我國鐵路有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的研究與發(fā)展綜述

尤瑞林，范 佳，寧迎智

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100081； 3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所， 北京 100081)

軌枕是有砟軌道結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件，其主要功能包含兩方面：一方面承受著來自鋼軌的各向荷載并傳遞于下部道床；另一方面有效保持鐵路線路的軌距、軌向等幾何形態(tài)[1]。軌枕按其材質(zhì)分為木枕、 混凝土枕、 鋼枕和復(fù)合材料軌枕等[2-4]。軌枕按照支承鋼軌的方式可分為：橫向軌枕、縱向軌枕和短軌枕等。軌枕按照外觀特征可分為：整體式軌枕、雙塊式軌枕、梯子形軌枕和Y形軌枕等[5]。軌枕按其使用特征可分為普通軌枕、 橋枕、 岔枕、伸縮調(diào)節(jié)器枕等[6]。

目前鐵路線路中應(yīng)用最為廣泛的軌枕為整體式混凝土軌枕，并以鋼軌橫向支承的方式最為普遍[7]。混凝土軌枕的特點是強度高、剛度大、穩(wěn)定性好、保持軌道幾何能力強[8]，且混凝土枕不受氣候、腐朽、蟲蛀及火災(zāi)的影響，使用壽命長。目前，世界鐵路網(wǎng)中，每年約需5億根混凝土軌枕，除北美由于自身資源條件不同的原因仍普遍采用木枕外，混凝土已成為世界上絕大多數(shù)軌枕生產(chǎn)制造的首選材料[9]。

我國自1956年研制出預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕以來，目前整體式混凝土軌枕已經(jīng)大量使用[5]。本文將回顧和總結(jié)我國有砟軌道混凝土軌枕研究和發(fā)展的歷史，并結(jié)合當(dāng)前情況，展望混凝土軌枕的研究與發(fā)展的方向。

1 我國混凝土軌枕發(fā)展階段劃分

我國早在1910年廣九鐵路上就曾試用普通鋼筋混凝土軌枕，1921年至1926年間在杭州、上海、常州等地方線路上也試鋪過少量普通鋼筋混凝土軌枕[10]。以上僅開展的是局部普通混凝土軌枕的試鋪工作，真正意義上混凝土軌枕的研制工作則要到新中國成立后的1953年才開始。在開展大量研究工作后，我國于1956年研制出第一種預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，1957年在北京豐臺建立第一條預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)線，此后預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕開始在我國逐步推廣使用[11-12]，因此，通常以1956年作為我國混凝土軌枕發(fā)展的開始年代[13]。如果按照大類型軌枕的研究與發(fā)展時段來劃分，我國混凝土軌枕的研究與發(fā)展大致可劃分為5個階段：早期研究探索階段；Ⅰ型軌枕研制和發(fā)展階段；Ⅱ型軌枕研制和發(fā)展階段；Ⅲ型軌枕研制和發(fā)展階段；Ⅳ型軌枕研制和發(fā)展階段。各個階段大致的時間段及對應(yīng)的主要軌枕類型如表1所示。

表1 我國混凝土軌枕發(fā)展階段劃分

注：弦79和筋79型軌枕分別是弦69和筋69型軌枕的改進型，因此后來統(tǒng)一命名為J-1型和S-1型軌枕。

2 我國混凝土軌枕各階段研究與發(fā)展情況

2.1 早期混凝土軌枕發(fā)展階段

我國早期研制的混凝土軌枕主要包括1966年以前研制的弦15B型、弦Ⅱ61A型、弦61型、弦65B型等類型，這幾種類型軌枕均是整體式預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，其主要特征是：①預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的是φ3 mm高強碳素壓波鋼絲；②未設(shè)置箍筋；③固定扣件的道釘采用預(yù)埋木螺栓的方式；④木螺栓周圍配有螺旋筋。

