重载铁路快速弹条扣件配套轨枕设计

谷呈朋 袁宪利 李 苗 裴爱华

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.陕西靖神铁路有限责任公司，陕西榆林 719000)

近年来，我国重载铁路发展迅速，先后建成了大秦铁路、朔黄铁路、瓦日铁路等重载货运通道，国内最长的重载煤运铁路通道—蒙华铁路，也在快速建设之中。作为承载铁路运输的基础，轨道工程技术也在不断发展进步，为重载运输的发展创造了重要条件[1-2]。

靖神铁路是蒙华铁路集疏运系统的重要支线和陕西省内最长的煤炭运输铁路，南起靖边北站(与蒙华铁路接轨)，北至神木西站(与包西铁路接轨并连通红柠铁路)。设计运量近期5 100×104t，远期7 200×104t，设计标准为国家Ⅰ级电气化铁路，将与蒙华铁路同步建成。

重载铁路运量大、轴重大、行车密度大、荷载作用时间长，轨道结构所受冲击较大，易造成轨道结构的伤损，恶化轨道工作状态[3]。轨道结构的工作状态与轨道部件尺寸、材料等参数有关[4]。美国、加拿大、巴西、南非等国在重载铁路中采用了养护维修成本较低的快速弹条扣件系统，我国在合武、石太等客运专线也有该类型扣件的应用。侯尧花[5]介绍了扣件预埋铁座定位装置的研制情况及定位装置在轨枕生产中的工艺要点；张向辉[6]等介绍了与客运专线快速弹条扣件配套使用的预应力混凝土轨枕的生产制造技术；林红松[7]等通过适当增大轨枕截面和增加配筋、减小轨枕挡肩倾角等措施，对30 t轴重混凝土轨枕进行了设计与试验研究；杜香刚[8]结合国外重载轨枕形式，介绍了新型高稳定性轨枕的设计和研发情况。

另一方面，轨枕作为有砟轨道结构的主要构件，可起到有效降低道床垂向动力、延缓道床劣化等作用[9]。目前，针对重载铁路轨枕的设计研究主要侧重轨枕自身结构的设计，通常是从增加配筋、扩大枕底接触面等方面对普通轨枕进行强化设计。快速弹条扣件作为一种新型扣件系统，在国外重载铁路应用较多；国内轨枕设计多配套传统弹条扣件，较少有针对快速弹条扣件的配套轨枕和桥枕设计。结合靖神铁路工程，在既有国铁Ⅲ型轨枕基础上，针对快速弹条扣件系统的结构特点，进行配套轨枕及桥枕的设计。

1 快速弹条扣件简介[10]

标准配置的FC-16扣件系统由快速弹条、绝缘帽、轨距挡块、轨下垫板和预埋铁座等组成(如图1)。

图1 快速弹条扣件系统

该扣件是一种无螺栓扣件系统，其主要优点是具有独特的开关式横向安装结构，能快速有效地进行安装和拆卸，养护维修成本低。

国内重载常用的扣件系统对轨枕的接口主要是通过预留锚固螺栓孔或预埋套管实现，生产控制较为简单。快速弹条系统采用了特殊的预埋铁座结构，对漏出轨枕表面部分预埋件的定位要求比较高，需对几处关键接口尺寸进行控制。目前，普通Ⅲb型轨枕模具及预埋件制作工艺不能满足快速弹条扣件系统对轨枕的接口要求，需对扣件与轨枕接口进行配套设计。与传统Ⅲ型桥枕相比，采用快速弹条扣件后，为适应扣件功能并满足相关规范要求，需调整桥枕尺寸，并对桥枕进行受力分析检算。

2 配套轨枕设计

2.1 配套轨枕设计原则

结合靖神铁路的工程实际及扣件结构特点，配套轨枕设计原则如下：

(1)尽量采用成熟的设计方案，保证轨枕的承载能力不低于既有国铁Ⅲ型枕。

(2)轨枕长度按2.6 m设计。

(3)预埋件接口工艺满足FC-16型扣件系统的接口要求，并保证扣件安拆的空间要求。

(4)桥枕设计时，护轨与基本轨净距为500 mm；护轨顶面与基本轨(60 kg/m或70 kg/m)顶面高差限差为-25～5 mm。

2.2 配套轨枕方案及接口设计

FC-16型扣件配套使用的Ⅲ型预应力混凝土枕(简称ⅢFC16型枕)外形尺寸和结构配筋采用了与Ⅲb型轨枕相同的设计方案，轨下高度维持不变，针对预埋件部分，按照快速弹条扣件系统的相关制造要求进行了接口设计。

