30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕設計與試驗研究

林紅松 顏 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕設計與試驗研究

林紅松 顏 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著重載鐵路軸重和年運量的增加，軌枕的承載能力和疲勞壽命將有所降低，為保證重載鐵路的運輸安全，有必要開展30 t及以上軸重的重載軌枕設計研究。文章結合我國重載鐵路的運營特點，以Ⅲ型混凝土軌枕為基礎，提出了通過適當增大軌枕斷面和預應力鋼筋、減小軌枕擋肩傾角等措施來提高軌枕承載能力的方案，并根據重載鐵路軌枕的結構設計，計算分析了軌下及軌中截面承載能力彎矩及靜載和疲勞強度試驗值，在此基礎上開展了軌枕的靜載抗裂和疲勞試驗。研究結果表明：采用上述措施后的重載軌枕的承載力彎矩大于荷載彎矩；重載軌枕能夠滿足國內標準的相關試驗要求和30 t軸重重載鐵路的使用要求，研究結果可為30 t軸重重載鐵路軌枕的設計與試驗提供參考。

重載鐵路； 混凝土軌枕； 結構設計； 承載力； 試驗研究

近年來，重載鐵路運輸在世界范圍內迅速發展，美國、澳大利亞、加拿大等國家在重載鐵路中已開始運營30 t軸重及以上的重載列車，并取得了一定的運營經驗。我國重載鐵路目前仍以運營25 t軸重列車為主，缺乏30 t軸重及以上線路的運營經驗。隨著重載列車速度的提高、軸重及運量的增加，易造成軌道結構傷損增加。近年來，多次線路調查結果表明，我國重載線路上的混凝土軌枕出現了一定程度的傷損，如擋肩破損、軌枕軌下及中間截面橫向裂紋等。

目前，我國既有線上大量鋪設的Ⅲ型及Ⅱ型軌枕的設計軸重為25 t。隨著重載鐵路軸重和年運量的增加，軌枕的承載能力和疲勞壽命將有所降低，為保證重載鐵路的運輸安全，有必要開展30 t及以上軸重的重載軌枕設計研究，從而滿足30 t及以上軸重重載鐵路的運營條件。

1 軌枕設計方法

1.1 荷載彎矩

軌枕壓力計算采用TB 2034-1988《鐵路軌道強度檢算法》，采用連續彈性基礎梁模型計算。軌枕枕上垂直動壓力設計值計算公式為：

Rd=γ(1+α)P0

(1)

式中：Rd——軌枕枕上垂直動壓力(kN)；γ——輪重分配系數，與軌枕間距、扣件剛度、車輪軸距、鋼軌型式等有關；

α——動載系數，取1.5；

P0——靜輪重，取設計軸重的一半。

軌枕關鍵截面主要分為軌下截面與枕中截面，彎矩計算根據TB 2034-1988《鐵路軌道強度檢算法》，軌下截面與枕中截面彎矩計算，如圖1所示。

圖1 軌枕彎矩計算圖

軌下截面彎矩計算公式為：

(2)

枕中截面彎矩計算公式為：

(3)

式中：a1——荷載作用點至枕端距離，取a1=54 cm；

e——一股鋼軌下軌枕的全支承長度，取e=95 cm；

b'——軌下襯墊寬度，一般取軌底寬(cm)；

Ks——軌枕設計系數，取1；

l——軌枕長度(cm)。

1.2 預應力損失

根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》的相關要求，確定混凝土軌枕的預應力損失。

(1)錨具變形和鋼筋內縮引起的預應力損失

(4)

式中：a——張拉端錨具變形和預應力內縮值(mm)；

l——張拉端至錨固端之間的距離(mm)；

Es——預應力鋼筋彈性模量(MPa)。

(2)預應力筋的摩擦損失

由于Ⅲ型軌枕采用先張法施工，故不考慮預應力筋的摩擦損失。

(3)預應力筋的應力松弛

(5)

