30 t轴重重载铁路混凝土轨枕设计与试验研究

林红松 颜 华

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

30 t轴重重载铁路混凝土轨枕设计与试验研究

林红松 颜 华

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

随着重载铁路轴重和年运量的增加，轨枕的承载能力和疲劳寿命将有所降低，为保证重载铁路的运输安全，有必要开展30 t及以上轴重的重载轨枕设计研究。文章结合我国重载铁路的运营特点，以Ⅲ型混凝土轨枕为基础，提出了通过适当增大轨枕断面和预应力钢筋、减小轨枕挡肩倾角等措施来提高轨枕承载能力的方案，并根据重载铁路轨枕的结构设计，计算分析了轨下及轨中截面承载能力弯矩及静载和疲劳强度试验值，在此基础上开展了轨枕的静载抗裂和疲劳试验。研究结果表明：采用上述措施后的重载轨枕的承载力弯矩大于荷载弯矩；重载轨枕能够满足国内标准的相关试验要求和30 t轴重重载铁路的使用要求，研究结果可为30 t轴重重载铁路轨枕的设计与试验提供参考。

重载铁路； 混凝土轨枕； 结构设计； 承载力； 试验研究

近年来，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，美国、澳大利亚、加拿大等国家在重载铁路中已开始运营30 t轴重及以上的重载列车，并取得了一定的运营经验。我国重载铁路目前仍以运营25 t轴重列车为主，缺乏30 t轴重及以上线路的运营经验。随着重载列车速度的提高、轴重及运量的增加，易造成轨道结构伤损增加。近年来，多次线路调查结果表明，我国重载线路上的混凝土轨枕出现了一定程度的伤损，如挡肩破损、轨枕轨下及中间截面横向裂纹等。

目前，我国既有线上大量铺设的Ⅲ型及Ⅱ型轨枕的设计轴重为25 t。随着重载铁路轴重和年运量的增加，轨枕的承载能力和疲劳寿命将有所降低，为保证重载铁路的运输安全，有必要开展30 t及以上轴重的重载轨枕设计研究，从而满足30 t及以上轴重重载铁路的运营条件。

1 轨枕设计方法

1.1 荷载弯矩

轨枕压力计算采用TB 2034-1988《铁路轨道强度检算法》，采用连续弹性基础梁模型计算。轨枕枕上垂直动压力设计值计算公式为：

Rd=γ(1+α)P0

(1)

式中：Rd——轨枕枕上垂直动压力(kN)；γ——轮重分配系数，与轨枕间距、扣件刚度、车轮轴距、钢轨型式等有关；

α——动载系数，取1.5；

P0——静轮重，取设计轴重的一半。

轨枕关键截面主要分为轨下截面与枕中截面，弯矩计算根据TB 2034-1988《铁路轨道强度检算法》，轨下截面与枕中截面弯矩计算，如图1所示。

图1 轨枕弯矩计算图

轨下截面弯矩计算公式为：

(2)

枕中截面弯矩计算公式为：

(3)

式中：a1——荷载作用点至枕端距离，取a1=54 cm；

e——一股钢轨下轨枕的全支承长度，取e=95 cm；

b'——轨下衬垫宽度，一般取轨底宽(cm)；

Ks——轨枕设计系数，取1；

l——轨枕长度(cm)。

1.2 预应力损失

根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的相关要求，确定混凝土轨枕的预应力损失。

(1)锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失

(4)

式中：a——张拉端锚具变形和预应力内缩值(mm)；

l——张拉端至锚固端之间的距离(mm)；

Es——预应力钢筋弹性模量(MPa)。

(2)预应力筋的摩擦损失

由于Ⅲ型轨枕采用先张法施工，故不考虑预应力筋的摩擦损失。

(3)预应力筋的应力松弛

(5)

式中：σcon——控制张拉应力；fptk——预应力钢筋抗拉强度标准值。

(4)混凝土的收缩徐变

(6)

