復合材料合成軌枕受力分析及在鋼橋明橋面上的應用

凌烈鵬 王冬立 張煒

（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.朔黃鐵路發展有限責任公司，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、受周圍介質的溫度變化影響小、更換簡便等優點，在世界鐵路建設初期得到廣泛應用，我國早期的鐵路鋼桁梁橋幾乎都是采用明橋面木枕結構形式。但鋼橋明橋面木枕在長期應用中暴露出很多缺點，主要包括［1-3］：木枕易腐蝕、易開裂、使用壽命短、質量離散性大，一般使用壽命僅有5～10年，部分材質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、鉤頭螺栓易松動和錯位等問題。上述缺點造成了鋼橋明橋面的線路穩定性不佳、軌枕與橋面及鋼軌連接性下降較快且離散性大、橋梁的振動響應大、養護維修工作量大等問題。

隨著既有線運營速度、軸重及運量的不斷提高，鋼橋明橋面木枕的維修工作量成幾何級增大，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合材料合成軌枕代替木枕。

1 復合材料合成軌枕

1.1 合成軌枕簡介

復合材料合成軌枕［4-7］是指將玻璃纖維增強材料（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出的一種中空結構新型合成軌枕，其生產線如圖1 所示。該軌枕最大的優點是充分利用纖維增強材料的強度和樹脂材料的彈性，其結構布置及生產工藝根據軌枕受力特性進行了優化，綜合了傳統的混凝土軌枕強度高和木枕彈性好的特性。

圖1 合成軌枕拉擠成型生產線

與木枕相比，合成軌枕具有強度高、耐腐蝕、使用壽命長、軌距保持能力好、扣件安裝靈活及生產機械化、連續化等優點。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

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

表1 合成軌枕本體取樣性能參數

表2 合成軌枕整體強度參數

由表1 和表2 可知，合成軌枕的力學性能指標遠遠高于木枕，部分指標甚至優于混凝土軌枕；與木枕相比，其各項指標均可進行量化分析、檢驗，工廠化生產的成品質量一致性好。

2 合成軌枕在鋼橋上的受力分析

根據明橋面軌枕受力計算方法對合成軌枕在鋼橋上受力狀態進行計算分析［8］，并與木枕進行對比。計算時將鋼軌簡化為彈性支承在軌枕上的連續梁，每個輪重分配到多根軌枕上，近輪重處軌枕承受較大荷載，越遠越小。輪重分配于軌枕的根數（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。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，不考慮護軌和鉤頭螺栓的影響。明橋面軌枕受力近似計算簡圖見圖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為縱梁支點反力。

圖3 明橋面軌枕受力近似計算簡圖

2.1 計算參數

鋼橋明橋面參數包括［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。在計算中選取了已開發的2種試驗截面的復合材料合成軌枕（圖4），其截面參數見表3。

圖4 合成軌枕截面（單位：mm）

表3 合成軌枕截面參數

2.2 軌枕受力分布

軌道結構受力分布基本在5 根軌枕范圍內，分析在失效和正常狀態下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 根軌枕分擔輪重）；②所有軌枕均能正常工作（即5根軌枕分擔輪重）。各軌枕的受力分配系數k計算式如下［4-5］。

當k＞1/3 時，1 個輪的作用力分布在3 根軌枕上，各軌枕的受力分配為

當k≤1/3 時，1 個輪的作用力分布在5 根軌枕上，各軌枕的受力分配為

由上述參數計算出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 不同數量的軌枕受力分布

2.3 截面最大應力分析

軌枕截面最大拉壓應力、層間剪應力及跨中最大撓度［10-11］計算式分別為

式中：σ拉max，σ壓max分別為截面最大拉、壓應力，MPa；τ層間max為截面最大層間剪切應力，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，因此計算截面應力及撓度時均采用合成軌枕截面尺寸，而木枕剪應力計算時應考慮縱梁位置刻槽，按高度減30 cm進行計算。軌枕截面應力及撓度見表4。

表4 軌枕截面應力及撓度

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力小于其容許應力的10%，層間剪應力只有其極限應力的50%，承載力有較大的富余；而木枕的拉壓應力及層間剪應力均已達到木材的極限值。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

合成軌枕主要針對特殊地段開發應用，如鋼橋明橋面，須重點考慮其在明橋面上安裝實施的問題。

3.1 合成軌枕截面優化

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。考慮與扣件、縱梁及鉤頭螺栓的安裝問題，對合成軌枕截面形式進行優化（圖6），增設底面凸肋，用于軌枕底托安裝使用。

圖6 合成軌枕截面設計優化

3.2 扣件選擇及連接方式

鋼橋明橋面木枕采用K 型扣件，為無擋肩結構扣件，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、軌距保持能力強等特點。

合成軌枕為等截面中空結構，可在軌枕上安裝具有承軌槽的鐵墊板。中國鐵道科學研究院集團有限公司針對該合成軌枕及明橋面木枕開發了MQ-1 型扣件（圖7）［12］，在扣件連接設計上充分利用了軌枕的中空結構，在軌枕內腔設置貝母，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有預拱度、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。對于木枕來說，一般在其底部刻槽，通過調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度和撓度要求的前提下，截面尺寸相對較小，因此在既有明橋面上有足夠的空間調整安裝高度。

本項目采用一種可調節的底托標準件組合結構（圖8），底托標準件由不同厚度和型號的調高墊板、軌枕底托組成，可適應不同縱梁位置安裝，減少現場作業量。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。木枕開槽后若現場處理不得當，內部更加容易腐朽，而合成軌枕無材質腐朽問題且抗壓強度高，能有效地發揮鉤頭螺栓的防轉動止擋作用。通過對鉤頭螺栓的安裝進行優化，利用中空結構內置貝母及內腔阻止貝母轉動的特點，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動，也增加了對螺栓的防護。

4 結論

1）復合材料合成軌枕強度指標均遠優于木枕，可進行量化指標檢驗，其使用壽命、質量一致性相對木枕均具有較大優勢。

2）復合材料合成軌枕在滿足明橋面使用要求的前提下，其應力還有較大富余，截面尺寸可調整空間大，安裝操作及結構部件可標準化，減少了現場作業工作量。

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

根據復合材料合成軌枕的研究成果，建議選擇一座鋼橋明橋面進行試鋪，并對其動力學性能進行測試，以獲取復合材料合成軌枕完整的參數指標。