我國這一階段幾種類型混凝土軌枕的承載能力是按建設(shè)型機車、軸重21 t、最高速度85 km/h、鋪設(shè)密度1 840根/km設(shè)計的，軌枕的相關(guān)參數(shù)如表2所示，其中弦61型軌枕的外形尺寸如圖1所示。

由于這幾種類型軌枕屬于我國早期探索階段設(shè)計的軌枕，因此在截面尺寸、鋼筋配置、原材料性能、扣件接口設(shè)計等方面均存在不足，在現(xiàn)場的鋪設(shè)運營過程中逐漸暴露出各類傷損問題，因此，我國開始立項研究改進預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕結(jié)構(gòu)。

表2 我國早期混凝土軌枕相關(guān)參數(shù)

圖1 弦61型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.2 Ⅰ型混凝土軌枕發(fā)展階段

1966年～1968年，由鐵科院和原鐵道部第三設(shè)計院開始研究新型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕結(jié)構(gòu)，直至1969年定型為“69型”軌枕。69型軌枕根據(jù)預(yù)應(yīng)力主筋的不同分為“弦69”和 “筋69”兩種類型。69型軌枕采用C50混凝土，長度為2 500 mm，軌下截面高度為200 mm，中間截面高度為155 mm，軌枕設(shè)計有4個預(yù)留孔，采用硫磺錨固的方式來固定扣件的道釘。

69型軌枕對我國預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計具有里程碑式的意義，一方面，硫磺錨固工藝首次在軌枕中成功應(yīng)用，硫磺錨固作業(yè)簡單、成本低廉、性能可靠，極大地改善了軌枕與扣件系統(tǒng)的連接效果，提高了軌道結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和耐久性，該項技術(shù)至今仍在我國鐵路混凝土軌枕中廣泛使用；另一方面，調(diào)質(zhì)熱處理高強鋼筋首次在混凝土軌枕中作為預(yù)應(yīng)力主筋采用，與最早生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲混凝土軌枕相比較，采用相對大直徑的鋼筋簡化了預(yù)應(yīng)力鋼絲的編組工藝，提高了勞動生產(chǎn)率，此后設(shè)計的軌枕雖仍有部分型號采用細(xì)鋼絲作為預(yù)應(yīng)力主筋，但已不再是主流。

69型軌枕相對于早期設(shè)計的軌枕，性能上有了很大的改進，但仍存在不足，主要表現(xiàn)在預(yù)留孔四周縱裂現(xiàn)象較多、枕中截面承載能力弱。針對該型的軌枕開展了進一步的優(yōu)化設(shè)計，這就是后期定型的“79型”軌枕。“79型”軌枕與“69型”軌枕相比，主要優(yōu)化改進點包括：中間截面高度改為175 mm；軌枕內(nèi)增設(shè)了箍筋；預(yù)留孔處設(shè)螺旋筋；承軌槽外側(cè)頂面由原來的斜坡改為平面[11]。

1984年，原鐵道部工務(wù)局下達(dá)“預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕統(tǒng)一名稱”的規(guī)定，要求以1、2、3……表示軌枕強度從低到高的等級，且將鋼弦型示為“S”，鋼筋型示為“J”。根據(jù)此規(guī)定，“弦69”型、“筋69”型、“弦79”型和“筋79”型歸并為Ⅰ型枕，這也就是后期統(tǒng)一命名的S-1型和J-1型軌枕。Ⅰ型枕設(shè)計的適用條件：機車軸重23 t，列車速度85 km/h；鋼軌類型50 kg/m，軌枕鋪設(shè)根數(shù)1 760根/km，軌枕中部道床掏空。Ⅰ型枕的主要性能參數(shù)如表3所示，其中筋69型軌枕的外形尺寸如圖2所示。

表3 Ⅰ型混凝土軌枕相關(guān)參數(shù)