式中：σcon——控制張拉應力；fptk——預應力鋼筋抗拉強度標準值。

(4)混凝土的收縮徐變

(6)

式中：σpc——受壓區預應力鋼筋合力點處的混凝土法向壓應力；

ρ——截面預應力鋼筋和普通鋼筋配筋率，由于普通鋼筋影響較小，只考慮預應力鋼筋。

1.3 軌枕抗裂彎矩及試驗荷載

根據TB/T 2190-2002《預應力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》，軌枕靜載抗裂要求在脫模后48 h內完成，同時放張時混凝土抗壓強度不低于設計強度的75%，故在計算混凝土截面靜載抗裂承載彎矩時，對C60混凝土，使用C45混凝土的抗拉、抗壓強度。

Mcr=(σpc+1.75ftk)W0

(7)

式中：Mcr——軌枕截面靜載抗裂彎矩；σpc——混凝土受拉邊緣的法向預拉應力；ftk——混凝土抗拉強度標準值，根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》取值；

W0——換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

根據TB/T 1879-2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》，檢驗荷載F由下式計算

F=7.273Mcr

(8)

1.4 設計承載彎矩及試驗荷載

疲勞(設計)承載彎矩根據下式進行計算。

Mf=(σpc+0.7ft)W0

(9)

式中：Mf——軌枕截面疲勞(設計)承載彎矩；ft——混凝土抗拉強度設計值。

同時，受壓區混凝土邊緣壓應力計算公式為：

(10)

疲勞試驗荷載：

Fmax=(1.05～1.1)F

(11)

1.5 破壞承載彎矩

軌枕截面受彎極限(破壞)承載彎矩根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》進行計算：

(12)

(13)

由于Ⅲ型軌枕全截面受到壓應力，故受拉區混凝土相關計算項不予考慮，上式簡化為：

(14)

α1fcbx=fpyAp

(15)

2 軌枕設計方案

2.1 設計基本參數

30t軸重重載鐵路軌枕設計基本參數，如表1所示。

2.2 軌枕設計彎矩

根據軌枕設計方法及主要設計參數，計算得到30t軸重重載鐵路軌枕的設計彎矩如表2所示。

表1 重載軌枕主要設計參數

表2 軌枕設計彎矩

2.3 軌枕結構設計

軌枕定位為整體式單塊預應力混凝土軌枕，考慮有擋肩軌枕的橫向抵抗能力更強，因此重載軌枕設計為有擋肩型式。同時針對重載鐵路軌枕受力特點，為提高軌枕抗彎承載力及擋肩橫向承載力，以增大軌枕斷面和配筋為主要方式。Ⅲ型軌枕是由Ⅰ、Ⅱ型軌枕發展而來，是國內有砟軌道線路的主要軌枕，且Ⅲ型軌枕最早是按25 t軸重條件設計的。因此，以國內應用成熟的Ⅲ型有擋肩軌枕為基礎進行軌枕設計，在既有線更換升級軌枕方面，具有優越性。設計的30 t軸重重載軌枕結構尺寸，如圖2所示。

圖2 重載軌枕結構設計(mm)

