齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究

代 豐,楊吉忠,楊文茂,蔣 堯

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

我國山地資源豐富多樣、生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)現(xiàn)山地資源可持續(xù)利用對(duì)構(gòu)建山地經(jīng)濟(jì)體系和帶動(dòng)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。伴隨旅游軌道交通的蓬勃發(fā)展，齒軌鐵路因其地形適應(yīng)能力強(qiáng)、土地資源占用少、載客運(yùn)量大、能源消耗低和可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)輪軌鐵路的互聯(lián)互通等優(yōu)勢(shì)，逐漸被廣泛應(yīng)用于旅游交通和山區(qū)支線等大坡度地段[4-9]。作為鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部件，軌枕具有固定鋼軌位置、傳遞列車荷載、保持鋼軌軌距的功能。齒軌鐵路軌枕既應(yīng)兼顧普通輪軌鐵路使用功能，還須為與列車齒輪嚙合的齒條提供承力面，考慮到山區(qū)鐵路服役環(huán)境復(fù)雜、養(yǎng)護(hù)維修困難，這對(duì)齒軌鐵路軌枕的堅(jiān)固性、耐久性等提出了更高的要求。

國內(nèi)針對(duì)齒軌鐵路軌枕研究尚處于起步階段，主要包括國外齒軌鐵路軌枕應(yīng)用介紹[10-11]以及齒軌鐵路無砟軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]?；钚苑勰┗炷潦?0世紀(jì)90年代法國BOUYGUES實(shí)驗(yàn)室研制的一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的超高性能混凝土材料[13-16]，具有優(yōu)越的力學(xué)性能和高耐久性，在Sherbrooke步行橋、伊利諾伊州圓形屋蓋、法國核電站冷卻塔及我國青藏鐵路凍土區(qū)橋梁等應(yīng)用良好。新材料的應(yīng)用是工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力[17-18]，目前尚無活性粉末混凝土用之于鐵路軌枕的相關(guān)研究。本文結(jié)合山地齒軌鐵路的工程特點(diǎn)，通過分析齒軌鐵路軌枕技術(shù)要求和活性粉末混凝土用于軌枕結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)配比，提出齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)方案，并通過理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)研究了軌枕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為滿足齒軌鐵路運(yùn)營條件的軌枕結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供參考。

1 齒軌鐵路軌枕技術(shù)需求

齒軌鐵路運(yùn)營線路縱坡大且滿足平地鐵路與山地鐵路無縫對(duì)接，對(duì)齒軌鐵路軌枕提出了更高的技術(shù)要求。與普通鐵路軌枕相比，齒軌鐵路軌枕服役環(huán)境更為惡劣、運(yùn)營條件更為復(fù)雜，齒軌鐵路軌枕應(yīng)滿足以下技術(shù)要求。

1.1 軌排結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性保持能力

當(dāng)列車在齒軌線路上運(yùn)行時(shí)，列車通過齒輪與齒條的嚙合來傳遞牽引力和制動(dòng)力，避免普通機(jī)車車輛在坡道線路黏著力不足的問題。普通鐵路輪軌系統(tǒng)受黏著力限制，坡度最大不超過30‰，齒軌鐵路最大運(yùn)行線路坡度可達(dá)480‰[4，8]。大坡道鐵路線路易造成道床阻力衰減和軌排穩(wěn)定性降低，對(duì)齒軌鐵路的行車安全性和平穩(wěn)性具有重要影響，因此齒軌鐵路軌枕應(yīng)具有長期保持軌排結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力。

1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

齒軌鐵路比普通鐵路在軌道中間多設(shè)置1條或多條特殊的齒形軌道，通過與齒軌列車配置的1個(gè)或多個(gè)齒輪間嚙合力傳動(dòng)。作為齒形軌道的承力結(jié)構(gòu)，齒軌鐵路軌枕結(jié)構(gòu)受荷條件復(fù)雜，不僅承受齒形軌道的垂向荷載，且軌枕中部承受的縱向荷載較大，易引起軌枕混凝土縱貫性開裂，軌枕應(yīng)具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.3 養(yǎng)護(hù)維修

