重載鐵路快速彈條扣件配套軌枕設(shè)計

谷呈朋 袁憲利 李 苗 裴愛華

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.陜西靖神鐵路有限責任公司，陜西榆林 719000)

近年來，我國重載鐵路發(fā)展迅速，先后建成了大秦鐵路、朔黃鐵路、瓦日鐵路等重載貨運通道，國內(nèi)最長的重載煤運鐵路通道—蒙華鐵路，也在快速建設(shè)之中。作為承載鐵路運輸?shù)幕A(chǔ)，軌道工程技術(shù)也在不斷發(fā)展進步，為重載運輸?shù)陌l(fā)展創(chuàng)造了重要條件[1-2]。

靖神鐵路是蒙華鐵路集疏運系統(tǒng)的重要支線和陜西省內(nèi)最長的煤炭運輸鐵路，南起靖邊北站(與蒙華鐵路接軌)，北至神木西站(與包西鐵路接軌并連通紅檸鐵路)。設(shè)計運量近期5 100×104t，遠期7 200×104t，設(shè)計標準為國家Ⅰ級電氣化鐵路，將與蒙華鐵路同步建成。

重載鐵路運量大、軸重大、行車密度大、荷載作用時間長，軌道結(jié)構(gòu)所受沖擊較大，易造成軌道結(jié)構(gòu)的傷損，惡化軌道工作狀態(tài)[3]。軌道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與軌道部件尺寸、材料等參數(shù)有關(guān)[4]。美國、加拿大、巴西、南非等國在重載鐵路中采用了養(yǎng)護維修成本較低的快速彈條扣件系統(tǒng)，我國在合武、石太等客運專線也有該類型扣件的應(yīng)用。侯堯花[5]介紹了扣件預(yù)埋鐵座定位裝置的研制情況及定位裝置在軌枕生產(chǎn)中的工藝要點；張向輝[6]等介紹了與客運專線快速彈條扣件配套使用的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的生產(chǎn)制造技術(shù)；林紅松[7]等通過適當增大軌枕截面和增加配筋、減小軌枕擋肩傾角等措施，對30 t軸重混凝土軌枕進行了設(shè)計與試驗研究；杜香剛[8]結(jié)合國外重載軌枕形式，介紹了新型高穩(wěn)定性軌枕的設(shè)計和研發(fā)情況。

另一方面，軌枕作為有砟軌道結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，可起到有效降低道床垂向動力、延緩道床劣化等作用[9]。目前，針對重載鐵路軌枕的設(shè)計研究主要側(cè)重軌枕自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通常是從增加配筋、擴大枕底接觸面等方面對普通軌枕進行強化設(shè)計。快速彈條扣件作為一種新型扣件系統(tǒng)，在國外重載鐵路應(yīng)用較多；國內(nèi)軌枕設(shè)計多配套傳統(tǒng)彈條扣件，較少有針對快速彈條扣件的配套軌枕和橋枕設(shè)計。結(jié)合靖神鐵路工程，在既有國鐵Ⅲ型軌枕基礎(chǔ)上，針對快速彈條扣件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，進行配套軌枕及橋枕的設(shè)計。

1 快速彈條扣件簡介[10]

標準配置的FC-16扣件系統(tǒng)由快速彈條、絕緣帽、軌距擋塊、軌下墊板和預(yù)埋鐵座等組成(如圖1)。

圖1 快速彈條扣件系統(tǒng)

該扣件是一種無螺栓扣件系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是具有獨特的開關(guān)式橫向安裝結(jié)構(gòu)，能快速有效地進行安裝和拆卸，養(yǎng)護維修成本低。

國內(nèi)重載常用的扣件系統(tǒng)對軌枕的接口主要是通過預(yù)留錨固螺栓孔或預(yù)埋套管實現(xiàn)，生產(chǎn)控制較為簡單。快速彈條系統(tǒng)采用了特殊的預(yù)埋鐵座結(jié)構(gòu)，對漏出軌枕表面部分預(yù)埋件的定位要求比較高，需對幾處關(guān)鍵接口尺寸進行控制。目前，普通Ⅲb型軌枕模具及預(yù)埋件制作工藝不能滿足快速彈條扣件系統(tǒng)對軌枕的接口要求，需對扣件與軌枕接口進行配套設(shè)計。與傳統(tǒng)Ⅲ型橋枕相比，采用快速彈條扣件后，為適應(yīng)扣件功能并滿足相關(guān)規(guī)范要求，需調(diào)整橋枕尺寸，并對橋枕進行受力分析檢算。