圖2 筋69型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.3 Ⅱ型混凝土軌枕發(fā)展階段

Ⅱ型混凝土軌枕的研究與發(fā)展又可細(xì)分為3個子階段：第1個子階段是筋81 型(J-2型)、弦81型(S-2型)的研發(fā)階段[14]；第2個子階段是YⅡ-C、YⅡ-D、YⅡ-E、YⅡ-F型及TKG-Ⅱ等型號軌枕的研發(fā)階段；第3個子階段為新Ⅱ型軌枕研發(fā)階段[15]。

20世紀(jì)80年代，隨著鐵路運輸條件的變化，I型軌枕已不能適應(yīng)線路運營條件，幾乎全部出現(xiàn)預(yù)留孔縱向裂紋及軌下截面正彎矩橫向裂紋，而且傷損速率明顯加劇，在正線上大量更換下道。在此背景下，我國研發(fā)了“筋81”和“絲81”型軌枕，這就是后面后期定型分別更名的“J-2型”和“S-2型”軌枕，這也就是Ⅱ型軌枕發(fā)展的第一個子階段。這一階段的Ⅱ型軌枕與Ⅰ型枕外形尺寸相同，主要區(qū)別在于：預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量有所增加，其中S-2型枕的預(yù)應(yīng)力鋼筋是44根φ3 mm高強碳素壓波鋼絲，J-2型枕的預(yù)應(yīng)力鋼筋是4根φ10 mm高強熱處理低合金鋼筋，鋼筋截面為圓形，表面帶螺紋；混凝土強度等級提高到C60；取消軌枕中部道砟掏空的要求，僅要求浮砟狀態(tài)。

與Ⅰ型混凝土軌枕相比，Ⅱ型混凝土軌枕的軌下斷面承載能力提高13%，枕中斷面負(fù)彎矩承載能力提高40%，改善了軌枕的現(xiàn)場使用效果，但隨著鐵路貨物運輸?shù)陌l(fā)展，軌枕也暴露出釘孔縱裂嚴(yán)重、枕中截面承載力不足等問題[16，17]，特別是采用φ3 mm鋼絲配筋的S-2型鋼絲混凝土軌枕，因鋼絲的工藝性能欠佳，致使軌枕質(zhì)量不夠穩(wěn)定，傷損情況突出。在此背景下，相關(guān)設(shè)計部門對Ⅱ型軌枕開展改進和優(yōu)化設(shè)計，分為YⅡ系列軌枕和TKG-Ⅱ型軌枕。其中，YⅡ系列軌枕，外形尺寸相同，只是配筋方式不同，早期分為YⅡ-C型(18φ5 mm刻痕鋼絲)、YⅡ-D型(10φ7 mm規(guī)律變形鋼筋)及YⅡ-E型(8φ7.5 mm規(guī)律變形鋼筋)3種軌枕，后期定型后統(tǒng)一為YⅡ-F型(8φ7 mm規(guī)律變形鋼筋)軌枕。由于鋼筋設(shè)計不合理，YⅡ-F型軌枕難以通過性能檢驗，而同期設(shè)計的TKG-Ⅱ型混凝土軌枕布筋合理，提高了Ⅱ型軌枕的使用性能，但上排鋼筋混凝土保護層略顯不足[18-19]。1999年鐵道部組織召開有關(guān)Ⅱ型軌枕設(shè)計、生產(chǎn)及運營情況的總結(jié)研討會，并確定由鐵科院牽頭開展新Ⅱ型鋼筋混凝土軌枕的研制，通過技術(shù)鑒定后將全面推廣，以取代前期各類Ⅱ型鋼筋混凝土軌枕[20]。

以上為Ⅱ型軌枕的研究和發(fā)展的歷程，各型Ⅱ型軌枕雖然在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在差別，但總體設(shè)計條件相同，均是按照列車軸重25 t、列車設(shè)計最高速度140 km/h、鋼軌類型50 kg/m或60 kg/m、軌枕鋪設(shè)根數(shù)1 760～1 840根/km進行設(shè)計。Ⅱ型軌枕的主要性能參數(shù)如表4所示，其中，新Ⅱ型軌枕的外形尺寸如圖3所示。