齒軌鐵路是一種登山鐵路[5-6]，山地區(qū)域日溫差大、氣象多變，軌枕混凝土易承受頻繁的凍融循環(huán)作用，形成凍融破壞，并伴隨滲漏、碳化、土壤離子侵蝕等病害，復(fù)雜氣候條件下的山地環(huán)境縮短了齒軌鐵路的養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間，要求軌枕應(yīng)長期保持其使用功能。齒軌鐵路軌枕應(yīng)具有更高的耐久性，降低軌枕系統(tǒng)日常養(yǎng)護(hù)維修工作量。

1.4 抗震性能

山區(qū)鐵路多位于地震活躍帶，在地震力作用下混凝土結(jié)構(gòu)易發(fā)生延性破壞，應(yīng)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎曲變形能力。齒軌鐵路軌枕服役于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，應(yīng)具有較好的韌性和變形能力，以保證地震荷載作用下軌枕系統(tǒng)的可靠性。

2 活性粉末混凝土性能特點(diǎn)

活性粉末混凝土是一種超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。該材料通過提高組分的細(xì)度與活性，最大程度減少材料內(nèi)部的空隙與微裂紋，以獲得超高強(qiáng)度與高耐久性。原材料活性組分由水泥、超細(xì)礦物活性粉末、石英砂(粒徑小于1 mm)等構(gòu)成，活性組分粒徑在0.1 μm到1 mm之間?；钚苑勰┗炷裂兄谱裱韵禄驹瓌t。

(1)通過采用細(xì)骨料代替粗骨料、增大漿體彈性模量、降低骨料與漿體的配比，改進(jìn)基質(zhì)的勻質(zhì)性。

(2)通過優(yōu)化原材料級(jí)配和用量選擇，對(duì)新拌混凝土施加圍壓，提高混凝土拌和物的密實(shí)度。

(3)通過后凝固的熱處理加速混凝土的火山灰效應(yīng)，改變已形成的水化物的微觀結(jié)構(gòu)，改進(jìn)活性粉末混凝土的微結(jié)構(gòu)。

(4)通過摻入鋼纖維，改進(jìn)活性粉末混凝土的韌性，斷裂能可達(dá)2×104～4×104J/m2。

(5)保持?jǐn)嚢韬蜐仓M可能與現(xiàn)有習(xí)慣做法接近，以利工程應(yīng)用。

考慮工程實(shí)踐易操作性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，確定最佳活性粉末混凝土的配合比取值范圍如表1所示，不同強(qiáng)度等級(jí)活性粉末混凝土的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表1 活性粉末混凝土配合比取值 kg/m3

表2 活性粉末混凝土性能指標(biāo)

3 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

齒軌鐵路面向山地旅游軌道交通設(shè)計(jì)，具有軸重小、速度低的特點(diǎn)，采用米軌鐵路軌排結(jié)構(gòu)，齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕設(shè)計(jì)基本參數(shù)如表3所示。

表3 齒軌鐵路軌枕設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕按整體式預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕設(shè)計(jì)，為增大橫向抗力，考慮為有擋肩型式。以適應(yīng)低速、小軸重線路國內(nèi)應(yīng)用成熟的Ⅱ型有擋肩軌枕為基礎(chǔ)進(jìn)行軌枕設(shè)計(jì)，充分利用活性粉末混凝土的材料特點(diǎn)，有效降低軌枕截面高度。設(shè)計(jì)的齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)包括軌枕、鋼軌扣件預(yù)埋套管、齒軌扣件預(yù)埋套管等主要構(gòu)件，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。