2.4 結構設計特點

30 t軸重軌枕結構方案主要有以下特點：

(1)為提高重載軌枕的擋肩承載能力，優化傳力方向，承軌槽兩底腳采用凹槽設計；

(2)承軌槽擋肩與承軌面的夾角由III型有擋肩軌枕的120°調整為100°；

(3)在擋肩處增加箍筋，提高擋肩橫向承載能力；

(4)采用C60混凝土，10φ8的螺旋肋鋼絲，總張拉力480 kN；

(5)主體尺寸與III型有擋肩軌枕基本相同。

2.5 軌枕承載能力檢算

30 t軸重重載軌枕采用C60混凝土，其軸心抗壓強度標準值fck=38.5 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk=2.85 MPa，軸心抗壓強度設計值fc=27.5 MPa，軸心抗拉強度設計值ft=2.04 MPa，彈性模量為 36 000 MPa。重載軌枕采用10φ8的螺旋肋鋼絲，鋼絲的截面積為50.3 mm2，預應力鋼絲的抗拉強度標準值fptk=1 570 MPa，預應力鋼絲的抗拉強度設計值 1 110 MPa，抗壓強度設計值為410 MPa，彈性模量為2.05×105MPa。根據軌枕設計方法及材料參數，預應力鋼筋控制張拉應力為954.9 MPa，預應力損失合計約134.8 MPa，軌下斷面受壓區邊緣混凝土應力為7.5 MPa、枕中斷面受壓區邊緣混凝土應力為11.9 MPa。30 t軸重重載鐵路軌枕的承載能力檢算結果，如表3所示。

表3 承載能力檢算

從表3可見，新型軌枕可以滿足30 t軸重重載鐵路的承載能力要求。

3 軌枕室內試驗

為進一步驗證重載鐵路軌枕能滿足30 t軸重重載鐵路的運營要求，參照TB/T 1879-2002《預應力混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》和TB/T 1878-2002《預應力混凝土軌枕疲勞試驗方法》，進行了軌枕靜載抗裂和疲勞強度試驗。軌枕靜載抗裂和疲勞強度試驗項目包括軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩兩個力學參數，且靜載和疲勞的加載圖示基本相同，其中軌下截面和中間截面靜載試驗圖示，如圖3所示。

圖3 軌枕靜載試驗圖示(mm)

在軌枕承載能力計算結果基礎上適當增大，重載鐵路軌枕靜載試驗的軌下檢驗荷載取215 kN，中間截面檢驗荷載取180 kN，軌下截面疲勞檢驗荷載最大值取230 kN，中間截面疲勞檢驗荷載最大值取190 kN。

通過對30 t軸重靜載抗裂重載鐵路軌枕在室內進行靜載抗裂和疲勞強度試驗，試驗結果表明，在開裂檢驗荷載下，未發現軌枕開裂；軌枕軌下截面和枕中截面實際開裂荷載分別為277 kN、236 kN；疲勞試驗結果表明，軌枕在經過200萬次疲勞循環荷載后卸載，未發現裂紋。試驗結果表明重載軌枕能滿足檢驗標準的要求，且有一定的安全余量。

4 結論

本文結合我國重載鐵路的運營特點，按照國內相關標準對30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕開展了設計及試驗研究，得到如下結論：

(1)通過增大軌枕斷面、提高預應力鋼筋面積等措施，可有效提高軌枕承載能力。

(2)按照國內標準對新型重載軌枕開展了室內試驗研究，新型重載軌枕的靜載抗裂和疲勞試驗結果均滿足相關要求，表明新型重載軌枕能滿足30 t軸重重載鐵路的使用要求。

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Research on Design and Experiment of Concrete Sleeper Suitable for 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

LIN Hongsong YAN Hua

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.，Chengdu 610031, China)

With the increase of axle load and annual volume of traffic of heavy haul railway, carrying capacity and fatigue life of the sleeper are decrease to some extent. In order to ensure the transport safety, it is necessary to study the concrete sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway. Considering of the operation characteristics of heavy haul railway in China, the measures were taken to improve the bearing capacity of sleeper such as increase of the cross section of sleeper and prestressed reinforcement, decrease of the angle of sleeper shoulder based on the type Ⅲ concrete sleeper in this paper. According to the structural design of heavy haul railway sleeper, the bearing capacity of rail seat and sleeper center section, static load and fatigue test value were calculated and analyzed, and the static load crack resistance and fatigue test were carried out. The research results show that the bearing bending moment of concrete sleeper for heavy haul railway is greater than the load bending moment after adopted these measures. The heavy haul railway sleeper can meet the experimental requirements of China’s technical standards and the operating requirements of 30t axle load heavy haul railway. Research results can provide references for the design and experiment of sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway.

heavy haul railway; concrete sleeper; structural design; bearing capacity; experimental research

2015-12-29

林紅松(1982-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)03—0069—05

U213.3

A