度等。

圖2 預(yù)埋件接口示意(單位:mm)

軌枕接口設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中關(guān)鍵尺寸的控制要求，預(yù)埋鐵座的控制尺寸均需通過(guò)專用量具及角度尺等進(jìn)行檢查(如圖2所示)。

在新Ⅲ型混凝土橋枕基礎(chǔ)上，結(jié)合快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)及工程特點(diǎn)對(duì)軌下截面進(jìn)行了優(yōu)化，提出軌下高度分別為227.5 mm、215.5 mm和211 mm的三個(gè)設(shè)計(jì)方案。其中，軌下高度227.5 mm方案便于快速?gòu)棗l扣件安拆，軌下承載能力也最大，但對(duì)換軌適應(yīng)性較差；軌下高度211 mm方案能適應(yīng)不同基本軌的更換條件，但扣件外側(cè)擋肩較高，不利于扣件安拆，且軌下承載能力最?。卉壪赂叨?15.5 mm方案能適應(yīng)不同基本軌的更換條件，方便扣件安拆，軌下承載能力居中。經(jīng)綜合比選，從快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)的安拆便利性、與基本軌的適應(yīng)性、滿足護(hù)軌鋪設(shè)要求等方面確定了軌下截面設(shè)計(jì)方案(即軌下高度215.5 mm)。橋枕設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 ⅢqFC16型枕軌下截面設(shè)計(jì)方案(單位:mm)

2.3 橋枕的設(shè)計(jì)檢算

(1)橋枕外荷載彎矩

軌枕壓力計(jì)算采用《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》[11]規(guī)范、連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型計(jì)算。預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕上承軌部分的豎向荷載Rd按式(1)計(jì)算

Rd=γPj(1+α)(1)

式中：Pj為凈輪重(kN)，為設(shè)計(jì)靜軸重的一半。

γ為輪重分配系數(shù)，與鋼軌類型、支承剛度及軌枕間距等因素有關(guān)，也可根據(jù)軌枕實(shí)際使用條件計(jì)算確定，參照相關(guān)規(guī)范取0.48；

α為附加動(dòng)載系數(shù)，與行車速度、軌道狀態(tài)等因素有關(guān)，重載鐵路取1.5。

將各參數(shù)取值代入式(1)中，可得軌枕垂直動(dòng)壓力Rd為150 kN。

軌道關(guān)鍵截面主要分為軌下截面與枕中截面，針對(duì)橋枕的實(shí)際使用等情況，軌下截面與枕中截面外荷載彎矩按圖4計(jì)算。

圖4 橋枕外荷載彎矩計(jì)算

軌下截面彎矩計(jì)算公式為

(2)

枕中截面彎矩計(jì)算公式為

Mz=(8eL-8e2+3L-6e)q/16+

PL1-Rd(L-2a1)/2(3)

其中，均布荷載q=8(Rd-P)/(3L+2e)

L為軌枕長(zhǎng)度。

L1為護(hù)軌作用點(diǎn)至枕中距離。

a1為基本軌作用點(diǎn)至枕端距離。

bq為軌下墊板寬度。

e為一股鋼軌下軌枕的全支承長(zhǎng)度。

根據(jù)計(jì)算圖示及設(shè)計(jì)方案，枕長(zhǎng)L=2.6 m，L1=0.183 m，a1=0.542 m，bq=0.15 m，e=1.1 m，外荷載彎矩計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橋枕外荷載彎矩值 kN·m

經(jīng)計(jì)算，與既有新Ⅲ型橋枕外彎矩一致。

(2)橋枕承載能力檢算

軌枕承載能力計(jì)算主要包括疲勞承載彎矩計(jì)算、靜載抗裂彎矩計(jì)算及破壞承載彎矩的計(jì)算等。

結(jié)合橋枕軌下截面的調(diào)整情況，軌下截面高度調(diào)整為215.5 mm，由此計(jì)算出換算截面抗彎剛度、偏心距等。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失等，由此可得預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法》[13]、《混凝土軌枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》[14]等規(guī)范，參考《預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)方法》[15]及《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的設(shè)計(jì)計(jì)算》[16]的設(shè)計(jì)方法和實(shí)例，經(jīng)計(jì)算，可得軌枕疲勞及抗裂承載彎矩值，結(jié)合橋枕的試驗(yàn)情況可得靜載檢驗(yàn)荷載。橋枕承載能力檢算結(jié)果如表2所示。

表2 橋枕軌下截面承載能力

通過(guò)對(duì)橋枕的設(shè)計(jì)檢算，ⅢqFC16型枕相較于既有橋枕承載能力有所提高，滿足外荷載彎矩的要求。

3 軌枕的制造

重載鐵路由于大軸重、大運(yùn)量的特點(diǎn)，要求軌枕能提供較高的強(qiáng)度、線路縱橫向阻力以及較小的養(yǎng)護(hù)維修工作量，預(yù)埋鐵座形式能更好地為線路提供橫向阻力，但是軌枕制作難度相應(yīng)增大。

