復(fù)合材料合成軌枕受力分析及在鋼橋明橋面上的應(yīng)用

凌烈鵬 王冬立 張煒

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100038；3.保定京鐵軌道裝備有限公司，河北保定 071051）

木枕具有重量輕、彈性好、絕緣性好、制造容易、受周圍介質(zhì)的溫度變化影響小、更換簡便等優(yōu)點(diǎn)，在世界鐵路建設(shè)初期得到廣泛應(yīng)用，我國早期的鐵路鋼桁梁橋幾乎都是采用明橋面木枕結(jié)構(gòu)形式。但鋼橋明橋面木枕在長期應(yīng)用中暴露出很多缺點(diǎn)，主要包括［1-3］：木枕易腐蝕、易開裂、使用壽命短、質(zhì)量離散性大，一般使用壽命僅有5～10年，部分材質(zhì)差的木枕使用壽命甚至只有1～2 年；木枕表面承壓能力差、防腐不環(huán)保，且其附屬件存在扣件保持能力差、道釘易松弛、鉤頭螺栓易松動(dòng)和錯(cuò)位等問題。上述缺點(diǎn)造成了鋼橋明橋面的線路穩(wěn)定性不佳、軌枕與橋面及鋼軌連接性下降較快且離散性大、橋梁的振動(dòng)響應(yīng)大、養(yǎng)護(hù)維修工作量大等問題。

隨著既有線運(yùn)營速度、軸重及運(yùn)量的不斷提高，鋼橋明橋面木枕的維修工作量成幾何級(jí)增大，與既有天窗維修模式的矛盾日益突出，且滿足軌枕使用要求的木材資源比較匱乏，因此有必要采用一種新型的復(fù)合材料合成軌枕代替木枕。

1 復(fù)合材料合成軌枕

1.1 合成軌枕簡介

復(fù)合材料合成軌枕［4-7］是指將玻璃纖維增強(qiáng)材料（纖維束、纖維布、氈）、不飽和聚酯樹脂及輔助材料（催化劑、固化劑、紫外線吸收劑、填料等）在高溫條件下通過拉擠成型生產(chǎn)出的一種中空結(jié)構(gòu)新型合成軌枕，其生產(chǎn)線如圖1 所示。該軌枕最大的優(yōu)點(diǎn)是充分利用纖維增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和樹脂材料的彈性，其結(jié)構(gòu)布置及生產(chǎn)工藝根據(jù)軌枕受力特性進(jìn)行了優(yōu)化，綜合了傳統(tǒng)的混凝土軌枕強(qiáng)度高和木枕彈性好的特性。

圖1 合成軌枕拉擠成型生產(chǎn)線

與木枕相比，合成軌枕具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、使用壽命長、軌距保持能力好、扣件安裝靈活及生產(chǎn)機(jī)械化、連續(xù)化等優(yōu)點(diǎn)。合成軌枕扣件見圖2。

圖2 合成軌枕扣件

1.2 合成軌枕性能參數(shù)

合成軌枕性能參數(shù)測試主要包括本體取樣性能參數(shù)和整體強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)。由于目前還沒有相關(guān)的合成軌枕標(biāo)準(zhǔn)，木枕也無相應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，因此在合成軌枕研究過程中采用的試驗(yàn)方法均以既有混凝土軌枕及相應(yīng)扣件標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。合成軌枕試驗(yàn)樣本的截面尺寸為24 cm（寬）×15 cm（高），單位質(zhì)量為25.54 kg/m，其取樣性能參數(shù)和整體強(qiáng)度參數(shù)分別見表1和表2。

表1 合成軌枕本體取樣性能參數(shù)

表2 合成軌枕整體強(qiáng)度參數(shù)

由表1 和表2 可知，合成軌枕的力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木枕，部分指標(biāo)甚至優(yōu)于混凝土軌枕；與木枕相比，其各項(xiàng)指標(biāo)均可進(jìn)行量化分析、檢驗(yàn)，工廠化生產(chǎn)的成品質(zhì)量一致性好。

