齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構與力學性能研究

代 豐,楊吉忠,楊文茂,蔣 堯

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

我國山地資源豐富多樣、生態環境優勢明顯，實現山地資源可持續利用對構建山地經濟體系和帶動旅游產業發展具有重要的戰略意義[1-3]。伴隨旅游軌道交通的蓬勃發展，齒軌鐵路因其地形適應能力強、土地資源占用少、載客運量大、能源消耗低和可實現與傳統輪軌鐵路的互聯互通等優勢，逐漸被廣泛應用于旅游交通和山區支線等大坡度地段[4-9]。作為鐵路軌道結構的重要組成部件，軌枕具有固定鋼軌位置、傳遞列車荷載、保持鋼軌軌距的功能。齒軌鐵路軌枕既應兼顧普通輪軌鐵路使用功能，還須為與列車齒輪嚙合的齒條提供承力面，考慮到山區鐵路服役環境復雜、養護維修困難，這對齒軌鐵路軌枕的堅固性、耐久性等提出了更高的要求。

國內針對齒軌鐵路軌枕研究尚處于起步階段，主要包括國外齒軌鐵路軌枕應用介紹[10-11]以及齒軌鐵路無砟軌枕結構設計[12]?；钚苑勰┗炷潦?0世紀90年代法國BOUYGUES實驗室研制的一種高強度、高韌性、低孔隙率的超高性能混凝土材料[13-16]，具有優越的力學性能和高耐久性，在Sherbrooke步行橋、伊利諾伊州圓形屋蓋、法國核電站冷卻塔及我國青藏鐵路凍土區橋梁等應用良好。新材料的應用是工程結構創新和發展的重要驅動力[17-18]，目前尚無活性粉末混凝土用之于鐵路軌枕的相關研究。本文結合山地齒軌鐵路的工程特點，通過分析齒軌鐵路軌枕技術要求和活性粉末混凝土用于軌枕結構的性能特點和設計配比，提出齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構方案，并通過理論計算和室內試驗研究了軌枕結構的力學性能，為滿足齒軌鐵路運營條件的軌枕結構創新提供參考。

1 齒軌鐵路軌枕技術需求

齒軌鐵路運營線路縱坡大且滿足平地鐵路與山地鐵路無縫對接，對齒軌鐵路軌枕提出了更高的技術要求。與普通鐵路軌枕相比，齒軌鐵路軌枕服役環境更為惡劣、運營條件更為復雜，齒軌鐵路軌枕應滿足以下技術要求。

1.1 軌排結構穩定性保持能力

當列車在齒軌線路上運行時，列車通過齒輪與齒條的嚙合來傳遞牽引力和制動力，避免普通機車車輛在坡道線路黏著力不足的問題。普通鐵路輪軌系統受黏著力限制，坡度最大不超過30‰，齒軌鐵路最大運行線路坡度可達480‰[4，8]。大坡道鐵路線路易造成道床阻力衰減和軌排穩定性降低，對齒軌鐵路的行車安全性和平穩性具有重要影響，因此齒軌鐵路軌枕應具有長期保持軌排結構穩定性的能力。

1.2 結構強度

齒軌鐵路比普通鐵路在軌道中間多設置1條或多條特殊的齒形軌道，通過與齒軌列車配置的1個或多個齒輪間嚙合力傳動。作為齒形軌道的承力結構，齒軌鐵路軌枕結構受荷條件復雜，不僅承受齒形軌道的垂向荷載，且軌枕中部承受的縱向荷載較大，易引起軌枕混凝土縱貫性開裂，軌枕應具有較高的結構強度。

1.3 養護維修

齒軌鐵路是一種登山鐵路[5-6]，山地區域日溫差大、氣象多變，軌枕混凝土易承受頻繁的凍融循環作用，形成凍融破壞，并伴隨滲漏、碳化、土壤離子侵蝕等病害，復雜氣候條件下的山地環境縮短了齒軌鐵路的養護維修時間，要求軌枕應長期保持其使用功能。齒軌鐵路軌枕應具有更高的耐久性，降低軌枕系統日常養護維修工作量。

1.4 抗震性能

山區鐵路多位于地震活躍帶，在地震力作用下混凝土結構易發生延性破壞，應提高結構構件的彎曲變形能力。齒軌鐵路軌枕服役于地形、地質條件復雜的山區，應具有較好的韌性和變形能力，以保證地震荷載作用下軌枕系統的可靠性。

2 活性粉末混凝土性能特點

活性粉末混凝土是一種超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的水泥基復合材料。該材料通過提高組分的細度與活性，最大程度減少材料內部的空隙與微裂紋，以獲得超高強度與高耐久性。原材料活性組分由水泥、超細礦物活性粉末、石英砂(粒徑小于1 mm)等構成，活性組分粒徑在0.1 μm到1 mm之間?；钚苑勰┗炷裂兄谱裱韵禄驹瓌t。

