新加坡地铁预应力混凝土轨枕设计研究★

曾华亮

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

新加坡地铁C850E项目为新加坡地铁环线延长线(CCL6)和东北线延长线(NELe)轨道系统工程,正线及车场线均采用长轨枕埋入式整体道床,工程建设执行欧洲规范。混凝土长轨枕自重和刚度大、轨道几何形位保持能力强,有利于提高轨道的平顺性、稳定性和耐久性,在我国铁路和城市轨道交通领域得到广泛应用。我国自1956年研制出预应力钢筋混凝土轨枕[1]以来,在理论研究[2-3]和工程应用[4-6]等方面均有较大的发展,其中中国铁道科学研究院[7]在总结前期研究成果基础上编制的《预应力混凝土轨枕设计方法》,成为国内混凝土轨枕设计中广泛采用的行业参考方法。近年来,随着我国海外铁路项目的不断拓展,基于国外规范的轨枕设计经验也在不断丰富,如田春香[8]以阿根廷铁路工程项目为背景,基于美国相关规范开展了1 667 mm宽轨距轨枕的结构设计研究;林红松等[9]针对委内瑞拉北部客货共线铁路项目有砟轨道轨枕进行了选型研究;王庆昌[10]对安哥拉铁路1 067 mm PC轨枕设计技术参数进行了研究;尤瑞林等[11-12]对国内外预应力钢筋混凝土轨枕荷载弯矩计算标准、强度检验、材料及制造工艺等进行了详细的对比研究。

目前,我国铁路和城市轨道交通用轨枕已形成系列化产品,相关标准设计图和技术体系也日益完善,在实际项目设计过程中,一般可根据运营条件和轨道结构类型直接选用符合设计要求的轨枕型号。但在新加坡地铁项目中,业主要求依据欧洲规范和项目技术文件相关要求开展轨枕专项设计研究。

2 主要技术标准和参数

轨距:1 435 mm；轨底坡:1∶40；最大轴重:160 kN；设计速度:90 km/h;钢轨类型:符合欧标的60E1钢轨;扣件类型:潘得路(PANDROL)双层弹条扣件,扣件节点间距正线为700 mm,车场线为1 000 mm;轨道结构类型:地下线整体道床,跨区间无缝线路。

3 轨枕结构设计

3.1 主要设计原则

根据本项目运营环境、接口设计相关要求确定以下设计原则:

1)轨枕外形尺寸在满足承载力的条件下,应尽量减少自重,便于轨枕制造和运输,节省工程投资。

2)轨枕设计应考虑扣件安装要求。本工程正线扣件为潘得路双层弹条扣件,扣件与轨枕采用预埋铁座连接,轨枕承轨面设置1∶40轨底坡。铁座预埋位置和公差应匹配扣件安装,并满足轨道铺设精度要求。

3)轨枕设计应考虑混凝土道床浇筑后轨道结构的整体性和耐久性,采取措施加强轨枕和道床板连接,避免轨枕和道床板新老混凝土结合面产生裂缝。

4)轨枕建筑材料执行欧洲标准和新加坡陆路交通管理局有关要求。

3.2 轨枕外形尺寸

轨枕采用预应力混凝土长轨枕,轨枕长度2 360 mm,承轨面设置1∶40轨底坡,轨枕横截面为梯形结构。为加强轨枕和道床板连接,同时满足道床板配筋设计要求,轨枕设置7个内径为50 mm纵向贯通孔。轨枕外形尺寸详见图1，图2。

轨枕各部尺寸偏差和表观质量详见表1。

表1 轨枕各部尺寸偏差

3.3 混凝土强度等级

轨枕混凝土等级应满足欧洲规范《铁路应用-轨道-混凝土轨枕和岔枕 第1部分 一般要求》(EN13230-1)的规定,标准立方体试件抗压强度在28 d时应不小于55 MPa。欧洲混凝土结构设计规范EN1992-1-1中混凝土强度分级以圆柱体试件强度为标准,型号为CX/Y,而我国混凝土结构设计规范中混凝土强度分级以立方体试件强度为标准,型号为CY,新加坡本国的混凝土结构设计规范混凝土型号为GY/Z。其中X为圆柱体试件强度,Y为立方体试件强度,Z为混凝土中骨料颗粒最大粒径,鉴于新加坡管理部门未对骨料颗粒粒径作出明确要求,且考虑经济性,最终选取强度等级为C50/60。

