40t軸重重載鐵路預應力混凝土軌枕設計研究

尤瑞林，范 佳，郄錄朝，李秋義

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北武漢 430063）

重載鐵路成為全球鐵路快速發(fā)展的一個重要方向。從國外發(fā)展重載運輸?shù)膶嵺`來看，鐵路貨運已成為大宗貨物運輸最為經(jīng)濟高效的方式［1-2］。澳大利亞主要發(fā)展大軸重重載鐵路，其FMG 鐵路軸重為40 t；美國重載列車的軸重為32.5～35.7 t；巴西重載列車的軸重大部分在32.5 t 以上，并計劃提高到37.5 t。中國已開展了大軸重重載鐵路的相關研究，成功建成國內(nèi)第1 條30 t 軸重重載鐵路——瓦日鐵路，但尚無成熟的40 t軸重重載鐵路軌道結構技術體系。為了滿足我國重載鐵路“走出去”的需求，推進重載鐵路技術國際化，有必要開展40 t 軸重重載鐵路的軌道結構研發(fā)工作，提出適用于40 t 軸重重載鐵路的軌道結構關鍵技術參數(shù)與關鍵部件結構［3］。

軌枕是有砟軌道結構的關鍵部件，一方面?zhèn)鬟f列車荷載，另一方面保持軌道結構幾何狀態(tài)［4］。軌枕通常按原材料類型分為木枕、混凝土枕、鋼枕和復合材料軌枕［5］，其中，混凝土軌枕強度高，穩(wěn)定性好，保持軌道幾何能力強，是重載鐵路主要采用的軌枕類型［6］。我國25 t軸重重載鐵路主要采用Ⅲa型軌枕，30 t軸重重載鐵路（如瓦日鐵路和蒙華鐵路）采用Ⅳa 型軌枕，但對于40 t軸重重載鐵路混凝土軌枕目前仍缺乏相關技術儲備。本文基于對國內(nèi)外混凝土軌枕設計標準的對比分析，開展了40 t軸重重載軌枕的設計研究，并完成了室內(nèi)試驗研究，為更大軸重重載鐵路軌道結構的發(fā)展應用提供技術儲備。

1 國內(nèi)外混凝土軌枕設計標準對比

世界主要的國家和地區(qū)均制定了相應的混凝土軌枕技術標準。北美地區(qū)采用北美鐵路工程和維修協(xié)會（AREMA）編寫的《AREMA 鐵路工程手冊 第4 部分：混凝土軌枕》［7］；歐洲地區(qū)采用EN 13230《鐵路應用軌道混凝土軌枕和岔枕》標準［8］；澳大利亞采用AS 1085.14《軌道結構材料第14 部分：預應力混凝土軌枕》標準［9-10］。中國也已經(jīng)發(fā)布了多項混凝土軌枕的行業(yè)標準，包括TB/T 2190－2013《混凝土枕》（適用于普速鐵路）、TB/T 3300－2013《高速鐵路有砟軌道預應力混凝土軌枕》等［10-11］。本文進行歐洲、北美及中國混凝土軌枕設計標準及相關規(guī)定的研究，對比分析國內(nèi)外混凝土軌枕設計方法之間的差異，并開展40 t 軸重重載軌枕的研究和設計工作。

1.1 枕上動壓力計算方法

列車運營過程中，軌枕承受鋼軌傳遞下來的荷載，荷載的大小不僅與列車軸重、運行速度、車輛狀態(tài)等外部因素有關，同時也與軌道幾何、道床狀態(tài)、軌道部件配置等線路因素有關［12］。軌枕承受的列車荷載是動態(tài)荷載，但在軌枕設計過程中通常將該動態(tài)荷載按準靜態(tài)荷載考慮，通過一定的附加系數(shù)來計算其導致的軌枕彎矩值，這就是設計所用到的枕上動壓力。

