礦用900mm軌距38kg/m鋼軌預應力混凝土枕的設計

宋立國

（中鐵十四局集團房橋有限公司，北京102400）

1 引言

河北省唐山市及唐山市周邊存在許多的鐵礦廠，如遷安、遷西，遵化等地區，包括灤南馬城最近發現的一個較大規模的鐵礦廠，這些鐵礦廠多采用900mm 軌距的非預應力鋼筋混凝土枕，但隨著科技的進步，采礦能力的提升，這種非預應力鋼筋混凝土枕已經不能滿足承重要求，發生了大量的破壞和裂縫，增加了運營和維護成本，并且存在著嚴重的安全隱患。唐山分公司為了解決這一現狀，并結合自己混凝土構件的豐富預制經驗，設計了這種900mm 預應力混凝土礦用軌枕，通過對混凝土枕施加預應力，可以增強其抗壓抗折能力，從而提高混凝土軌枕的使用壽命，并且能夠減輕混凝土的質量，方便其施工，并能滿足其各方面力學性能。

2 結構尺寸和計算條件

馬蘭莊礦山鐵路使用的電力機車的運行速度為3m/s，地下礦山鐵路的彎道數量很多。考慮到與鐵路線性部分相比彎曲部分的復雜特性，該設計采用了肩枕的形式。此次設計的900mm 預應力礦用軌枕各部尺寸如圖1 所示。軌下：高度為129.4mm，上部寬度為157.7mm，下步寬度為190mm；軌中：高度為120mm，上部寬度160mm，下部寬度190mm；承軌部位：長度為305mm，并采用1∶40 的坡度設計，預留孔上空直徑45mm，預留孔中心距軌槽板坡底腳間距為45.5mm；軌枕全長1600mm；總質量98kg，設計軌距為900mm。采用預應力鋼絲為4φ7mm 高強度螺旋肋鋼絲，為加強其性能，加裝7 個φ6mm 封閉式箍筋。鋼軌類型為P38 鋼軌，扣件類型為70 型彈條扣件。

圖1 礦用預應力混凝土枕外形尺寸（單位：mm）

唐山分公司目前生產的軌枕產品型號為XII、IIIA、XIIIQ以及一般線路岔枕，雙塊式軌枕、和重載埋入式長針等，這些軌枕均采用流水線作業形式，混凝土強度等級為C60，生產效率較高，日產能達1 500 根，故此次設計礦用軌枕也采用C60混凝土，出池強度達到其設計強度的75%，即45MPa 時方可出池，從而進行下一道工序，重復生產[1]。

3 設計荷載的計算

3.1 軌下承載部位的垂直壓力

在軌道承重部分之下的垂直壓力開采領域中使用的電力機車的質量為14t，礦車的滿載質量為19.7t。計算負載在最不利的位置確定。

軌下承載部位的垂直壓力Rd為：

式中，γ 為輪重分配系數，一般取γ≤0.5，這里取最大值0.5；α為綜合動載系數，重載軌道為1.5，其他軌道為1.0，這里取1.0；P0為靜輪重即 60kN，代入數據得 Rd＝60kN。

3.2 軌枕截面的正負彎矩

根據枕下與枕中道床支承反力圖（見圖2），計算礦枕截面的正負彎矩。

圖2 枕下道床支承反力（單位：mm）

3.2.1 軌下截面的正彎矩

軌下截面道床支承反力見圖2a。

3.2.2 枕中截面負彎矩

軌中截面道床支承反力見圖2b。

首先計算枕底反力 q：60kN×2＝（0.625m×2）q＋0.35m（0.75q），則 q＝78.87kN/m。

枕中截面負彎矩：

另經計算驗證，軌枕下面道床頂面受到的壓應力為：

式中，σ2為壓應力；S底為底面截面積之和。

代入數據得 σ2=0.39MPa＜[σ2]=0.5MPa（[σ2]為道床頂面允許壓應力）。

4 材料力學相關參數

礦用預應力混凝土枕設計強度為C60，放張脫模強度45MPa；

預應力鋼絲采用高強螺旋肋鋼絲，直徑φ7mm；

5 靜載抗裂彎矩計算

在機車運行過程中，軌下直接受力，承受正彎矩，向下彎曲，而軌中截面產生負彎矩，向上彎曲，因此，應對該軌枕的軌下與軌中分別進行正負彎矩計算。

5.1 軌下截面靜載抗裂正彎矩

軌下截面尺寸如圖3 所示。

經計算，預應力鋼筋總截面面積：Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構件換算截面積構件換算截面積（A0）為 23 204.6mm3，截面靜矩（S0）為1 179 617.93mm3。

換算截面形心至截面下邊緣的距離y下=S0/A0=50.83mm。

偏心距 e0＝50.83mm-50mm＝0.83mm（50mm 為型心中心）。計算得：

慣性矩 I0＝26 440 492.1mm4

有效預應力 σpe＝（1036-100）N/mm2＝936N/mm2

Npe＝936N/mm2×154mm2=144 174.8N

截面下邊緣由預應力產生的混凝土法向應力：

軌下截面抗裂彎矩Mcr=（σpc+1.75ftk）W0（ftk為混凝土軸心抗壓標準值，截面受檢邊緣的彈性抵抗矩W0＝5 602 284mm3）。計算得 Mcr=10.17kN·m。

5.2 軌中截面靜載抗裂負彎矩

軌中截面尺寸如圖4 所示。

圖3 軌下截面（單位：mm）

圖4 枕中截面圖（單位：mm）

預應力鋼筋總截面積：Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構件換算截面積構件換算截面積（A0）21 708mm2，截面靜矩（S0）1 019 420mm3。

y下=S0/A0=46.96mm

e0＝46.96mm-50mm＝-3.04mm

I0=21 947 191.91mm4

法向應力

5.3 檢驗荷載的確定

根據TB/1879—2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》的規定，檢驗荷載 F 與檢驗彎矩 Mcr的關系為：F＝7．273Mcr。同時根據MT/T375.3—1994《礦用菱鎂混凝土制品》考慮靜載支點間距 L軌下=280mm，L軌中=680mm，最終的靜載抗裂檢驗值確定為：F軌下＝87.28kN，F枕中＝24kN。

疲勞試驗最大荷載值取為：Fmax＝1．05F，經計算，軌下截面疲勞試驗最大荷載為91.64kN；枕中截面疲勞試驗最大荷載25.2kN，均滿足要求[2]。

6 破壞設計承載力計算

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，在滿足截面疲勞承載力設計前提下，其承載力強度安全系數都在2.0 以上，滿足使用中軌下110kN，軌中25kN。

7 結語

為了滿足不斷增長的采礦領域需求，這次設計了采礦軌道。重新設計了軌枕，并將原來的鋼筋混凝土軌枕更改為預應力混凝土軌枕。它的優點主要體現在以下幾點：

1）可以大大提高軌枕的實際承載能力，使礦井的運輸效率提高50%；

2）和之前的非預應力混凝土礦枕相比，此次設計的礦枕截面尺寸更小，質量更輕，方便施工，還能節約成本。

由于對混凝土枕施加了預應力，其各方面力學性能均高于前者，使用壽命更長，維護保養費用更低。