3.4 预应力钢筋

预应力钢材规范EN10138提供3大类预应力筋,分别为刻痕钢丝、钢丝绞线和钢棒。根据新加坡陆路交通管理局相关技术文件要求,轨枕中预应力筋应至少为7根刻痕钢丝捻制的钢绞线。

参考新加坡既有线预应力轨枕,选取预应力筋型号为Y 1860 S 7 9.6 I,即每根钢绞线由7根刻痕钢丝捻制而成,屈服强度为1 860 MPa,公称直径为9.6 mm,截面面积为55 mm2。

3.5 轨枕截面参数

如图2所示,每根轨枕设置8根预应力钢筋,下层预应力钢筋间距60 mm,上层间距结合预埋铁座位置进行了适当调整。轨枕轨下截面和枕中截面相关参数计算结果汇总详见表2。

表2 轨枕截面参数汇总表

4 轨枕荷载弯矩

根据欧洲规范《铁路应用-轨道-混凝土轨枕和岔枕 第6部分 设计》(EN13230-6)的相关规定进行轨下和枕中荷载弯矩的计算。

4.1 轨枕动态垂向荷载

轨枕动态垂向荷载按照式(1)进行计算。

(1)

其中,Anom为列车轴重，kN;kp为扣件系统弹性对荷载的衰减系数;kv为速度系数;kd为荷载在轨枕间的分配系数;kr为支承条件修正系数。

相关参数取值及计算结果如下:

4.2 轨枕弯矩

轨枕弯矩分别计算轨下和枕中弯矩,相关参数按轨枕长度2.36 m,铺设间距1 000 mm对应参数取值。计算方法和计算结果如下:

1)轨下正弯矩：

2)轨下负弯矩：

Mk,r,neg=-0.7×Mk,r,pos=-4.78 kN·m。

3)跨中负弯矩:

4)跨中正弯矩:

Mk,c,pos=|0.7×Mk,c,neg|=5.29 kN·m。

5 预应力轨枕承载能力检算

5.1 检算方法

根据欧洲规范《铁路应用-轨道-混凝土轨枕和岔枕 第6部分 设计》(EN13230-6)的相关规定,轨枕在设计寿命期内,由荷载弯矩和预应力产生的最大拉应力σct,max不得超过疲劳荷载下混凝土弯曲抗拉强度fct,ft,fat,公式表述如下:

(2)

其中,Np为有效预应力,kN;Mk为列车荷载下轨枕弯矩,kN·m;ep为预应力偏心距,mm;A为轨枕截面面积,mm2;W为轨枕抗弯截面模量,mm3。

混凝土强度等级为C50/60时,混凝土抗拉强度允许值取3.0 MPa,抗压强度允许值为22.5 MPa。

5.2 预应力损失

根据混凝土结构设计规范EN1992-1-1,考虑4种预应力损失情况,分别为混凝土弹性收缩引起的预应力损失(瞬时)、混凝土收缩引起的预应力损失、混凝土徐变引起的预应力损失以及预应力钢筋松弛引起的预应力损失,具体参数及计算结果如表3所示。

表3 预应力损失计算

5.3 轨枕承载力检算

预应力轨枕服役期间,主要承受列车垂向荷载和预应力荷载。根据欧洲规范《铁路应用-轨道-混凝土轨枕和岔枕 第1部分 一般要求》 (EN13230-1)第6.1.3节相关要求,预应力和偏心距需考虑一定的容差,检算按预应力上浮5%,偏心距为±3 mm的不利条件考虑,检算结果详见表4,表5。由表4，表5可知,轨枕轨下断面处无拉应力出现,压应力值均小于容许值22.5 MPa,枕中断面处拉应力均小于容许值3.0 MPa,压应力值均小于容许值为22.5 MPa。

表4 轨枕截面检算汇总表(一)

表5 轨枕截面检算汇总表(二)

6 试验及测试

轨枕规模化生产前开展了轨枕静载、动载和疲劳弯曲的试验,试验现场情况如图3所示,相关试验报告作为轨枕技术规格书的重要证明文件。试验中所采用的设备、试验方法、加载值、试验程序和检验标准等均执行欧洲规范《铁路应用-轨道-混凝土轨枕和岔枕》(EN13230)的相关规定。

7 结语

相比国内城市轨道交通设计项目,国外项目在设计标准、设计内容和方法及技术要求等方面均有较大差异,给设计工作带来挑战。本文以新加坡地铁项目为背景,全面介绍了预应力长轨枕设计研究过程,重点阐述了基于欧洲规范的预应力长轨枕力学计算方法,列举了主要参数及计算结果,对国外类似项目长轨枕设计具有重要的借鉴和参考价值。