40t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究

尤瑞林，范 佳，郄录朝，李秋义

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；3.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，湖北武汉 430063）

重载铁路成为全球铁路快速发展的一个重要方向。从国外发展重载运输的实践来看，铁路货运已成为大宗货物运输最为经济高效的方式［1-2］。澳大利亚主要发展大轴重重载铁路，其FMG 铁路轴重为40 t；美国重载列车的轴重为32.5～35.7 t；巴西重载列车的轴重大部分在32.5 t 以上，并计划提高到37.5 t。中国已开展了大轴重重载铁路的相关研究，成功建成国内第1 条30 t 轴重重载铁路——瓦日铁路，但尚无成熟的40 t轴重重载铁路轨道结构技术体系。为了满足我国重载铁路“走出去”的需求，推进重载铁路技术国际化，有必要开展40 t 轴重重载铁路的轨道结构研发工作，提出适用于40 t 轴重重载铁路的轨道结构关键技术参数与关键部件结构［3］。

轨枕是有砟轨道结构的关键部件，一方面传递列车荷载，另一方面保持轨道结构几何状态［4］。轨枕通常按原材料类型分为木枕、混凝土枕、钢枕和复合材料轨枕［5］，其中，混凝土轨枕强度高，稳定性好，保持轨道几何能力强，是重载铁路主要采用的轨枕类型［6］。我国25 t轴重重载铁路主要采用Ⅲa型轨枕，30 t轴重重载铁路（如瓦日铁路和蒙华铁路）采用Ⅳa 型轨枕，但对于40 t轴重重载铁路混凝土轨枕目前仍缺乏相关技术储备。本文基于对国内外混凝土轨枕设计标准的对比分析，开展了40 t轴重重载轨枕的设计研究，并完成了室内试验研究，为更大轴重重载铁路轨道结构的发展应用提供技术储备。

1 国内外混凝土轨枕设计标准对比

世界主要的国家和地区均制定了相应的混凝土轨枕技术标准。北美地区采用北美铁路工程和维修协会（AREMA）编写的《AREMA 铁路工程手册 第4 部分：混凝土轨枕》［7］；欧洲地区采用EN 13230《铁路应用轨道混凝土轨枕和岔枕》标准［8］；澳大利亚采用AS 1085.14《轨道结构材料第14 部分：预应力混凝土轨枕》标准［9-10］。中国也已经发布了多项混凝土轨枕的行业标准，包括TB/T 2190－2013《混凝土枕》（适用于普速铁路）、TB/T 3300－2013《高速铁路有砟轨道预应力混凝土轨枕》等［10-11］。本文进行欧洲、北美及中国混凝土轨枕设计标准及相关规定的研究，对比分析国内外混凝土轨枕设计方法之间的差异，并开展40 t 轴重重载轨枕的研究和设计工作。

1.1 枕上动压力计算方法

列车运营过程中，轨枕承受钢轨传递下来的荷载，荷载的大小不仅与列车轴重、运行速度、车辆状态等外部因素有关，同时也与轨道几何、道床状态、轨道部件配置等线路因素有关［12］。轨枕承受的列车荷载是动态荷载，但在轨枕设计过程中通常将该动态荷载按准静态荷载考虑，通过一定的附加系数来计算其导致的轨枕弯矩值，这就是设计所用到的枕上动压力。

基于不同国家或地区混凝土轨枕设计中所采用标准的分析，可总结出不同国家或地区枕上动压力的计算方法，见表1。

轮重分配系数γ与钢轨类型、轨枕间距、轨道模量等因素有关，表1中γ的数值是各国家或地区针对常用轨道配置的推荐取值。

1.2 轨枕荷载弯矩计算方法

轨枕荷载弯矩计算公式一般是基于弹性地基梁理论来确立，但由于实际轨枕承受的荷载弯矩值受到轨枕底部道床支承状态以及线路实际运营状态的影响，不同国家或地区在具体荷载弯矩的计算公式中存在区别。通过对比不同国家或地区轨枕的设计标准，总结出混凝土轨枕荷载弯矩的计算方法，见表2［4］。表中数据是针对标准轨距、轨枕长度2.6 m、60 kg/m钢轨等常规配置考虑的。

表1 不同国家或地区枕上动压力的计算方法

表2 不同国家或地区轨枕荷载弯矩的计算方法

2 40t轴重重载铁路轨枕荷载弯矩计算

上文基于不同国家或地区轨枕设计标准，对枕上动压力、荷载弯矩计算方法进行了对比，以下将基于拟定的40 t 轴重重载铁路典型工况（表3），开展轨枕荷载弯矩的计算。

表3 拟定的40 t轴重重载铁路典型工况

基于上述运营条件及轨道结构基本配置情况，得到不同国家或地区轨枕荷载弯矩计算结果，见图1。

由图1可以看出：①由于国内外轨枕荷载弯矩的计算方法不同，导致轨枕不同截面位置荷载弯矩的计算结果存在差异。对于40 t 轴重重载铁路典型工况，北美地区标准计算出的轨下截面正弯矩显著高于欧洲和中国标准的计算结果；②造成这种计算结果差异的原因除了荷载弯矩的计算方法有区别以外，还由于动载系数的取值差异较大。北美地区标准中轨枕的动载系数均按照3.0 考虑；中国标准中轨枕动载系数按普速、高速和重载铁路3 种不同运营条件进行了区分；而欧洲标准中轨枕动载系数的取值则综合考虑了列车速度、支承条件等多个因素。

