30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板設(shè)計與應(yīng)用

禹 雷，張 軍，裴愛華，谷呈朋

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.天津鐵路信號有限責(zé)任公司，天津 300300)

貨物列車在編組站進(jìn)行調(diào)車作業(yè)時，在駝峰位置采用浮軌重力式減速器對車輛進(jìn)行制動，而減速器制動力反作用于減速器軌枕板及道床上，長期頻繁地制動會對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響編組站駝峰位置軌道結(jié)構(gòu)安全[1]。

目前，國內(nèi)編組站駝峰位置使用的車輛減速器軌枕板的設(shè)計軸重普遍不大于25 t。近年來隨著車輛軸重不斷增加，重載列車在減速過程中對軌枕板的沖擊力和緩解作業(yè)時垂向拍擊力不斷增大，導(dǎo)致軌枕板出現(xiàn)大量裂縫、承軌臺擋肩碎裂、螺栓孔開裂等病害，嚴(yán)重影響減速器軌枕板的穩(wěn)定性和耐久性[2]。急需研制適應(yīng)大軸重重載車輛減速器的混凝土軌枕板，以有效抵抗重載編組列車長期連續(xù)沖擊作用，增大軌道結(jié)構(gòu)強度，提高耐久性。

1 既有減速器軌枕板病害分析

減速器在對車輛制動過程中，頻繁沖擊作用使軌枕板和道床板形成疲勞損傷；車輛軸重增加會加劇軌枕板和道床板的破壞。北京市豐臺西站編組站駝峰位置使用10年的軌枕板出現(xiàn)了板內(nèi)裂縫、承軌臺擋肩碎裂、螺栓孔開裂等較多典型病害[2]，如圖1所示。

圖1 軌枕板典型病害

經(jīng)現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)既有承軌臺位置少配筋，甚至無配筋，混凝土質(zhì)量等級較低，在大沖擊力長期作用下容易疲勞破壞。曲拐座下的螺栓孔沿對角方向八字形開裂，呈現(xiàn)混凝土劈裂破壞特征。原因是曲拐座受到的水平推力較大，螺栓孔周圍構(gòu)造配筋薄弱。

2 30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板既要保證軌枕板有良好的整體剛度，又要保證受力較大位置具有可靠的加強措施。在高速鐵路軌道板設(shè)計理論基礎(chǔ)上，運用鐵路軌道極限狀態(tài)設(shè)計方法，通過優(yōu)化設(shè)計使減速器預(yù)制軌枕板與浮軌重力式減速器優(yōu)化組裝，使軌道結(jié)構(gòu)能有效抵抗重載編組列車長期連續(xù)沖擊作用[3]。具體設(shè)計要求為:

1)30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板要具有足夠承載力及良好的整體性、耐久性、經(jīng)濟性。

2)承軌臺具有足夠抗剪性能，曲拐座下螺栓孔具有足夠的抗裂性能。

2.2 設(shè)計方案

針對30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板的外部作用特點，在普通減速器軌枕板既有結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大其尺寸，并考慮局部受力防護措施和經(jīng)濟性、施工性、工藝性能等各方面因素[4-5]，初步確定單塊軌枕板外形尺寸為 3 250 mm(長)×740 mm(寬)×435 mm(高)，承軌臺間距為400 mm，尺寸誤差均為±1.5 mm。軌枕板采用C50混凝土，預(yù)留直徑60 mm 的硫磺錨固螺栓孔，并對擋肩進(jìn)行加寬加厚設(shè)計。初步設(shè)計軌枕板外形尺寸如圖2所示。

圖2 軌枕板外形尺寸(單位：mm)

2.3 結(jié)構(gòu)計算分析

2.3.1 設(shè)計荷載

設(shè)計計算中軸重按30 t考慮，軌道動力效應(yīng)是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素。設(shè)計時需考慮車輛動載系數(shù)，由于溜車時最大速度僅為25 km/h，動力放大系數(shù)可取1.5[6]。軌枕板受力分布如圖3所示。其中：Q為基本軌對軌枕板承軌臺的豎向壓力;F1為單個曲拐座對軌枕板的豎向壓力;F2為承軌臺側(cè)向力;F3為單個擋板側(cè)向力;F4為第1曲拐座對軌枕板的壓力;F5為螺旋道釘受到的最大側(cè)向力。