2 合成軌枕在鋼橋上的受力分析

根據(jù)明橋面軌枕受力計(jì)算方法對(duì)合成軌枕在鋼橋上受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析［8］，并與木枕進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算時(shí)將鋼軌簡化為彈性支承在軌枕上的連續(xù)梁，每個(gè)輪重分配到多根軌枕上，近輪重處軌枕承受較大荷載，越遠(yuǎn)越小。輪重分配于軌枕的根數(shù)（3，5或7根）以及軌枕受力的大小與鋼軌和軌枕的剛度、軌枕排列的間距及縱梁或主梁中心距等因素有關(guān)。將軌枕簡化為支承在縱梁或主梁上的簡支梁，荷載包括軌枕承受的恒載和由鋼軌傳遞來的活載，不考慮護(hù)軌和鉤頭螺栓的影響。明橋面軌枕受力近似計(jì)算簡圖見圖3。其中：a為軌枕間距；C為縱梁與鋼軌中心間距；l為縱梁中心間距；P為輪重；Pi為分配在各枕上的載重；Ri為縱梁支點(diǎn)反力。

圖3 明橋面軌枕受力近似計(jì)算簡圖

2.1 計(jì)算參數(shù)

鋼橋明橋面參數(shù)包括［9］：荷載采用中-荷載（軸重22 t）；鋼軌軌型為60 kg/m；軌距為1 435 mm；a=41 cm；l=2.0 m；C=246 mm。在計(jì)算中選取了已開發(fā)的2種試驗(yàn)截面的復(fù)合材料合成軌枕（圖4），其截面參數(shù)見表3。

圖4 合成軌枕截面（單位：mm）

表3 合成軌枕截面參數(shù)

2.2 軌枕受力分布

軌道結(jié)構(gòu)受力分布基本在5 根軌枕范圍內(nèi)，分析在失效和正常狀態(tài)下5 根枕軌的受力情況：①每隔1 根軌枕就有1 根軌枕失效（即3 根軌枕分擔(dān)輪重）；②所有軌枕均能正常工作（即5根軌枕分擔(dān)輪重）。各軌枕的受力分配系數(shù)k計(jì)算式如下［4-5］。

當(dāng)k＞1/3 時(shí)，1 個(gè)輪的作用力分布在3 根軌枕上，各軌枕的受力分配為

當(dāng)k≤1/3 時(shí)，1 個(gè)輪的作用力分布在5 根軌枕上，各軌枕的受力分配為

由上述參數(shù)計(jì)算出3 根和5 根軌枕受力分布，見圖5。可知，合成軌枕2與木枕的受力分布基本一致。

圖5 不同數(shù)量的軌枕受力分布

2.3 截面最大應(yīng)力分析

軌枕截面最大拉壓應(yīng)力、層間剪應(yīng)力及跨中最大撓度［10-11］計(jì)算式分別為

式中：σ拉max，σ壓max分別為截面最大拉、壓應(yīng)力，MPa；τ層間max為截面最大層間剪切應(yīng)力，MPa；Mmax為軌枕承受的最大彎矩，N·mm。

軌枕承受的荷載由恒載和活載組成，恒載一般取6akN/m，活載P1為軌枕受力最不利情況下荷載（僅有3 根軌枕受力），不考慮沖擊影響，P1取靜輪重的1.1倍。軌枕承受的最大彎矩Mmax及剪力Qmax分別為

式中，q為均布荷載。

由于合成軌枕與縱梁之間增加了托板，因此計(jì)算截面應(yīng)力及撓度時(shí)均采用合成軌枕截面尺寸，而木枕剪應(yīng)力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮縱梁位置刻槽，按高度減30 cm進(jìn)行計(jì)算。軌枕截面應(yīng)力及撓度見表4。

表4 軌枕截面應(yīng)力及撓度

由表4可知，在軌枕受力最不利情況下，合成軌枕的截面拉壓應(yīng)力小于其容許應(yīng)力的10%，層間剪應(yīng)力只有其極限應(yīng)力的50%，承載力有較大的富余；而木枕的拉壓應(yīng)力及層間剪應(yīng)力均已達(dá)到木材的極限值。另外，合成軌枕2與木枕的跨中撓度基本一致，即截面抗彎剛度（EI）基本一致。

