铁路隧道用矮轨枕的设计与制造

2012-01-22黄伟标

铁道标准设计 2012年3期

黄伟标

(乐昌市安捷铁路轨枕有限公司,广东乐昌 512200)

我国研制混凝土轨枕已有近50年的历史,随着铁路的重载提速,混凝土轨枕由69型、Ⅰ型轨枕发展到Ⅱ型、Ⅲ型轨枕。目前,Ⅲ型轨枕不但已经大量使用在时速160 km、最大轴重230 kN的运营线路上,还应用于时速200 km、轴重250 kN的客货共线的运营线路上[1-5]。但是,在广州铁路(集团)公司所属既有线部分隧道内由于受隧道净空高度限制,一直使用轨枕板(宽枕)。轨枕板为密排铺设,大型机械捣固设备无法进行道床捣固作业,在作业环境恶劣的隧道内,人力捣固无论是施工质量还是施工时间上都与大型机械作业有很大差距,轨道板无法满足线路使用要求,成为线路提速的瓶颈之一。因此,开发既适合大型机械设备道床捣固作业且性能不低于III型枕的既有线隧道用预应力混凝土轨枕非常必要。

1 设计的主要难点[6]

(1)隧道内更换宽枕时轨面高程不能改变,为保证道床最小厚度不少于250 mm要求,矮隧道轨枕承轨槽截面高度不宜超过180 mm。

(2)在截面高度降低的情况下,设计的矮隧道轨枕的静载试验强度、疲劳试验强度与Ⅲ型预应力混凝土枕应相当。静载抗裂强度试验值满足：轨下截面210 kN；枕中截面170 kN。疲劳强度试验值满足：轨下截面230～46 kN；枕中截面180～36 kN。

(3)轨枕截面不宜过宽,铺设时满足现有大型机械设备(08-32捣固车)捣固作业要求,具体要求如下。

①最小枕间隙S1

以Ⅲ型轨枕为例,当捣固设备的加宽块处于工作状态时,捣固设备的捣固外臂张开度最小状态L=1 040 mm(没有夹持状态)。如果枕间距很小,作业时会出现移枕或劈枕的现象。当捣固设备外镐沿着被捣轨枕的临近轨枕(第1、第4根轨枕)边缘下插时,能够确保不移枕,如图1所示,这时需要的枕间隙是最小枕间距。

图1 最小枕间距(单位：mm)

捣镐的厚度B=80 mm,轨枕的宽度为A=300 mm,假设轨枕与轨枕之间的间隙为S1,由图1可知,L+2B=3S1+2A,代人数值得出S1=200 mm。

②最大枕间隙S2

当捣固设备的加宽块处于不工作状态,即把加宽块抬起,捣固设备的外臂张开度处于最大状态L=1 040 mm(没有夹持状态)。即当捣固设备的外镐沿着被捣轨枕的边沿下插,为确保不移枕,必须预留好夹持距离C=50 mm,如图2所示,如果沿着轨枕边下插,一夹持就可能出现移枕现象。

图2 最大枕间距(单位：mm)

由图2可知,L=2C+2A+S2,代入数值得S2=500 mm。

为了保证线路捣固作业质量,不出现移枕或劈枕现象,轨枕间隙必须满足如下条件：200 mm≤S≤500 mm。

(4)在满足设计承载能力的前提下,尽可能地减小混凝土预压应力,混凝土最大预压应力应满足《预应力混凝土枕设计方法》中不大于12 MPa的要求。

2 适用条件

矮隧道轨枕与Ⅲ型轨枕等强设计,适用范围与Ⅲ型轨枕相同。

60 kg/m钢轨,标准轨距；

机车、车辆最大轴重250 kN；

年通过总重密度50～100 Mt·km/km;

旅客列车最高行车速度200 km/h；

轨枕配置根数1 667根/km；

碎石道床,道床厚度满足规范要求；

线路最小曲线半径350 mm；

配套扣件为弹条Ⅱ型扣件。

3 轨枕截面及强度设计[3-5][8-10]