圖3 軌枕板受力分布

在車輛減速器運行過程中，根據(jù)作用在軌枕板上的荷載分為2種工況。工況1：4種荷載(Q,F1,F2,F3)同時作用，用于分析設(shè)計參數(shù)對軌枕板靜力特性的影響；工況2：2種荷載(F4,F5)同時作用，用于局部受力分析。

1)工況1

當(dāng)工況1中的4種荷載同時作用在軌枕板上時為最不利情況。

考慮基本軌浮動對軌枕的沖擊，安全系數(shù)取1.5，單輪重Q輪取150 kN，Q=1.5Q輪。

附加側(cè)向作用力對滾輪的壓力F附取20 kN，安全系數(shù)取1.3，F(xiàn)1=1.3(Q輪/2+F附)/2。

F2按正線(彎道)標(biāo)準(zhǔn)軌擋臺所受最大側(cè)向力考慮，即0.8倍靜輪載。

減速度a取0.2 m/s2，單節(jié)車分配到每個車輪上的質(zhì)量m為15 t，安全系數(shù)取1.5，F(xiàn)3=1.5ma。

2)工況2

工況2中的2種荷載同時作用在軌枕板的不同部位。

單個氣缸推力F推取83 kN，曲拐與鋼軌的垂向夾角為α，則F4=F推sinα，F(xiàn)5=F推cosα。

2.3.2 結(jié)構(gòu)有限元仿真計算

由于模型寬度較小，建立鋼軌模型時影響因素較多，對分析結(jié)果不利，不再建立鋼軌的梁單元，各種支承反力直接作用在模型上；同時由于碎石彈性調(diào)整層與道床板和土質(zhì)路基之間有一定的摩擦力，一般不會發(fā)生大位移。考慮彈性墊層阻尼作用，軌枕板、道床板、碎石墊層、路基均采用實體單元模擬；路基下方無限土體采用三維彈簧模擬。分析模型見圖4。

圖4 減速器軌枕板整體結(jié)構(gòu)分析模型

2.3.3 設(shè)計參數(shù)對靜力特性的影響分析

為選擇能適應(yīng)30 t軸重荷載條件下最優(yōu)軌枕板尺寸，通過調(diào)整軌枕板寬度、厚度、承軌臺寬度等設(shè)計參數(shù)的值，分析其對軌枕板和道床板的應(yīng)力和位移的影響。經(jīng)現(xiàn)場多地調(diào)研，軌枕板下道床板一般多出現(xiàn)大量縱向和橫向裂縫，屬于受力薄弱構(gòu)件，因此把道床板的應(yīng)力和位移作為分析討論對象和評判標(biāo)準(zhǔn)。不同設(shè)計參數(shù)及其取值對模型系統(tǒng)受力的影響見表1。

表1 不同設(shè)計參數(shù)及其取值對模型系統(tǒng)受力的影響

從表1可得：①隨著軌枕板寬度的增大，軌枕板板底縱向拉應(yīng)力略微減小，軌枕板綜合變形增大，道床板板底縱向拉應(yīng)力只略微增大。當(dāng)軌枕板寬度為840 mm 時，道床板板底橫向拉應(yīng)力為1.47 MPa，較寬度為640 mm時增大33.6%，接近C40混凝土設(shè)計抗拉強度1.71 MPa，因此軌枕板寬度不宜過大。②隨著軌枕板厚度和承軌臺寬度的增大，軌枕板板底和道床板板底拉應(yīng)力均隨之減小，但軌枕板厚度變化產(chǎn)生的影響更顯著。與軌枕板厚度385 mm相比，厚度485 mm 時軌枕板板底拉應(yīng)力減小77.9%，軌枕板綜合變形減小5.6%，道床板板底縱向、橫向拉應(yīng)力分別減小30.1%，25.6%。而軌枕板厚度385 mm時，道床板板底橫向拉應(yīng)力為1.52 MPa，接近C40混凝土設(shè)計抗拉強度1.71 MPa，因此軌枕板厚度不宜太小，軌枕板厚度是較為重要的控制因素。

綜合上述分析，軌枕板寬度和厚度對整個結(jié)構(gòu)靜力特性影響較大，在考慮靜力特性的同時需結(jié)合經(jīng)濟性、施工性、工藝性能等各方面因素確定一個較為合理的設(shè)計取值范圍，本文取各參數(shù)中間值較為合理。