3 合成軌枕在明橋面上安裝分析

合成軌枕主要針對(duì)特殊地段開發(fā)應(yīng)用，如鋼橋明橋面，須重點(diǎn)考慮其在明橋面上安裝實(shí)施的問題。

3.1 合成軌枕截面優(yōu)化

合成軌枕2 與木枕截面抗彎剛度一致，可作為替代木的最佳尺寸?？紤]與扣件、縱梁及鉤頭螺栓的安裝問題，對(duì)合成軌枕截面形式進(jìn)行優(yōu)化（圖6），增設(shè)底面凸肋，用于軌枕底托安裝使用。

圖6 合成軌枕截面設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.2 扣件選擇及連接方式

鋼橋明橋面木枕采用K 型扣件，為無擋肩結(jié)構(gòu)扣件，因此合成軌枕也使用該類扣件。典型的無擋肩扣件包括WJ-7 型、DT-Ⅱ型扣件等，具有扣壓力大、彈性好、軌距保持能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

合成軌枕為等截面中空結(jié)構(gòu)，可在軌枕上安裝具有承軌槽的鐵墊板。中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司針對(duì)該合成軌枕及明橋面木枕開發(fā)了MQ-1 型扣件（圖7）［12］，在扣件連接設(shè)計(jì)上充分利用了軌枕的中空結(jié)構(gòu)，在軌枕內(nèi)腔設(shè)置貝母，用于固定與鐵墊板連接的錨固螺栓。

圖7 MQ-1型扣件安裝示意（單位：mm）

3.3 與縱梁連接方式

由于鋼橋明橋面上設(shè)有預(yù)拱度、縱橫梁平交螺栓、防爬角鋼等，因此軌枕在縱梁不同位置的安裝高度也有所差別。對(duì)于木枕來說，一般在其底部刻槽，通過調(diào)整刻槽深度和刻槽位置滿足不同安裝位置要求。合成軌枕在滿足使用強(qiáng)度和撓度要求的前提下，截面尺寸相對(duì)較小，因此在既有明橋面上有足夠的空間調(diào)整安裝高度。

本項(xiàng)目采用一種可調(diào)節(jié)的底托標(biāo)準(zhǔn)件組合結(jié)構(gòu)（圖8），底托標(biāo)準(zhǔn)件由不同厚度和型號(hào)的調(diào)高墊板、軌枕底托組成，可適應(yīng)不同縱梁位置安裝，減少現(xiàn)場作業(yè)量。軌枕底托與軌枕底部凸肋形成縱橫向限位以保證底托的穩(wěn)定性。

3.4 鉤頭螺栓連接方式

圖8 合成軌枕底托組合

合成軌枕可直接采用木枕鉤頭螺栓的安裝方式。木枕開槽后若現(xiàn)場處理不得當(dāng)，內(nèi)部更加容易腐朽，而合成軌枕無材質(zhì)腐朽問題且抗壓強(qiáng)度高，能有效地發(fā)揮鉤頭螺栓的防轉(zhuǎn)動(dòng)止擋作用。通過對(duì)鉤頭螺栓的安裝進(jìn)行優(yōu)化，利用中空結(jié)構(gòu)內(nèi)置貝母及內(nèi)腔阻止貝母轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)，借助安裝工藝孔安裝鉤頭螺栓貝母。該方案不僅防止鉤頭螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，也增加了對(duì)螺栓的防護(hù)。

4 結(jié)論

1）復(fù)合材料合成軌枕強(qiáng)度指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于木枕，可進(jìn)行量化指標(biāo)檢驗(yàn)，其使用壽命、質(zhì)量一致性相對(duì)木枕均具有較大優(yōu)勢。

2）復(fù)合材料合成軌枕在滿足明橋面使用要求的前提下，其應(yīng)力還有較大富余，截面尺寸可調(diào)整空間大，安裝操作及結(jié)構(gòu)部件可標(biāo)準(zhǔn)化，減少了現(xiàn)場作業(yè)工作量。

3）將木枕更換為復(fù)合材料合成軌枕，其承載能力及撓度變形均符合既有木枕明橋面要求。

根據(jù)復(fù)合材料合成軌枕的研究成果，建議選擇一座鋼橋明橋面進(jìn)行試鋪，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測試，以獲取復(fù)合材料合成軌枕完整的參數(shù)指標(biāo)。