矮隧道轨枕设计方案是在多种方案比选后确定的,进行了如下方案对比：轨下截面高度160 mm,枕中截面高度140 mm；轨下截面高度170 mm,枕中截面高度150 mm；轨下截面高度170 mm,枕中截面高度160 mm；轨下截面高度180 mm,枕中截面高度150 mm；轨下截面高度180 mm,枕中截面高度170 mm。以上多种方案或是由于达不到Ⅲ型轨枕的设计强度或是由于混凝土预压应力值过高而无法实施。要达到Ⅲ型轨枕的设计强度,矮隧道轨枕截面高度降低后,只有采用增加预应力钢筋同时提高预应力钢筋合力的方法实现。降低截面高度并增加预应力钢筋合力,会增大混凝土的预压应力值,过多的降低轨枕高度,会使混凝土预压应力无法满足《预应力混凝土枕设计方法》中不大于12 MPa的要求。经多方案比选确定的最优方案为轨下截面高度180、枕中截面高度160 mm。

3.1 轨下截面主要参数

截面底宽(按照Ⅲ型轨枕标准) 320 mm

截面高 180 mm

混凝土强度等级 C60

施加预应力时混凝土立方体强度 ≮45 MPa

预应力钢筋强度标准值 1 670 MPa

3.2 枕中截面主要参数

截面底宽(按照Ⅲ型轨枕标准) 320 mm

截面高 160 mm

混凝土强度等级 C60

施加预应力时混凝土立方体强度 ≮45 MPa

预应力钢筋强度标准值 1 670 MPa

4 设计荷载弯矩验算[1，7]

矮隧道轨枕的设计荷载与Ⅲ型轨枕相当。

依据《预应力混凝土枕设计方法》,枕上压力R计算如下

R=γ·P0(1+α)

式中γ——轮重纵向分配系数,取0.48；

α——综合动载系数,重型轨道取1.5；

P0——轮重,取250/2=125 kN。

由此得出枕上压力R=150 kN。

荷载弯矩计算图示如图3、图4所示。

图3 轨下截面荷载弯矩计算图示(单位：cm)

图4 枕中截面荷载弯矩计算图示(单位：cm)

依据荷载弯矩计算图3、图4,得出正负弯矩设计值为：轨下M=17.3 kN·m；枕中M=15.0 kN·m。

5 本轨枕与其他轨枕主要技术参数的对比

目前线路上大量使用的轨枕类型有宽枕、Ⅱ型轨枕、Ⅲ型轨枕。本轨枕及宽枕、Ⅱ型轨枕、Ⅲ型轨枕的主要设计参数对比如表1所示。

表1 4种轨枕参数比较

6 矮隧道轨枕的制造和验收要求[2]

生产矮隧道轨枕的原材料和工艺设备与Ⅲ型混凝土轨枕基本相同,因此,可按照有挡肩Ⅲ型轨枕技术条件进行矮隧道轨枕的制造和验收。执行标准如下:《预应力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》(TB/T2190—2002)；《预应力混凝土枕疲劳试验方法》(TB/T1878—2002)；《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》(TB/T1879—2002)。

以上3项标准是矮隧道轨枕制造验收的基础,但由于矮隧道轨枕混凝土预压应力较大,为确保矮隧道轨枕的制造质量,制造中还应严格遵守如下要求。

(1)预应力钢丝的总张拉力应符合设计图的规定,施加的总张拉力偏差应不超过设计值的±5%,其张拉程序为0→σk持荷1 min→补拉至σk后拧紧螺母,应采用自动张拉设备。

(2)预应力钢丝受力应均匀。同组钢丝内钢丝长度最大值与最小值之差应不超过2 mm。

(3)采用蒸汽养生时,在温度不大于30 ℃的环境中静停时间应不少于3 h；混凝土升温速度及降温速度应不大于15 ℃/h,最高养生温度应不大于55 ℃,最高养生温度持续时间应不超过8 h；养生结束时轨枕表面与坑外环境温差不大于15 ℃。

(4)轨枕脱模后,应洒水养生3 d以上。

(5)应采取措施缓慢释放应力。当采用张拉设备放松紧固螺母时,张拉力应不超过σk值的90%。