(1)軌枕中部設(shè)計(jì)平整，預(yù)留齒軌安裝空間，承齒臺(tái)側(cè)面與軌枕頂面倒角順接，倒角順接角度168°。

(2)為充分發(fā)揮活性粉末混凝土的強(qiáng)度性能優(yōu)勢(shì)，軌枕混凝土采用RPC140混凝土，沿縱向雙層配8根φ7 mm螺旋肋鋼絲，總張拉力363 kN。

(3)沿軌枕縱向布13根箍筋，在承軌臺(tái)擋肩處增設(shè)箍筋，以增大擋肩橫向承載能力。

(4)鋼軌和齒軌扣件預(yù)埋套管在軌枕兩端及承齒臺(tái)中部分別對(duì)稱布置。

(5)軌枕最大截面高度為160 mm，較常規(guī)Ⅱ型軌枕截面高度降低約30%。

圖1 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)(單位：mm)

4 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕力學(xué)性能

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)標(biāo)是保證超高性能混凝土軌枕服役期內(nèi)安全可靠的基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算，在考慮最大運(yùn)行線路坡度為120‰條件下，軌枕縱向受荷19 kN，相比垂向荷載小得多[19]，故本文從理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)兩個(gè)方面，著重對(duì)齒軌鐵路軌枕結(jié)構(gòu)垂向承載能力進(jìn)行分析。

4.1 理論分析

4.1.1 軌枕荷載彎矩

齒軌列車荷載通過鋼軌作用于軌枕，承軌部分的垂直壓力按式(1)計(jì)算。

Rd=γ·(1+α)·P0

(1)

式中Rd——軌枕枕上動(dòng)壓力；

γ——重分配系數(shù)；

α——綜合動(dòng)載系數(shù)。

軌枕軌下截面和枕中截面荷載彎矩計(jì)算圖示如圖2所示。

圖2 軌枕荷載彎矩計(jì)算圖示

軌下截面最大正彎矩由式(2)計(jì)算。

(2)

式中Ks——軌枕設(shè)計(jì)系數(shù)；

a1——鋼軌中心線至枕端的距離；

e——一股鋼軌下軌枕全支承長度；

b′——鋼軌底寬。

枕中截面最大負(fù)彎矩由式(3)計(jì)算。

(3)

式中l(wèi)——軌枕長度。

4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，計(jì)算混凝土軌枕的預(yù)應(yīng)力損失。

(1)張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的應(yīng)力損失σl1由式(4)計(jì)算。

(4)

式中α——張拉錨具變形和預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮值；

l——張拉端至錨固端之間的距離。

(2)對(duì)于鋼筋與管道的摩擦引起的應(yīng)力損失σl2，由于設(shè)計(jì)方案選用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絲，則σl2=0；

(3)對(duì)于當(dāng)采用蒸汽或其他方法加熱養(yǎng)護(hù)，由于鋼筋和張拉臺(tái)座之間的溫差引起的應(yīng)力損失σl3由式(5)計(jì)算。

σl3=2Δt

(5)

式中 Δt——混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間溫差。

(4)預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4由式(6)計(jì)算。

(6)

式中σcon——控制張拉應(yīng)力；

fptk——預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

(5)混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失σl5由式(7)計(jì)算。

(7)

式中σpc——受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處的混凝土法向壓應(yīng)力；

ρ——預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的配筋率。

4.1.3 軌枕靜載抗裂彎矩

(1)軌下截面

(8)

其中

(9)

式中σpe——軌下截面下邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力；

Npe——考慮鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的預(yù)應(yīng)力鋼筋合力；

A0——軌下截面換算截面面積；

e0——軌下截面預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)對(duì)截面形心的偏心距；

I0——軌下截面慣性矩；

yd——軌下截面換算截面形心至下邊緣的距離；

ftk——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

W0——軌下截面換算截面抗彎截面系數(shù)。

(2)枕中截面

(10)

其中

(11)

h′——枕中截面高度；

4.1.4 軌枕疲勞承載彎矩

(1)軌下截面

(12)