快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)在我國(guó)使用相對(duì)較少，部分軌枕廠尚屬首次進(jìn)行該類型軌枕的生產(chǎn)，在ⅢFC16型軌枕及ⅢqFC16型橋枕的試生產(chǎn)制造過(guò)程中碰到一些問(wèn)題。

在試生產(chǎn)過(guò)程中，為了控制預(yù)埋鐵座位置精度，采取了不同的工藝措施。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，在軌枕制造要求中增加了四周平整度的檢查。通過(guò)調(diào)研，采用預(yù)埋鐵座橡膠密封圈的工藝相對(duì)較好，但應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程，合理控制密封圈硬度及與軌枕面的高度關(guān)系。

此外，由于護(hù)軌承軌槽結(jié)構(gòu)存在內(nèi)側(cè)擋肩，初期設(shè)計(jì)方案中內(nèi)側(cè)擋肩部位采用了110°交角?，F(xiàn)場(chǎng)反映，生產(chǎn)過(guò)程易存在部分脫模掉角的情況。在優(yōu)化的方案中，擋肩角度采用了不小于120°的交角，有效地防止了擋肩邊緣脫模引起的損傷，提高了產(chǎn)品成品率。

4 配套軌枕的相關(guān)使用說(shuō)明

針對(duì)靖神線工程實(shí)際，對(duì)ⅢqFC16型枕的適用性進(jìn)行分析。根據(jù)鐵運(yùn)[2007]243號(hào)《鐵路橋梁鋪設(shè)護(hù)軌暫行規(guī)定》“護(hù)軌頂面不應(yīng)高出基本軌頂面5 mm，也不應(yīng)低于25 mm”及TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》“橋上護(hù)軌應(yīng)與基本軌相匹配，宜采用不小于50 kg/m鋼軌。護(hù)軌頂面不應(yīng)高出基本軌頂面5 mm，也不應(yīng)低于基本軌面25 mm”的相關(guān)規(guī)定，軌枕設(shè)計(jì)時(shí)基本軌采用60 kg/m鋼軌同時(shí)兼顧預(yù)留75 kg/m鋼軌條件。采用50 kg/m護(hù)軌時(shí)，護(hù)軌高度降低24 mm，護(hù)軌頂面已低于基本軌頂面+25 mm，不能滿足相關(guān)規(guī)定的要求。故需考慮使用護(hù)軌扣件+5 mm的調(diào)高量?？奂罡咧荒苷{(diào)高5 mm。因此，生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)軌枕護(hù)軌承軌面的精度控制。

配套軌枕設(shè)計(jì)時(shí)采用了Ⅲ型軌枕標(biāo)準(zhǔn)，承載能力按25 t軸重設(shè)計(jì)。針對(duì)目前我國(guó)重載鐵路的實(shí)際情況及發(fā)展，對(duì)該軌枕的使用做相關(guān)分析說(shuō)明。

考慮重載鐵路行車速度相差不大，由行車速度引起軌枕受力的動(dòng)態(tài)附加系數(shù)差異不大，故軌枕設(shè)計(jì)彎矩和軸重之比在一定程度上可反映軌枕設(shè)計(jì)中的安全儲(chǔ)備。

對(duì)此，搜集對(duì)比了國(guó)內(nèi)外軌枕的相關(guān)參數(shù)(如表3所示)[17]。

表3 各國(guó)混凝土軌枕的設(shè)計(jì)承載彎矩

對(duì)比表明，Ⅲ型軌枕在設(shè)計(jì)時(shí)留有較大安全儲(chǔ)備，可滿足近期靖神鐵路工程的使用。

隨著線路通過(guò)總重及軸重的逐漸增加，應(yīng)及時(shí)根據(jù)車輛、線路等情況采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化，例如可通過(guò)采用75 kg/m重型鋼軌、加密軌枕布置、增加枕下面積、更換承載能力更大的軌枕等。

隨著國(guó)內(nèi)重載軌枕技術(shù)發(fā)展進(jìn)步及產(chǎn)品應(yīng)用的不斷成熟，長(zhǎng)期通過(guò)30 t軸重列車時(shí)，應(yīng)更換成熟的30 t軸重軌枕產(chǎn)品。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)快速?gòu)棗l扣件系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的軌枕滿足設(shè)計(jì)需求，橋枕部分承載力有所提高。

(2)預(yù)埋件固定密封措施建議采用橡膠密封圈，軌枕?yè)跫缫吮M量采用不小于120°交角，便于脫模和控制成品質(zhì)量。

(3)該項(xiàng)軌枕設(shè)計(jì)承載能力不低于Ⅲ型枕，滿足本工程目前使用要求，且承載能力具有較大安全系數(shù)。隨著重載線路運(yùn)量和軸重的增加，應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)加強(qiáng)措施，保證軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如加密軌枕布置、采用加強(qiáng)型軌枕等。