根据FC-16型扣件系统的相关要求，轨枕预埋件的接口内容包括：

①预埋铁座抗拔力不小于70 kN；

②轨底坡设置在轨枕承轨面上；

③主要的控制尺寸包括两承轨台外侧预埋件间距离、同一轨底内外侧预埋件间距离、预埋件对称轴控制点(A点)至枕面高度、预埋件下部两翼控制点(B、C点)至枕面高度等。

图2 预埋件接口示意(单位:mm)

轨枕接口设计的重点是对生产制造过程中关键尺寸的控制要求，预埋铁座的控制尺寸均需通过专用量具及角度尺等进行检查(如图2所示)。

在新Ⅲ型混凝土桥枕基础上，结合快速弹条扣件系统及工程特点对轨下截面进行了优化，提出轨下高度分别为227.5 mm、215.5 mm和211 mm的三个设计方案。其中，轨下高度227.5 mm方案便于快速弹条扣件安拆，轨下承载能力也最大，但对换轨适应性较差；轨下高度211 mm方案能适应不同基本轨的更换条件，但扣件外侧挡肩较高，不利于扣件安拆，且轨下承载能力最小；轨下高度215.5 mm方案能适应不同基本轨的更换条件，方便扣件安拆，轨下承载能力居中。经综合比选，从快速弹条扣件系统的安拆便利性、与基本轨的适应性、满足护轨铺设要求等方面确定了轨下截面设计方案(即轨下高度215.5 mm)。桥枕设计方案如图3所示。

图3 ⅢqFC16型枕轨下截面设计方案(单位:mm)

2.3 桥枕的设计检算

(1)桥枕外荷载弯矩

轨枕压力计算采用《铁路轨道强度检算法》[11]规范、连续弹性基础梁模型计算。预应力混凝土桥枕上承轨部分的竖向荷载Rd按式(1)计算

Rd=γPj(1+α)(1)

式中：Pj为净轮重(kN)，为设计静轴重的一半。

γ为轮重分配系数，与钢轨类型、支承刚度及轨枕间距等因素有关，也可根据轨枕实际使用条件计算确定，参照相关规范取0.48；

α为附加动载系数，与行车速度、轨道状态等因素有关，重载铁路取1.5。

将各参数取值代入式(1)中，可得轨枕垂直动压力Rd为150 kN。

轨道关键截面主要分为轨下截面与枕中截面，针对桥枕的实际使用等情况，轨下截面与枕中截面外荷载弯矩按图4计算。

图4 桥枕外荷载弯矩计算

轨下截面弯矩计算公式为

(2)

枕中截面弯矩计算公式为

Mz=(8eL-8e2+3L-6e)q/16+

PL1-Rd(L-2a1)/2(3)

其中，均布荷载q=8(Rd-P)/(3L+2e)

L为轨枕长度。

L1为护轨作用点至枕中距离。

a1为基本轨作用点至枕端距离。

bq为轨下垫板宽度。

e为一股钢轨下轨枕的全支承长度。

根据计算图示及设计方案，枕长L=2.6 m，L1=0.183 m，a1=0.542 m，bq=0.15 m，e=1.1 m，外荷载弯矩计算结果如表1所示。

表1 桥枕外荷载弯矩值 kN·m

经计算，与既有新Ⅲ型桥枕外弯矩一致。

(2)桥枕承载能力检算

轨枕承载能力计算主要包括疲劳承载弯矩计算、静载抗裂弯矩计算及破坏承载弯矩的计算等。

结合桥枕轨下截面的调整情况，轨下截面高度调整为215.5 mm，由此计算出换算截面抗弯刚度、偏心距等。根据《混凝土结构设计规范》[12]计算预应力损失等，由此可得预应力产生的混凝土法向应力。根据《预应力混凝土枕疲劳试验方法》[13]、《混凝土轨枕静载抗裂试验方法》[14]等规范，参考《预应力混凝土枕设计方法》[15]及《预应力混凝土轨枕的设计计算》[16]的设计方法和实例，经计算，可得轨枕疲劳及抗裂承载弯矩值，结合桥枕的试验情况可得静载检验荷载。桥枕承载能力检算结果如表2所示。