(1)通過采用細骨料代替粗骨料、增大漿體彈性模量、降低骨料與漿體的配比，改進基質的勻質性。

(2)通過優化原材料級配和用量選擇，對新拌混凝土施加圍壓，提高混凝土拌和物的密實度。

(3)通過后凝固的熱處理加速混凝土的火山灰效應，改變已形成的水化物的微觀結構，改進活性粉末混凝土的微結構。

(4)通過摻入鋼纖維，改進活性粉末混凝土的韌性，斷裂能可達2×104～4×104J/m2。

(5)保持攪拌和澆筑盡可能與現有習慣做法接近，以利工程應用。

考慮工程實踐易操作性和結構設計性能指標，確定最佳活性粉末混凝土的配合比取值范圍如表1所示，不同強度等級活性粉末混凝土的主要性能指標如表2所示。

表1 活性粉末混凝土配合比取值 kg/m3

表2 活性粉末混凝土性能指標

3 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構設計

3.1 設計基本參數

齒軌鐵路面向山地旅游軌道交通設計，具有軸重小、速度低的特點，采用米軌鐵路軌排結構，齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕設計基本參數如表3所示。

表3 齒軌鐵路軌枕設計參數

3.2 軌枕結構設計

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕按整體式預應力混凝土長軌枕設計，為增大橫向抗力，考慮為有擋肩型式。以適應低速、小軸重線路國內應用成熟的Ⅱ型有擋肩軌枕為基礎進行軌枕設計，充分利用活性粉末混凝土的材料特點，有效降低軌枕截面高度。設計的齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構包括軌枕、鋼軌扣件預埋套管、齒軌扣件預埋套管等主要構件，結構尺寸如圖1所示。齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構具有以下特點。

(1)軌枕中部設計平整，預留齒軌安裝空間，承齒臺側面與軌枕頂面倒角順接，倒角順接角度168°。

(2)為充分發揮活性粉末混凝土的強度性能優勢，軌枕混凝土采用RPC140混凝土，沿縱向雙層配8根φ7 mm螺旋肋鋼絲，總張拉力363 kN。

(3)沿軌枕縱向布13根箍筋，在承軌臺擋肩處增設箍筋，以增大擋肩橫向承載能力。

(4)鋼軌和齒軌扣件預埋套管在軌枕兩端及承齒臺中部分別對稱布置。

(5)軌枕最大截面高度為160 mm，較常規Ⅱ型軌枕截面高度降低約30%。

圖1 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構(單位：mm)

4 齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕力學性能

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構承載能力達標是保證超高性能混凝土軌枕服役期內安全可靠的基礎。經計算，在考慮最大運行線路坡度為120‰條件下，軌枕縱向受荷19 kN，相比垂向荷載小得多[19]，故本文從理論計算和室內試驗兩個方面，著重對齒軌鐵路軌枕結構垂向承載能力進行分析。

4.1 理論分析

4.1.1 軌枕荷載彎矩

齒軌列車荷載通過鋼軌作用于軌枕，承軌部分的垂直壓力按式(1)計算。

Rd=γ·(1+α)·P0

(1)

式中Rd——軌枕枕上動壓力；

γ——重分配系數；

α——綜合動載系數。

軌枕軌下截面和枕中截面荷載彎矩計算圖示如圖2所示。

圖2 軌枕荷載彎矩計算圖示

軌下截面最大正彎矩由式(2)計算。

(2)

式中Ks——軌枕設計系數；

a1——鋼軌中心線至枕端的距離；

e——一股鋼軌下軌枕全支承長度；

b′——鋼軌底寬。

枕中截面最大負彎矩由式(3)計算。

(3)

式中l——軌枕長度。

4.1.2 鋼筋預應力損失

根據GB50010—2010《混凝土結構設計規范》的規定，計算混凝土軌枕的預應力損失。

(1)張拉端錨具變形和預應力筋內縮引起的應力損失σl1由式(4)計算。

(4)

式中α——張拉錨具變形和預應力鋼筋內縮值；

l——張拉端至錨固端之間的距離。

(2)對于鋼筋與管道的摩擦引起的應力損失σl2，由于設計方案選用無粘結預應力鋼絲，則σl2=0；

(3)對于當采用蒸汽或其他方法加熱養護，由于鋼筋和張拉臺座之間的溫差引起的應力損失σl3由式(5)計算。

σl3=2Δt

(5)