基于框架語義學(xué)的二語詞匯教學(xué)方法的“核心問題是訓(xùn)練學(xué)習(xí)者如何準(zhǔn)確理解二語詞義，主張詞義解釋以框架為依據(jù)”(汪立榮，2011：52)，因材施教，對不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)員進行不同的詞義解釋途經(jīng)。對英語基礎(chǔ)薄弱；依賴漢語釋義的學(xué)員，充分利用漢語譯詞引導(dǎo)的框架進行解釋，幫助其理解；對英語基礎(chǔ)好的學(xué)員，通過揭示英語框架來進行詞義解釋，幫助其建立二語框架。

表4 Ⅱ型混凝土軌枕相關(guān)參數(shù)

圖3 新Ⅱ型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.4 Ⅲ型混凝土軌枕發(fā)展階段

Ⅲ型混凝土軌枕的研發(fā)歷程從時間上看與Ⅱ型軌枕的研發(fā)改進具有一定的重合區(qū)間，我國Ⅲ型混凝土軌枕是從1990年TK-Ⅲ型枕的研究設(shè)計開始的。TK-Ⅲ型枕是按照當(dāng)時的重載運營條件進行設(shè)計，具體設(shè)計條件為：機車車輛最大軸重25 t；年通過總重大于30 Mt；設(shè)計最高速度為貨車100 km/h、客車160 km/h；鋼軌類型為60 kg/m或75 kg/m；最小曲線半徑350 m；扣件類型為Ⅰ、Ⅱ型彈條扣件(或Ⅲ型扣件)。TK-Ⅲ型枕在設(shè)計中，系統(tǒng)研究了提高軌枕本身承載能力，合理選用預(yù)應(yīng)力鋼材，并優(yōu)化選擇軌枕的外形尺寸以提高軌道穩(wěn)定性等綜合措施[21]。

后來定型的用于普速鐵路的Ⅲ型枕有兩種外形：與彈條Ⅰ、Ⅱ型扣件配套的為有擋肩軌枕(Ⅲa型)，與彈條Ⅲ型扣件配套的為無擋肩軌枕(Ⅲb型)。軌枕長度有2.5 m和2.6 m兩種，適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝(目前2.5 m長度的Ⅲ型軌枕基本不再生產(chǎn)使用[22])。Ⅲ型枕設(shè)計的截面尺寸基本上與TK-Ⅲ型一致，主要區(qū)別在于，采用流水機組工藝生產(chǎn)的Ⅲa和Ⅲb型枕均配置10φ7.0 mm螺旋肋鋼絲代替TK-Ⅲ型枕中的三面壓痕鋼絲。Ⅲa和Ⅲb型枕軌下和枕中截面承載能力與TK-Ⅲ型枕相當(dāng)[23]。

適用于普速鐵路的Ⅲ型枕于1995年通過鐵道部技術(shù)鑒定，1997年形成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖，直至目前，Ⅲ型枕仍在全路提速干線、重載運煤專線上大量應(yīng)用[24]。

2007年，為滿足混凝土軌枕在客運專線上的使用要求，Ⅲ型枕上配套扣件改用彈條V型，其螺旋道釘與軌枕的聯(lián)接采用預(yù)埋套管代替硫磺錨固，解決了硫磺錨固澆筑作業(yè)對環(huán)境的污染問題。這樣，軌枕承軌槽的硫磺錨固預(yù)留孔也相應(yīng)改為預(yù)埋套管，這種軌枕后定型為Ⅲc型枕[9]。

以上為Ⅲ型軌枕的研究和發(fā)展的歷程，可以看出，從軌枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，3種類型的Ⅲ型軌枕外形尺寸和配筋設(shè)計相同，主要差別在于配套扣件的接口有所不同。Ⅲ型軌枕的主要性能參數(shù)如表5所示，其中Ⅲa型軌枕的外形尺寸如圖4所示。

表5 Ⅲ型混凝土軌枕相關(guān)參數(shù)