2 配套軌枕設(shè)計

2.1 配套軌枕設(shè)計原則

結(jié)合靖神鐵路的工程實際及扣件結(jié)構(gòu)特點，配套軌枕設(shè)計原則如下：

(1)盡量采用成熟的設(shè)計方案，保證軌枕的承載能力不低于既有國鐵Ⅲ型枕。

(2)軌枕長度按2.6 m設(shè)計。

(3)預(yù)埋件接口工藝滿足FC-16型扣件系統(tǒng)的接口要求，并保證扣件安拆的空間要求。

(4)橋枕設(shè)計時，護軌與基本軌凈距為500 mm；護軌頂面與基本軌(60 kg/m或70 kg/m)頂面高差限差為-25～5 mm。

2.2 配套軌枕方案及接口設(shè)計

FC-16型扣件配套使用的Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕(簡稱ⅢFC16型枕)外形尺寸和結(jié)構(gòu)配筋采用了與Ⅲb型軌枕相同的設(shè)計方案，軌下高度維持不變，針對預(yù)埋件部分，按照快速彈條扣件系統(tǒng)的相關(guān)制造要求進行了接口設(shè)計。

根據(jù)FC-16型扣件系統(tǒng)的相關(guān)要求，軌枕預(yù)埋件的接口內(nèi)容包括：

①預(yù)埋鐵座抗拔力不小于70 kN；

②軌底坡設(shè)置在軌枕承軌面上；

③主要的控制尺寸包括兩承軌臺外側(cè)預(yù)埋件間距離、同一軌底內(nèi)外側(cè)預(yù)埋件間距離、預(yù)埋件對稱軸控制點(A點)至枕面高度、預(yù)埋件下部兩翼控制點(B、C點)至枕面高度等。

圖2 預(yù)埋件接口示意(單位:mm)

軌枕接口設(shè)計的重點是對生產(chǎn)制造過程中關(guān)鍵尺寸的控制要求，預(yù)埋鐵座的控制尺寸均需通過專用量具及角度尺等進行檢查(如圖2所示)。

在新Ⅲ型混凝土橋枕基礎(chǔ)上，結(jié)合快速彈條扣件系統(tǒng)及工程特點對軌下截面進行了優(yōu)化，提出軌下高度分別為227.5 mm、215.5 mm和211 mm的三個設(shè)計方案。其中，軌下高度227.5 mm方案便于快速彈條扣件安拆，軌下承載能力也最大，但對換軌適應(yīng)性較差；軌下高度211 mm方案能適應(yīng)不同基本軌的更換條件，但扣件外側(cè)擋肩較高，不利于扣件安拆，且軌下承載能力最小；軌下高度215.5 mm方案能適應(yīng)不同基本軌的更換條件，方便扣件安拆，軌下承載能力居中。經(jīng)綜合比選，從快速彈條扣件系統(tǒng)的安拆便利性、與基本軌的適應(yīng)性、滿足護軌鋪設(shè)要求等方面確定了軌下截面設(shè)計方案(即軌下高度215.5 mm)。橋枕設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 ⅢqFC16型枕軌下截面設(shè)計方案(單位:mm)

2.3 橋枕的設(shè)計檢算

(1)橋枕外荷載彎矩

軌枕壓力計算采用《鐵路軌道強度檢算法》[11]規(guī)范、連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型計算。預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕上承軌部分的豎向荷載Rd按式(1)計算

Rd=γPj(1+α)(1)

式中：Pj為凈輪重(kN)，為設(shè)計靜軸重的一半。

γ為輪重分配系數(shù)，與鋼軌類型、支承剛度及軌枕間距等因素有關(guān)，也可根據(jù)軌枕實際使用條件計算確定，參照相關(guān)規(guī)范取0.48；

α為附加動載系數(shù)，與行車速度、軌道狀態(tài)等因素有關(guān)，重載鐵路取1.5。

將各參數(shù)取值代入式(1)中，可得軌枕垂直動壓力Rd為150 kN。

軌道關(guān)鍵截面主要分為軌下截面與枕中截面，針對橋枕的實際使用等情況，軌下截面與枕中截面外荷載彎矩按圖4計算。

圖4 橋枕外荷載彎矩計算

軌下截面彎矩計算公式為

(2)

枕中截面彎矩計算公式為

Mz=(8eL-8e2+3L-6e)q/16+

PL1-Rd(L-2a1)/2(3)

其中，均布荷載q=8(Rd-P)/(3L+2e)

L為軌枕長度。

L1為護軌作用點至枕中距離。

a1為基本軌作用點至枕端距離。

bq為軌下墊板寬度。

e為一股鋼軌下軌枕的全支承長度。

根據(jù)計算圖示及設(shè)計方案，枕長L=2.6 m，L1=0.183 m，a1=0.542 m，bq=0.15 m，e=1.1 m，外荷載彎矩計算結(jié)果如表1所示。

表1 橋枕外荷載彎矩值 kN·m

經(jīng)計算，與既有新Ⅲ型橋枕外彎矩一致。

(2)橋枕承載能力檢算

軌枕承載能力計算主要包括疲勞承載彎矩計算、靜載抗裂彎矩計算及破壞承載彎矩的計算等。

結(jié)合橋枕軌下截面的調(diào)整情況，軌下截面高度調(diào)整為215.5 mm，由此計算出換算截面抗彎剛度、偏心距等。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[12]計算預(yù)應(yīng)力損失等，由此可得預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗方法》[13]、《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》[14]等規(guī)范，參考《預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計方法》[15]及《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的設(shè)計計算》[16]的設(shè)計方法和實例，經(jīng)計算，可得軌枕疲勞及抗裂承載彎矩值，結(jié)合橋枕的試驗情況可得靜載檢驗荷載。橋枕承載能力檢算結(jié)果如表2所示。