式中 Δt——混凝土加熱養護時，預應力鋼筋與承受拉力的設備之間溫差。

(4)預應力鋼筋松弛引起的預應力損失σl4由式(6)計算。

(6)

式中σcon——控制張拉應力；

fptk——預應力鋼筋張拉強度標準值。

(5)混凝土收縮和徐變引起的應力損失σl5由式(7)計算。

(7)

式中σpc——受拉區預應力鋼筋合力點處的混凝土法向壓應力；

ρ——預應力鋼筋和普通鋼筋的配筋率。

4.1.3 軌枕靜載抗裂彎矩

(1)軌下截面

(8)

其中

(9)

式中σpe——軌下截面下邊緣由預應力產生的混凝土法向應力；

Npe——考慮鋼筋預應力損失的預應力鋼筋合力；

A0——軌下截面換算截面面積；

e0——軌下截面預應力鋼筋合力作用點對截面形心的偏心距；

I0——軌下截面慣性矩；

yd——軌下截面換算截面形心至下邊緣的距離；

ftk——混凝土軸心抗拉強度標準值；

W0——軌下截面換算截面抗彎截面系數。

(2)枕中截面

(10)

其中

(11)

h′——枕中截面高度；

4.1.4 軌枕疲勞承載彎矩

(1)軌下截面

(12)

式中ft——混凝土軸心抗拉強度設計值。

(13)

式中h——軌下截面高度。

(2)枕中截面

(14)

(15)

4.1.5 軌枕破壞承載彎矩

由于軌枕截面高度較小，預應力鋼筋均勻對稱布置，且軌枕截面配筋率偏高，根據GB50010—2010《混凝土結構設計規范》的規定，由式(16)計算軌下截面破壞承載正彎矩和枕中截面破壞承載負彎矩。

fc·bi·x=fpy·Ap

(16)

4.1.6 軌枕試驗荷載

軌枕靜載抗裂試驗荷載F和疲勞試驗荷載Fmax，分別依據TB/T 1879—2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》和TB18778—2002《預應力混凝土軌枕疲勞試驗方法》，由式(17)和式(18)計算。

F=7.273Mcr

(17)

Fmax=1.05F

(18)

4.1.7 計算參數及結果

齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕混凝土采用RPC140混凝土，其計算參數如表4所示。預應力鋼筋采用高強螺旋肋鋼絲，其計算參數如表5所示。

表4 軌枕混凝土計算參數 MPa

表5 預應力鋼筋計算參數 MPa

根據前述軌枕承載能力計算方法及計算參數，得到齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕承載力學性能指標如表6所示。

表6 軌枕承載力學性能指標

4.2 室內試驗

為對照理論計算結果驗證齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕承載力學性能，在滿足軌枕疲勞承載能力的條件下，因軌枕軌下截面和枕中截面破壞承載彎矩與疲勞承載彎矩之比均大于2，故在試制齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕后，只進行軌枕靜載抗裂和疲勞強度試驗[20]。

室內試驗環境溫度和相對溫度分別控制在(10～18) ℃和(41～52)%，3根試驗樣品用于靜裂試驗，6根用于疲勞試驗。軌枕試驗荷載基于理論計算結果適當放大，齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕靜裂試驗荷載軌下和枕中截面分別取值110 kN和90 kN，疲勞試驗荷載軌下和枕中截面分別取值110 kN和85 kN。室內試驗過程如圖3和圖4所示。

圖3 軌下截面靜載抗裂試驗

圖4 軌枕裂縫檢驗

軌枕靜載抗裂試驗結果顯示，在試驗荷載持荷3 min后，試驗軌枕均未產生裂縫。軌枕疲勞強度試驗結果顯示，試驗軌枕經200萬次疲勞循環荷載后卸荷，亦未發生裂縫?？梢婟X軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構滿足承載能力要求。

5 結論

根據山地齒軌鐵路的運營特點，分析了齒軌鐵路軌枕的技術需求，研究了活性粉末混凝土用于齒軌鐵路軌枕結構的性能特點和配比取值，通過理論計算和試制試驗對比分析了齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕結構的力學性能，得到結論如下。

(1)山地齒軌鐵路軌枕應滿足軌排結構穩定性保持能力、較高的結構強度、易于養護維修、較好抗震性能的技術需求。

(2)活性粉末混凝土具有超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的材料特點，在齒軌鐵路領域有著良好的應用前景，設計配比可用于齒軌鐵路軌枕結構。

(3)采用RPC140混凝土，8根φ7 mm螺旋肋鋼絲雙層配筋，截面高度160 mm的齒軌鐵路活性粉末混凝土軌枕設計可滿足12 t設計軸重、40 km最大時速的齒軌鐵路承載能力要求，從技術經濟性考慮，軌枕結構還可進一步優化。