圖4 Ⅲa型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.5 Ⅳ型混凝土軌枕發(fā)展階段

Ⅳ型混凝土軌枕是我國近年發(fā)展重載鐵路技術(shù)過程中研究的軌枕類型。2011年，結(jié)合山西中南部鐵路通道(瓦日線)工程建設(shè)，原鐵道部系統(tǒng)組織開展了30 t軸重重載鐵路相關(guān)技術(shù)的研發(fā)[25-26]。鐵科院承擔(dān)相關(guān)課題，開展重載有砟軌道結(jié)構(gòu)及部件的研究設(shè)計，研發(fā)了重載Ⅳa型和Ⅳb型軌枕。Ⅳa型和Ⅳb型軌枕統(tǒng)稱為Ⅳ型混凝土軌枕，具體設(shè)計條件為： 列車最大軸重30 t；年通過總質(zhì)量100 Mt以上；鋼軌類型60 kg/m或75 kg/m；最小曲線半徑350 m；鋪設(shè)根數(shù)1 667根/m或1 760根/km。Ⅳa型和Ⅳb型軌枕的配筋和關(guān)鍵尺寸參數(shù)相同，主要差別在于扣件接口尺寸，Ⅳa型軌枕為有擋肩結(jié)構(gòu)，軌枕中設(shè)置預(yù)留孔與彈條Ⅵ型扣件相配套；Ⅳb型軌枕為無擋肩結(jié)構(gòu)，軌枕中設(shè)置預(yù)埋鐵座與彈條Ⅶ型扣件相配套。

Ⅳ型軌枕長度與Ⅲ型枕相同；軌下截面高度和枕中截面分別比Ⅲ型枕高5 mm和10 mm；軌下截面底寬和Ⅲ型枕相當(dāng)；枕中截面底寬比Ⅲ型枕大4 mm；質(zhì)量比Ⅲ型軌枕增加約30 kg。Ⅳ型軌枕設(shè)計的軌下截面正向和枕中截面負(fù)向承載能力分別為22.57 kN·m和21.33 kN·m，與Ⅲ型枕相比，軌下截面和枕中截面的承載能力分別提高了18.5%和23.3%。另外，單根軌枕的橫向阻力Ⅳ型軌枕相對于Ⅲ型枕提高約15%[6]。

Ⅳ型軌枕已經(jīng)在瓦日、朔黃及蒙華等重載鐵路中鋪設(shè)應(yīng)用，其中瓦日鐵路自2014年12月正式開通以來，Ⅳ型軌枕及配套扣件經(jīng)過了4年多的運營考驗，軌枕狀態(tài)良好。

另外，Ⅳ型軌枕還在美國TTCI高噸位試驗線上進行了現(xiàn)場試鋪和試驗，試驗段自2012年9月鋪設(shè)運行，運行車輛軸重主要為35 t左右，編組最短為40節(jié)，最長134節(jié)，通過總質(zhì)量累計超過7億t，軌枕狀態(tài)穩(wěn)定，軌道幾何狀態(tài)良好，進一步驗證了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。Ⅳ型軌枕的主要性能參數(shù)如表6所示，其中Ⅳa型軌枕的外形尺寸如圖5所示。

表6 Ⅳ型混凝土軌枕相關(guān)參數(shù)

圖5 Ⅳa型軌枕外形尺寸(單位：mm)

3 總結(jié)與展望

混凝土軌枕是我國有砟軌道結(jié)構(gòu)中重要的軌道部件，自20世紀(jì)50年代研究發(fā)展至今，積累了豐富的設(shè)計、生產(chǎn)制造及運營維護經(jīng)驗。混凝土軌枕技術(shù)發(fā)展伴隨著鐵路行業(yè)的發(fā)展，不斷改進革新，從早期的探索階段到目前分別適用于250 km/h高速鐵路和30 t軸重重載鐵路的各型軌枕的研發(fā)應(yīng)用，軌枕成套技術(shù)體系不斷豐富完善。通過我國混凝土軌枕的研究發(fā)展歷程的總結(jié)與回顧，對混凝土軌枕技術(shù)未來的研究與發(fā)展總結(jié)如下。