表2 橋枕軌下截面承載能力

通過對橋枕的設(shè)計檢算，ⅢqFC16型枕相較于既有橋枕承載能力有所提高，滿足外荷載彎矩的要求。

3 軌枕的制造

重載鐵路由于大軸重、大運量的特點，要求軌枕能提供較高的強度、線路縱橫向阻力以及較小的養(yǎng)護維修工作量，預(yù)埋鐵座形式能更好地為線路提供橫向阻力，但是軌枕制作難度相應(yīng)增大。

快速彈條扣件系統(tǒng)在我國使用相對較少，部分軌枕廠尚屬首次進行該類型軌枕的生產(chǎn)，在ⅢFC16型軌枕及ⅢqFC16型橋枕的試生產(chǎn)制造過程中碰到一些問題。

在試生產(chǎn)過程中，為了控制預(yù)埋鐵座位置精度，采取了不同的工藝措施。

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，在軌枕制造要求中增加了四周平整度的檢查。通過調(diào)研，采用預(yù)埋鐵座橡膠密封圈的工藝相對較好，但應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)過程，合理控制密封圈硬度及與軌枕面的高度關(guān)系。

此外，由于護軌承軌槽結(jié)構(gòu)存在內(nèi)側(cè)擋肩，初期設(shè)計方案中內(nèi)側(cè)擋肩部位采用了110°交角。現(xiàn)場反映，生產(chǎn)過程易存在部分脫模掉角的情況。在優(yōu)化的方案中，擋肩角度采用了不小于120°的交角，有效地防止了擋肩邊緣脫模引起的損傷，提高了產(chǎn)品成品率。

4 配套軌枕的相關(guān)使用說明

針對靖神線工程實際，對ⅢqFC16型枕的適用性進行分析。根據(jù)鐵運[2007]243號《鐵路橋梁鋪設(shè)護軌暫行規(guī)定》“護軌頂面不應(yīng)高出基本軌頂面5 mm，也不應(yīng)低于25 mm”及TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》“橋上護軌應(yīng)與基本軌相匹配，宜采用不小于50 kg/m鋼軌。護軌頂面不應(yīng)高出基本軌頂面5 mm，也不應(yīng)低于基本軌面25 mm”的相關(guān)規(guī)定，軌枕設(shè)計時基本軌采用60 kg/m鋼軌同時兼顧預(yù)留75 kg/m鋼軌條件。采用50 kg/m護軌時，護軌高度降低24 mm，護軌頂面已低于基本軌頂面+25 mm，不能滿足相關(guān)規(guī)定的要求。故需考慮使用護軌扣件+5 mm的調(diào)高量。扣件最高只能調(diào)高5 mm。因此，生產(chǎn)過程中應(yīng)加強軌枕護軌承軌面的精度控制。

配套軌枕設(shè)計時采用了Ⅲ型軌枕標準，承載能力按25 t軸重設(shè)計。針對目前我國重載鐵路的實際情況及發(fā)展，對該軌枕的使用做相關(guān)分析說明。

考慮重載鐵路行車速度相差不大，由行車速度引起軌枕受力的動態(tài)附加系數(shù)差異不大，故軌枕設(shè)計彎矩和軸重之比在一定程度上可反映軌枕設(shè)計中的安全儲備。

對此，搜集對比了國內(nèi)外軌枕的相關(guān)參數(shù)(如表3所示)[17]。

表3 各國混凝土軌枕的設(shè)計承載彎矩

對比表明，Ⅲ型軌枕在設(shè)計時留有較大安全儲備，可滿足近期靖神鐵路工程的使用。

隨著線路通過總重及軸重的逐漸增加，應(yīng)及時根據(jù)車輛、線路等情況采取相應(yīng)的加強措施對軌道結(jié)構(gòu)進行強化，例如可通過采用75 kg/m重型鋼軌、加密軌枕布置、增加枕下面積、更換承載能力更大的軌枕等。

隨著國內(nèi)重載軌枕技術(shù)發(fā)展進步及產(chǎn)品應(yīng)用的不斷成熟，長期通過30 t軸重列車時，應(yīng)更換成熟的30 t軸重軌枕產(chǎn)品。

5 結(jié)論

(1)針對快速彈條扣件系統(tǒng)配套設(shè)計的軌枕滿足設(shè)計需求，橋枕部分承載力有所提高。

(2)預(yù)埋件固定密封措施建議采用橡膠密封圈，軌枕擋肩宜盡量采用不小于120°交角，便于脫模和控制成品質(zhì)量。

(3)該項軌枕設(shè)計承載能力不低于Ⅲ型枕，滿足本工程目前使用要求，且承載能力具有較大安全系數(shù)。隨著重載線路運量和軸重的增加，應(yīng)及時采取相關(guān)加強措施，保證軌道結(jié)構(gòu)強度，如加密軌枕布置、采用加強型軌枕等。