式中：σpc——受压区预应力钢筋合力点处的混凝土法向压应力；

ρ——截面预应力钢筋和普通钢筋配筋率，由于普通钢筋影响较小，只考虑预应力钢筋。

1.3 轨枕抗裂弯矩及试验荷载

根据TB/T 2190-2002《预应力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》，轨枕静载抗裂要求在脱模后48 h内完成，同时放张时混凝土抗压强度不低于设计强度的75%，故在计算混凝土截面静载抗裂承载弯矩时，对C60混凝土，使用C45混凝土的抗拉、抗压强度。

Mcr=(σpc+1.75ftk)W0

(7)

式中：Mcr——轨枕截面静载抗裂弯矩；σpc——混凝土受拉边缘的法向预拉应力；ftk——混凝土抗拉强度标准值，根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》取值；

W0——换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩。

根据TB/T 1879-2002《混凝土轨枕静载抗裂试验方法》，检验荷载F由下式计算

F=7.273Mcr

(8)

1.4 设计承载弯矩及试验荷载

疲劳(设计)承载弯矩根据下式进行计算。

Mf=(σpc+0.7ft)W0

(9)

式中：Mf——轨枕截面疲劳(设计)承载弯矩；ft——混凝土抗拉强度设计值。

同时，受压区混凝土边缘压应力计算公式为：

(10)

疲劳试验荷载：

Fmax=(1.05～1.1)F

(11)

1.5 破坏承载弯矩

轨枕截面受弯极限(破坏)承载弯矩根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》进行计算：

(12)

(13)

由于Ⅲ型轨枕全截面受到压应力，故受拉区混凝土相关计算项不予考虑，上式简化为：

(14)

α1fcbx=fpyAp

(15)

2 轨枕设计方案

2.1 设计基本参数

30t轴重重载铁路轨枕设计基本参数，如表1所示。

2.2 轨枕设计弯矩

根据轨枕设计方法及主要设计参数，计算得到30t轴重重载铁路轨枕的设计弯矩如表2所示。

表1 重载轨枕主要设计参数

表2 轨枕设计弯矩

2.3 轨枕结构设计

轨枕定位为整体式单块预应力混凝土轨枕，考虑有挡肩轨枕的横向抵抗能力更强，因此重载轨枕设计为有挡肩型式。同时针对重载铁路轨枕受力特点，为提高轨枕抗弯承载力及挡肩横向承载力，以增大轨枕断面和配筋为主要方式。Ⅲ型轨枕是由Ⅰ、Ⅱ型轨枕发展而来，是国内有砟轨道线路的主要轨枕，且Ⅲ型轨枕最早是按25 t轴重条件设计的。因此，以国内应用成熟的Ⅲ型有挡肩轨枕为基础进行轨枕设计，在既有线更换升级轨枕方面，具有优越性。设计的30 t轴重重载轨枕结构尺寸，如图2所示。

图2 重载轨枕结构设计(mm)