基于不同國家或地區(qū)混凝土軌枕設計中所采用標準的分析，可總結出不同國家或地區(qū)枕上動壓力的計算方法，見表1。

輪重分配系數(shù)γ與鋼軌類型、軌枕間距、軌道模量等因素有關，表1中γ的數(shù)值是各國家或地區(qū)針對常用軌道配置的推薦取值。

1.2 軌枕荷載彎矩計算方法

軌枕荷載彎矩計算公式一般是基于彈性地基梁理論來確立，但由于實際軌枕承受的荷載彎矩值受到軌枕底部道床支承狀態(tài)以及線路實際運營狀態(tài)的影響，不同國家或地區(qū)在具體荷載彎矩的計算公式中存在區(qū)別。通過對比不同國家或地區(qū)軌枕的設計標準，總結出混凝土軌枕荷載彎矩的計算方法，見表2［4］。表中數(shù)據(jù)是針對標準軌距、軌枕長度2.6 m、60 kg/m鋼軌等常規(guī)配置考慮的。

表1 不同國家或地區(qū)枕上動壓力的計算方法

表2 不同國家或地區(qū)軌枕荷載彎矩的計算方法

2 40t軸重重載鐵路軌枕荷載彎矩計算

上文基于不同國家或地區(qū)軌枕設計標準，對枕上動壓力、荷載彎矩計算方法進行了對比，以下將基于擬定的40 t 軸重重載鐵路典型工況（表3），開展軌枕荷載彎矩的計算。

表3 擬定的40 t軸重重載鐵路典型工況

基于上述運營條件及軌道結構基本配置情況，得到不同國家或地區(qū)軌枕荷載彎矩計算結果，見圖1。

由圖1可以看出：①由于國內(nèi)外軌枕荷載彎矩的計算方法不同，導致軌枕不同截面位置荷載彎矩的計算結果存在差異。對于40 t 軸重重載鐵路典型工況，北美地區(qū)標準計算出的軌下截面正彎矩顯著高于歐洲和中國標準的計算結果；②造成這種計算結果差異的原因除了荷載彎矩的計算方法有區(qū)別以外，還由于動載系數(shù)的取值差異較大。北美地區(qū)標準中軌枕的動載系數(shù)均按照3.0 考慮；中國標準中軌枕動載系數(shù)按普速、高速和重載鐵路3 種不同運營條件進行了區(qū)分；而歐洲標準中軌枕動載系數(shù)的取值則綜合考慮了列車速度、支承條件等多個因素。

另外，軌枕的設計過程不僅與荷載彎矩有關，還與軌枕材料的強度取值方法、混凝土結構設計標準、軌枕產(chǎn)品的檢驗標準等因素有關。例如，中國混凝土軌枕設計過程中混凝土強度采用設計值而非標準值，軌枕的檢驗荷載值是基于軌枕設計承載能力來確定的；而歐洲和北美混凝土軌枕設計過程中混凝土強度采用標準值，軌枕的檢驗荷載是直接基于荷載彎矩計算值來確定的，因此各國的軌枕設計理念具有一定的差異。

以下將根據(jù)中國的軌枕設計方法來提出40 t軸重重載鐵路混凝土軌枕的設計方案，然后采用國外軌枕的設計標準進一步進行室內(nèi)試驗驗證。

圖1 40 t軸重重載鐵路軌枕荷載彎矩計算結果

3 40t軸重重載鐵路軌枕設計方案

軌枕所用混凝土的28 d 強度等級為C60，預應力鋼絲的抗拉極限強度σb為1 570 N/mm2，預應力鋼絲的抗拉強度設計值fpy為1 070 N/mm2，預應力鋼絲的抗壓強度設計值fpy′為400 N/mm2，鋼絲松馳率為Ⅱ級松馳。設計軌枕的關鍵截面尺寸及配筋方案與Ⅲa 型軌枕（適用于25 t 軸重）和Ⅳa 型軌枕（適用于30 t 軸重）的對比見表4［4］。其余設計參數(shù)如混凝土抗拉強度設計值以及抗壓強度設計值、混凝土48 h 強度等級、混凝土抗拉標準值以及抗拉標準值、受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)等均按中國軌枕設計標準的規(guī)定取值。另外，在設計計算中應考慮養(yǎng)護時溫差、墩頭內(nèi)縮、鋼絲松馳等因素對鋼絲預應力損失的影響。設計完成軌枕的外形尺寸及配筋如圖2所示。