2.3.4 局部受力特性分析

本文重點對承軌臺擋肩剪切破壞和螺栓孔開裂2種病害進(jìn)行分析，確定薄弱位置受力分布，為采取局部加強措施提供理論依據(jù)。

1)承軌臺擋肩剪切破壞

經(jīng)對北京市豐臺西站編組站駝峰位置現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)破壞的軌枕板承軌臺擋肩位置少筋，甚至無筋，在大沖擊力長期作用下容易疲勞破壞。因此，對軌枕板進(jìn)行重新設(shè)計時，既要保證軌枕板整體有可靠的剛度又要保證局部受力較大位置有可靠的加強措施。

通過氣缸水平推力作用(工況2)，對承軌臺施加側(cè)向力，分析承軌臺側(cè)向受到的拉應(yīng)力是否符合設(shè)計要求。

為便于直觀顯示承軌臺擋肩內(nèi)力分布，截取承軌臺擋肩1/4剖面以顯示水平應(yīng)力，見圖5。

圖5 承軌臺擋肩水平應(yīng)力(單位：Pa)

分析圖5可知：①在橫向力作用下，拉應(yīng)力最大位置在擋肩與承軌臺平面交接處，最大值為2.05 MPa，已經(jīng)超出C50混凝土最大抗拉強度設(shè)計值1.89 MPa，此處為混凝土受力薄弱區(qū)，在無內(nèi)部配筋且長期承受極端荷載和疲勞作用下容易出現(xiàn)脆性劈裂，有必要在此處適當(dāng)采取鋼筋增強措施。②局部配筋可參照混凝土短柱彎剪模型，受到彎矩和剪力共同作用時配置受彎縱向筋和橫向封閉抗剪箍筋。

2)螺栓孔劈裂

在軌枕板上建立螺栓孔局部分析模型，采用直徑28 mm螺栓固定曲桿，采用具有受彎受剪特性的梁單元模擬。對軌枕板側(cè)面螺旋道釘施加側(cè)向推力，分析螺栓孔四周受到的拉應(yīng)力及其分布。

同樣為便于直觀顯示螺栓孔附近內(nèi)力分布情況，從螺栓孔位置豎向截取軌枕板和道床板剖面以顯示水平應(yīng)力，見圖6。

圖6 螺栓孔位置水平應(yīng)力(單位：Pa)

分析圖6可知：①在橫向力作用下沿支承反力方向螺栓孔受到螺栓壓力作用，壓應(yīng)力呈扇形分布，該壓應(yīng)力區(qū)相鄰位置拉應(yīng)力與水平方向的夾角大致為45 ℃，與現(xiàn)場照片中螺栓孔呈八字形開裂較為吻合。②該拉應(yīng)力最大值為2.58 MPa，超出C50混凝土最大抗拉強度設(shè)計值1.89 MPa，如果該處螺栓孔附近約束筋配置薄弱甚至無配筋，則沿螺栓孔受力方向容易產(chǎn)生裂縫，造成該處劈裂掉塊從而導(dǎo)致支承反力曲桿失效，危及行車安全。因此有必要在螺栓孔周圍加強環(huán)形約束筋。

3 軌枕板配筋設(shè)計

3.1 整體配筋設(shè)計

依據(jù)模型受力分析結(jié)果，并考慮混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，利用極限狀態(tài)設(shè)計方法對軌枕板進(jìn)行配筋計算，并驗算最大裂縫寬度是否滿足在T2碳化環(huán)境中限值0.2 mm[7-8]的要求。經(jīng)計算分析，軌枕板整體配筋計算結(jié)果見表2。

表2 軌枕板整體配筋計算結(jié)果

分析表2可知:①受力鋼筋采用直徑12 mm的HRB400級螺紋鋼筋，在260 mm等效寬度范圍內(nèi)上下層橫向配置3根受力鋼筋;箍筋為直徑6 mm、間距120 mm 的HRB400級圓鋼筋。②在軌枕板內(nèi)預(yù)留12根直徑12 mm的HRB400級螺紋鋼錨固筋，以保證軌枕板和道床板之間有可靠的整體性。③為保證氣缸推桿錨固螺栓孔和扣件螺栓孔具有有效的抗裂效果，在各個螺栓孔四周纏繞直徑3 mm的螺旋鋼絲。同樣為保證承軌臺擋肩抗剪性能，在擋肩范圍增加2根直徑12 mm的HRB400級螺紋鋼筋，以加強局部混凝土的防裂性能。

經(jīng)過計算分析和有針對性地配筋，最終確定軌枕板整體配筋如圖7所示。

圖7 軌枕板整體配筋(單位：mm)