2.4 结构设计特点

30 t轴重轨枕结构方案主要有以下特点：

(1)为提高重载轨枕的挡肩承载能力，优化传力方向，承轨槽两底脚采用凹槽设计；

(2)承轨槽挡肩与承轨面的夹角由III型有挡肩轨枕的120°调整为100°；

(3)在挡肩处增加箍筋，提高挡肩横向承载能力；

(4)采用C60混凝土，10φ8的螺旋肋钢丝，总张拉力480 kN；

(5)主体尺寸与III型有挡肩轨枕基本相同。

2.5 轨枕承载能力检算

30 t轴重重载轨枕采用C60混凝土，其轴心抗压强度标准值fck=38.5 MPa，轴心抗拉强度标准值ftk=2.85 MPa，轴心抗压强度设计值fc=27.5 MPa，轴心抗拉强度设计值ft=2.04 MPa，弹性模量为 36 000 MPa。重载轨枕采用10φ8的螺旋肋钢丝，钢丝的截面积为50.3 mm2，预应力钢丝的抗拉强度标准值fptk=1 570 MPa，预应力钢丝的抗拉强度设计值 1 110 MPa，抗压强度设计值为410 MPa，弹性模量为2.05×105MPa。根据轨枕设计方法及材料参数，预应力钢筋控制张拉应力为954.9 MPa，预应力损失合计约134.8 MPa，轨下断面受压区边缘混凝土应力为7.5 MPa、枕中断面受压区边缘混凝土应力为11.9 MPa。30 t轴重重载铁路轨枕的承载能力检算结果，如表3所示。

表3 承载能力检算

从表3可见，新型轨枕可以满足30 t轴重重载铁路的承载能力要求。

3 轨枕室内试验

为进一步验证重载铁路轨枕能满足30 t轴重重载铁路的运营要求，参照TB/T 1879-2002《预应力混凝土轨枕静载抗裂试验方法》和TB/T 1878-2002《预应力混凝土轨枕疲劳试验方法》，进行了轨枕静载抗裂和疲劳强度试验。轨枕静载抗裂和疲劳强度试验项目包括轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩两个力学参数，且静载和疲劳的加载图示基本相同，其中轨下截面和中间截面静载试验图示，如图3所示。

图3 轨枕静载试验图示(mm)

在轨枕承载能力计算结果基础上适当增大，重载铁路轨枕静载试验的轨下检验荷载取215 kN，中间截面检验荷载取180 kN，轨下截面疲劳检验荷载最大值取230 kN，中间截面疲劳检验荷载最大值取190 kN。

通过对30 t轴重静载抗裂重载铁路轨枕在室内进行静载抗裂和疲劳强度试验，试验结果表明，在开裂检验荷载下，未发现轨枕开裂；轨枕轨下截面和枕中截面实际开裂荷载分别为277 kN、236 kN；疲劳试验结果表明，轨枕在经过200万次疲劳循环荷载后卸载，未发现裂纹。试验结果表明重载轨枕能满足检验标准的要求，且有一定的安全余量。

4 结论

本文结合我国重载铁路的运营特点，按照国内相关标准对30 t轴重重载铁路混凝土轨枕开展了设计及试验研究，得到如下结论：

(1)通过增大轨枕断面、提高预应力钢筋面积等措施，可有效提高轨枕承载能力。

(2)按照国内标准对新型重载轨枕开展了室内试验研究，新型重载轨枕的静载抗裂和疲劳试验结果均满足相关要求，表明新型重载轨枕能满足30 t轴重重载铁路的使用要求。

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Research on Design and Experiment of Concrete Sleeper Suitable for 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

LIN Hongsong YAN Hua

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.，Chengdu 610031, China)

With the increase of axle load and annual volume of traffic of heavy haul railway, carrying capacity and fatigue life of the sleeper are decrease to some extent. In order to ensure the transport safety, it is necessary to study the concrete sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway. Considering of the operation characteristics of heavy haul railway in China, the measures were taken to improve the bearing capacity of sleeper such as increase of the cross section of sleeper and prestressed reinforcement, decrease of the angle of sleeper shoulder based on the type Ⅲ concrete sleeper in this paper. According to the structural design of heavy haul railway sleeper, the bearing capacity of rail seat and sleeper center section, static load and fatigue test value were calculated and analyzed, and the static load crack resistance and fatigue test were carried out. The research results show that the bearing bending moment of concrete sleeper for heavy haul railway is greater than the load bending moment after adopted these measures. The heavy haul railway sleeper can meet the experimental requirements of China’s technical standards and the operating requirements of 30t axle load heavy haul railway. Research results can provide references for the design and experiment of sleeper suitable for 30t axle load heavy haul railway.

heavy haul railway; concrete sleeper; structural design; bearing capacity; experimental research

2015-12-29

林红松(1982-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)03—0069—05

U213.3

A