40 t 軸重重載軌枕采用的混凝土、預應力鋼筋等原材料與既有的Ⅲa型、Ⅳa型軌枕相同。根據(jù)軌枕外形尺寸及配筋方案，計算出40 t 軸重重載軌枕軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩承載能力分別為35.6，22.3 kN·m。通過與Ⅲa 型、Ⅳa 型軌枕的對比可以看出，40 t 軸重重載軌枕在質量提高相對較小的情況下即可滿足設計承載要求。

表4 軌枕的關鍵截面尺寸及配筋方案對比

圖2 40 t軸重重載鐵路軌枕設計方案示意（單位：mm）

4 40t軸重重載鐵路軌枕室內(nèi)試驗

為了進一步考察設計的40 t 軸重重載軌枕的性能，以下基于AREMA 標準，對試制的軌枕開展承載強度試驗。選擇AREMA 標準進行試驗，一方面是由于該標準中規(guī)定的檢驗值與現(xiàn)場的運營條件直接相關，另一方面是由于該標準規(guī)定的檢驗荷載值高于歐洲同類標準，檢驗條件更為嚴苛。

采用文獻［4］詳細介紹的AREMA 標準規(guī)定的試驗方法，并結合上節(jié)計算得到的荷載彎矩值，本次設計的40 t 軸重重載軌枕按AREMA 標準的規(guī)定得出的荷載檢驗值見表5。室內(nèi)試驗情況見圖3。

表5 40 t軸重重載軌枕按AREMA標準得到的荷載檢驗值kN

圖3 40 t軸重重載軌枕室內(nèi)試驗情況

室內(nèi)試驗結果表明：新研發(fā)的40 t 軸重重載軌枕的軌下截面及枕中截面的正、負彎矩靜載試驗結果均滿足AREMA 標準的相關要求，軌下截面正彎矩疲勞試驗結果也滿足該標準的要求，且具有較大安全余量。另外，按照AREMA 標準的規(guī)定還開展了預應力鋼絲黏結力發(fā)展及軌枕承軌面磨損試驗，試驗結果均滿足要求。

5 結論

1）由于國內(nèi)外混凝土軌枕動載系數(shù)取值方法及荷載彎矩的計算方法不同，導致軌枕不同截面位置荷載彎矩的計算結果存在差異。對于40 t軸重重載鐵路典型工況，北美地區(qū)標準計算出的軌下截面正彎矩顯著高于歐洲和中國標準的計算結果。按中國混凝土軌枕的設計標準計算，40 t 軸重重載軌枕的荷載彎矩為：軌下截面正彎矩30.3 kN·m，枕中截面負彎矩21.8 kN·m。

2）軌枕的設計過程不僅與荷載彎矩有關，還與軌枕材料的強度取值方法、混凝土結構設計標準、軌枕產(chǎn)品的檢驗標準等因素有關。按照中國設計方法設計完成的40 t軸重重載軌枕軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩承載能力分別為35.6，22.3 kN·m，通過與Ⅲa型、Ⅳa型軌枕的對比可以看出，40 t軸重重載軌枕在質量提高相對較小的情況下，滿足設計承載要求。

3）新研發(fā)的40 t軸重重載軌枕的軌下截面及枕中截面的正、負彎矩靜載試驗結果均滿足AREMA 標準的相關要求，軌下截面正彎矩疲勞試驗結果也滿足該標準要求，且具有較大安全余量。另外，按照AREMA標準的規(guī)定還開展了預應力鋼絲黏結力發(fā)展及軌枕承軌面磨損試驗，試驗結果均滿足要求。

本文通過總結梳理，詳細對比分析了歐洲、北美地區(qū)與中國混凝土軌枕荷載彎矩計算標準的異同，并結合40 t 軸重重載鐵路的運營條件，完成了40 t 軸重重載鐵路預應力混凝土軌枕的設計和室內(nèi)試驗驗證，為更大軸重軌道結構的發(fā)展應用提供了技術儲備。