式中ft——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(13)

式中h——軌下截面高度。

(2)枕中截面

(14)

(15)

4.1.5 軌枕破壞承載彎矩

由于軌枕截面高度較小，預(yù)應(yīng)力鋼筋均勻?qū)ΨQ布置，且軌枕截面配筋率偏高，根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，由式(16)計(jì)算軌下截面破壞承載正彎矩和枕中截面破壞承載負(fù)彎矩。

fc·bi·x=fpy·Ap

(16)

4.1.6 軌枕試驗(yàn)荷載

軌枕靜載抗裂試驗(yàn)荷載F和疲勞試驗(yàn)荷載Fmax，分別依據(jù)TB/T 1879—2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》和TB18778—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕疲勞試驗(yàn)方法》，由式(17)和式(18)計(jì)算。

F=7.273Mcr

(17)

Fmax=1.05F

(18)

4.1.7 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕混凝土采用RPC140混凝土，其計(jì)算參數(shù)如表4所示。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)螺旋肋鋼絲，其計(jì)算參數(shù)如表5所示。

表4 軌枕混凝土計(jì)算參數(shù) MPa

表5 預(yù)應(yīng)力鋼筋計(jì)算參數(shù) MPa

根據(jù)前述軌枕承載能力計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)，得到齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕承載力學(xué)性能指標(biāo)如表6所示。

表6 軌枕承載力學(xué)性能指標(biāo)

4.2 室內(nèi)試驗(yàn)

為對(duì)照理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕承載力學(xué)性能，在滿足軌枕疲勞承載能力的條件下，因軌枕軌下截面和枕中截面破壞承載彎矩與疲勞承載彎矩之比均大于2，故在試制齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕后，只進(jìn)行軌枕靜載抗裂和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)[20]。

室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境溫度和相對(duì)溫度分別控制在(10～18) ℃和(41～52)%，3根試驗(yàn)樣品用于靜裂試驗(yàn)，6根用于疲勞試驗(yàn)。軌枕試驗(yàn)荷載基于理論計(jì)算結(jié)果適當(dāng)放大，齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕靜裂試驗(yàn)荷載軌下和枕中截面分別取值110 kN和90 kN，疲勞試驗(yàn)荷載軌下和枕中截面分別取值110 kN和85 kN。室內(nèi)試驗(yàn)過程如圖3和圖4所示。

圖3 軌下截面靜載抗裂試驗(yàn)

圖4 軌枕裂縫檢驗(yàn)

軌枕靜載抗裂試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)荷載持荷3 min后，試驗(yàn)軌枕均未產(chǎn)生裂縫。軌枕疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)軌枕經(jīng)200萬次疲勞循環(huán)荷載后卸荷，亦未發(fā)生裂縫?？梢婟X軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)滿足承載能力要求。

5 結(jié)論

根據(jù)山地齒軌鐵路的運(yùn)營特點(diǎn)，分析了齒軌鐵路軌枕的技術(shù)需求，研究了活性粉末混凝土用于齒軌鐵路軌枕結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)和配比取值，通過理論計(jì)算和試制試驗(yàn)對(duì)比分析了齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，得到結(jié)論如下。

(1)山地齒軌鐵路軌枕應(yīng)滿足軌排結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性保持能力、較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、易于養(yǎng)護(hù)維修、較好抗震性能的技術(shù)需求。

(2)活性粉末混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的材料特點(diǎn)，在齒軌鐵路領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)配比可用于齒軌鐵路軌枕結(jié)構(gòu)。

(3)采用RPC140混凝土，8根φ7 mm螺旋肋鋼絲雙層配筋，截面高度160 mm的齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕設(shè)計(jì)可滿足12 t設(shè)計(jì)軸重、40 km最大時(shí)速的齒軌鐵路承載能力要求，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮，軌枕結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步優(yōu)化。