另外，轨枕的设计过程不仅与荷载弯矩有关，还与轨枕材料的强度取值方法、混凝土结构设计标准、轨枕产品的检验标准等因素有关。例如，中国混凝土轨枕设计过程中混凝土强度采用设计值而非标准值，轨枕的检验荷载值是基于轨枕设计承载能力来确定的；而欧洲和北美混凝土轨枕设计过程中混凝土强度采用标准值，轨枕的检验荷载是直接基于荷载弯矩计算值来确定的，因此各国的轨枕设计理念具有一定的差异。

以下将根据中国的轨枕设计方法来提出40 t轴重重载铁路混凝土轨枕的设计方案，然后采用国外轨枕的设计标准进一步进行室内试验验证。

图1 40 t轴重重载铁路轨枕荷载弯矩计算结果

3 40t轴重重载铁路轨枕设计方案

轨枕所用混凝土的28 d 强度等级为C60，预应力钢丝的抗拉极限强度σb为1 570 N/mm2，预应力钢丝的抗拉强度设计值fpy为1 070 N/mm2，预应力钢丝的抗压强度设计值fpy′为400 N/mm2，钢丝松驰率为Ⅱ级松驰。设计轨枕的关键截面尺寸及配筋方案与Ⅲa 型轨枕（适用于25 t 轴重）和Ⅳa 型轨枕（适用于30 t 轴重）的对比见表4［4］。其余设计参数如混凝土抗拉强度设计值以及抗压强度设计值、混凝土48 h 强度等级、混凝土抗拉标准值以及抗拉标准值、受拉区混凝土塑性影响系数等均按中国轨枕设计标准的规定取值。另外，在设计计算中应考虑养护时温差、墩头内缩、钢丝松驰等因素对钢丝预应力损失的影响。设计完成轨枕的外形尺寸及配筋如图2所示。

40 t 轴重重载轨枕采用的混凝土、预应力钢筋等原材料与既有的Ⅲa型、Ⅳa型轨枕相同。根据轨枕外形尺寸及配筋方案，计算出40 t 轴重重载轨枕轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩承载能力分别为35.6，22.3 kN·m。通过与Ⅲa 型、Ⅳa 型轨枕的对比可以看出，40 t 轴重重载轨枕在质量提高相对较小的情况下即可满足设计承载要求。

表4 轨枕的关键截面尺寸及配筋方案对比

图2 40 t轴重重载铁路轨枕设计方案示意（单位：mm）

4 40t轴重重载铁路轨枕室内试验

为了进一步考察设计的40 t 轴重重载轨枕的性能，以下基于AREMA 标准，对试制的轨枕开展承载强度试验。选择AREMA 标准进行试验，一方面是由于该标准中规定的检验值与现场的运营条件直接相关，另一方面是由于该标准规定的检验荷载值高于欧洲同类标准，检验条件更为严苛。

采用文献［4］详细介绍的AREMA 标准规定的试验方法，并结合上节计算得到的荷载弯矩值，本次设计的40 t 轴重重载轨枕按AREMA 标准的规定得出的荷载检验值见表5。室内试验情况见图3。

表5 40 t轴重重载轨枕按AREMA标准得到的荷载检验值kN

图3 40 t轴重重载轨枕室内试验情况

室内试验结果表明：新研发的40 t 轴重重载轨枕的轨下截面及枕中截面的正、负弯矩静载试验结果均满足AREMA 标准的相关要求，轨下截面正弯矩疲劳试验结果也满足该标准的要求，且具有较大安全余量。另外，按照AREMA 标准的规定还开展了预应力钢丝黏结力发展及轨枕承轨面磨损试验，试验结果均满足要求。

5 结论

1）由于国内外混凝土轨枕动载系数取值方法及荷载弯矩的计算方法不同，导致轨枕不同截面位置荷载弯矩的计算结果存在差异。对于40 t轴重重载铁路典型工况，北美地区标准计算出的轨下截面正弯矩显著高于欧洲和中国标准的计算结果。按中国混凝土轨枕的设计标准计算，40 t 轴重重载轨枕的荷载弯矩为：轨下截面正弯矩30.3 kN·m，枕中截面负弯矩21.8 kN·m。

2）轨枕的设计过程不仅与荷载弯矩有关，还与轨枕材料的强度取值方法、混凝土结构设计标准、轨枕产品的检验标准等因素有关。按照中国设计方法设计完成的40 t轴重重载轨枕轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩承载能力分别为35.6，22.3 kN·m，通过与Ⅲa型、Ⅳa型轨枕的对比可以看出，40 t轴重重载轨枕在质量提高相对较小的情况下，满足设计承载要求。

3）新研发的40 t轴重重载轨枕的轨下截面及枕中截面的正、负弯矩静载试验结果均满足AREMA 标准的相关要求，轨下截面正弯矩疲劳试验结果也满足该标准要求，且具有较大安全余量。另外，按照AREMA标准的规定还开展了预应力钢丝黏结力发展及轨枕承轨面磨损试验，试验结果均满足要求。

本文通过总结梳理，详细对比分析了欧洲、北美地区与中国混凝土轨枕荷载弯矩计算标准的异同，并结合40 t 轴重重载铁路的运营条件，完成了40 t 轴重重载铁路预应力混凝土轨枕的设计和室内试验验证，为更大轴重轨道结构的发展应用提供了技术储备。