3.2 螺栓孔及擋肩局部配筋設(shè)計

依據(jù)承軌臺擋肩剪切破壞和螺栓孔開裂2種病害的受力分析結(jié)果，確定了應(yīng)力薄弱的位置，有針對性地對螺栓孔和擋肩進(jìn)行構(gòu)造配筋[9-12]。螺栓孔和承軌臺擋肩局部配筋如圖8所示。

圖8 螺栓孔和承軌臺擋肩局部配筋(單位：mm)

在圖8(a)中，每個預(yù)留螺栓孔周圍均配置了直徑3 mm螺旋鋼絲，但是僅靠螺旋鋼絲固定只能保證預(yù)留孔四周不會出現(xiàn)局部拉壓裂縫，不能保證孔間或者孔至道床板邊緣不出現(xiàn)八字形裂紋。由于該處水平推力較大，易產(chǎn)生曲桿螺栓孔沿對角方向八字形開裂，呈現(xiàn)混凝土劈裂破壞特征，因此在此處需要配置較密的箍筋，編號13,14箍筋各纏繞2個螺栓孔，使其具有較好的整體性，增強其抗裂能力。

在圖8(b)中，為增強擋肩抵抗橫向力作用，在各單側(cè)擋肩中配置2 根直徑12 mm的抗剪筋，其傾斜角度與承軌臺側(cè)面保持相同，使抗剪筋末端延伸至擋肩頂面混凝土保護層厚度35 mm的位置，并與承軌臺水平箍筋綁扎形成整體框架，使其具有較好的抗剪性能。

4 應(yīng)用情況

目前，30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)各路網(wǎng)編組站中，如重慶興隆場、哈爾濱南、柳州南、向塘西、株洲北等站。部分編組站應(yīng)用現(xiàn)場見圖9和圖10。

圖9 黃島編組站圖10 哈爾濱南站

經(jīng)過5年多的應(yīng)用實踐，絕大部分軌枕板幾乎無典型病害發(fā)生，只有極個別軌枕板偶然發(fā)生軌枕板側(cè)與道床間出現(xiàn)離縫等現(xiàn)象，是由于現(xiàn)澆混凝土道床施工質(zhì)量較差造成的。通過在各編組站的大量應(yīng)用，該30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板經(jīng)受住了長期大軸重、高頻次沖擊，說明具有可靠的穩(wěn)定性和耐久性。該軌枕板在部分路網(wǎng)編組站中的鋪設(shè)及養(yǎng)護情況見表3。

表3 部分路網(wǎng)編組站軌枕板鋪設(shè)及養(yǎng)護情況

由表3可以看出：從2013年鋪設(shè)至今，在重要路網(wǎng)編組站中總共已鋪設(shè) 2 772 根30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板，南至廣州局，北至哈爾濱局，該軌枕經(jīng)受住了酷暑和嚴(yán)寒的環(huán)境溫度考驗，具有較好的適應(yīng)性。經(jīng)對使用單位回訪，發(fā)現(xiàn)只有極個別道床離縫，各使用單位暫未對軌枕板養(yǎng)護維修，與普通軌枕板相比經(jīng)濟效益明顯提高。

因此，在滿足30 t軸重編組列車荷載條件下，減速器軌枕板結(jié)構(gòu)外形尺寸和局部構(gòu)造按照新技術(shù)、新方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，具有較好的適用性、安全性、耐久性和經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

1)既有軌枕板的承軌臺擋肩尺寸較小且配筋不合理，螺栓孔周圍約束筋薄弱是承軌臺擋肩碎裂、螺栓孔開裂等病害發(fā)生的主要原因。

2)軌枕板寬度和厚度對整個結(jié)構(gòu)靜力特性影響較大，設(shè)計時需結(jié)合經(jīng)濟性、施工性、工藝性能等各方面因素，確定一個較為合理的取值范圍。本文30 t 軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板取各參數(shù)中間值較為合理。

3)利用極限狀態(tài)設(shè)計方法對軌枕板配置了主要受力筋，并對承軌臺配置了受彎縱向筋和橫向封閉抗剪箍筋，也在螺栓孔周圍加強環(huán)形約束筋。

4)在部分路網(wǎng)編組站內(nèi)鋪設(shè)應(yīng)用表明，新型30 t軸重車輛減速器預(yù)制軌枕板承載能力和抗裂效果良好，無病害發(fā)生，養(yǎng)護維修量少，具有較好的適用性、安全性、耐久性和經(jīng)濟性。