(1)混凝土軌枕在當(dāng)前和可見的未來仍是我國有砟軌道中首選的結(jié)構(gòu)形式。

當(dāng)前軌枕采用了木材、鋼材以及相關(guān)復(fù)合材料等多種材料類型，但混凝土仍然是軌枕的首選材料。混凝土材料環(huán)境適用性好、性能穩(wěn)定、可塑性強、配制方法簡單，制作的構(gòu)件強度和剛度可根據(jù)不同的設(shè)計條件進行調(diào)整，因此能夠適用于不同的鐵路運營條件。目前，大量的工程實踐驗證了混凝土軌枕的適用性與可靠性，作為應(yīng)用廣泛的一種軌道部件，短期內(nèi)還沒有其他任何一種材料能在全國乃至世界范圍內(nèi)全面替代混凝土來制作軌枕。

(2)混凝土軌枕的設(shè)計將不斷融入軌道結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計中。

目前，世界各國混凝土軌枕仍主要作為一個單獨的軌道部件來進行設(shè)計，隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展進步，將來結(jié)構(gòu)的整體性能將是衡量軌道技術(shù)優(yōu)劣的首要指標(biāo)，而不是單純?nèi)ピu價扣件、軌枕或道床自身。這就要求混凝土軌枕在設(shè)計的過程中要與扣件、道床乃至下部基礎(chǔ)統(tǒng)一考慮，不僅要考慮不同部件之間接口的需要，還要考慮軌道結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性、可維修性及經(jīng)濟性等方面因素，開展系統(tǒng)設(shè)計，同時開展RAMS分析[27-28]。設(shè)計的軌枕可能不是強度最高、生產(chǎn)成本最低的，但需要其與配套的扣件和道床結(jié)構(gòu)組合在一起以后是最適用于設(shè)計運營條件、綜合性能最優(yōu)的。

(3)混凝土軌枕的技術(shù)發(fā)展未來與材料技術(shù)的發(fā)展密不可分。

由我國鐵路混凝土軌枕的發(fā)展歷程可以看出，預(yù)應(yīng)力鋼絲技術(shù)的提高、硫磺錨固工藝的研發(fā)都對軌枕技術(shù)的發(fā)展提供了巨大推動作用，可以預(yù)見未來隨著其他新材料的研發(fā)和應(yīng)用，混凝土軌枕技術(shù)還將不斷進步。作為混凝土軌枕的研究和設(shè)計者也應(yīng)緊密關(guān)注相關(guān)材料領(lǐng)域的最新進展情況，將相關(guān)技術(shù)吸收引進到軌枕設(shè)計過程中。

(4)特殊運營條件仍將會對混凝土軌枕技術(shù)的進步提出更高要求。

我國混凝土軌枕現(xiàn)在是標(biāo)準(zhǔn)化、體系化的產(chǎn)品，這有利于制訂統(tǒng)一的生產(chǎn)制造、檢驗測試和養(yǎng)護維修標(biāo)準(zhǔn)，但對于小半徑曲線、減振特殊需求及軌道超常規(guī)調(diào)整等特殊區(qū)段，仍然需要混凝土軌枕結(jié)合其他軌道部件進行特殊設(shè)計來滿足現(xiàn)場的運營條件。

(5)信息化、智能化等技術(shù)的進步也將推動混凝土軌枕生產(chǎn)技術(shù)的革新。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化和智能化等相關(guān)技術(shù)也在工程中逐步推廣應(yīng)用。我國目前混凝土軌枕的生產(chǎn)技術(shù)總體而言，仍然相對落后，各工廠在改善產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、加強產(chǎn)品檢測等方面都具有較大的提升空間，信息化、智能化技術(shù)的引入將會帶來軌枕生產(chǎn)技術(shù)的革新。