表2 桥枕轨下截面承载能力

通过对桥枕的设计检算，ⅢqFC16型枕相较于既有桥枕承载能力有所提高，满足外荷载弯矩的要求。

3 轨枕的制造

重载铁路由于大轴重、大运量的特点，要求轨枕能提供较高的强度、线路纵横向阻力以及较小的养护维修工作量，预埋铁座形式能更好地为线路提供横向阻力，但是轨枕制作难度相应增大。

快速弹条扣件系统在我国使用相对较少，部分轨枕厂尚属首次进行该类型轨枕的生产，在ⅢFC16型轨枕及ⅢqFC16型桥枕的试生产制造过程中碰到一些问题。

在试生产过程中，为了控制预埋铁座位置精度，采取了不同的工艺措施。

根据实际生产情况，在轨枕制造要求中增加了四周平整度的检查。通过调研，采用预埋铁座橡胶密封圈的工艺相对较好，但应结合生产过程，合理控制密封圈硬度及与轨枕面的高度关系。

此外，由于护轨承轨槽结构存在内侧挡肩，初期设计方案中内侧挡肩部位采用了110°交角。现场反映，生产过程易存在部分脱模掉角的情况。在优化的方案中，挡肩角度采用了不小于120°的交角，有效地防止了挡肩边缘脱模引起的损伤，提高了产品成品率。

4 配套轨枕的相关使用说明

针对靖神线工程实际，对ⅢqFC16型枕的适用性进行分析。根据铁运[2007]243号《铁路桥梁铺设护轨暂行规定》“护轨顶面不应高出基本轨顶面5 mm，也不应低于25 mm”及TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》“桥上护轨应与基本轨相匹配，宜采用不小于50 kg/m钢轨。护轨顶面不应高出基本轨顶面5 mm，也不应低于基本轨面25 mm”的相关规定，轨枕设计时基本轨采用60 kg/m钢轨同时兼顾预留75 kg/m钢轨条件。采用50 kg/m护轨时，护轨高度降低24 mm，护轨顶面已低于基本轨顶面+25 mm，不能满足相关规定的要求。故需考虑使用护轨扣件+5 mm的调高量。扣件最高只能调高5 mm。因此，生产过程中应加强轨枕护轨承轨面的精度控制。

配套轨枕设计时采用了Ⅲ型轨枕标准，承载能力按25 t轴重设计。针对目前我国重载铁路的实际情况及发展，对该轨枕的使用做相关分析说明。

考虑重载铁路行车速度相差不大，由行车速度引起轨枕受力的动态附加系数差异不大，故轨枕设计弯矩和轴重之比在一定程度上可反映轨枕设计中的安全储备。

对此，搜集对比了国内外轨枕的相关参数(如表3所示)[17]。

表3 各国混凝土轨枕的设计承载弯矩

对比表明，Ⅲ型轨枕在设计时留有较大安全储备，可满足近期靖神铁路工程的使用。

随着线路通过总重及轴重的逐渐增加，应及时根据车辆、线路等情况采取相应的加强措施对轨道结构进行强化，例如可通过采用75 kg/m重型钢轨、加密轨枕布置、增加枕下面积、更换承载能力更大的轨枕等。

随着国内重载轨枕技术发展进步及产品应用的不断成熟，长期通过30 t轴重列车时，应更换成熟的30 t轴重轨枕产品。

5 结论

(1)针对快速弹条扣件系统配套设计的轨枕满足设计需求，桥枕部分承载力有所提高。

(2)预埋件固定密封措施建议采用橡胶密封圈，轨枕挡肩宜尽量采用不小于120°交角，便于脱模和控制成品质量。

(3)该项轨枕设计承载能力不低于Ⅲ型枕，满足本工程目前使用要求，且承载能力具有较大安全系数。随着重载线路运量和轴重的增加，应及时采取相关加强措施，保证轨道结构强度，如加密轨枕布置、采用加强型轨枕等。