委内瑞拉北部铁路Tinaco-Anaco段轨枕选型

林红松,颜 华,潘自立

委内瑞拉北部铁路Tinaco-Anaco段轨枕选型

林红松,颜 华,潘自立

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

介绍委内瑞拉既有铁路轨道概况,总结分析国内外主型轨枕结构参数和发展趋势。在此基础上,采用轨枕承载能力、轨枕所提供的道床横向阻力2个主要指标,对比分析我国Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕和业主要求采用的DIWIDAG COOPER E70轨枕。对比分析结果表明,Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕各项指标均优于E-70型轨枕,能更好地适应高速、客货共线的运营要求。

委内瑞拉;高速铁路;轨枕;选型

委内瑞拉规划2030年建成含15条线的铁路网,总长度为13655 km。Tinaco(迪那科)—Anaco(阿那科)铁路是其中的北部平原铁路的一部分。该铁路西起COJEDES(科赫德斯)州的Tinaco(迪那科),东至ANZOATEGUI(安索阿特吉)州的Anaco(阿那科),线路全长约465 km,是中国中铁承建的工程总承包(EPC)合同工程[1-3]。设计时速客车220 km/h,货车120 km/h,全线采用UIC60钢轨、有砟轨道结构,一次性铺设跨区间无缝线路。在轨枕选型中,通过与世界主型轨枕对比分析,阐述了我国现有Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕的技术优势,并最终说服业主采用Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕。这可为今后其他海外项目轨枕选型提供借鉴。

1 委内瑞拉既有铁路轨道概况

委内瑞拉铁路网并不发达,既有铁路的设计标准相对较低,现运营具有客运功能的铁路共约70 km,主要为加拉加斯—古阿铁路,该铁路运营模式类似我国的城市轨道,设计速度为120 km/h,运行速度为100 km/h;在其他地区(如卡贝略港、圣费利佩、亚里塔瓜、阿卡里瓜、巴基西梅托等城市附近)还有一些几十年前建设的铁路。加拉加斯—古阿铁路为无缝线路、有砟轨道结构,采用UIC60钢轨,Nabla扣件, DIWIDAG COOPER E70轨枕,如图1所示。

图1 加拉加斯—古阿铁路轨道

鉴于加拉加斯—古阿铁路采用E-70轨枕,业主初期要求在北部铁路Tinaco-Anaco段采用此类型轨枕。然而,技术对比分析表明我国Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕具有更好的技术优势,设计时推荐采用Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕,这也符合我国技术标准整体输出的总体原则。

2 轨枕结构发展趋势

为了适应铁路承载和线路养护维修的技术要求,各国均趋于采用强化型的轨枕结构,包括增加预应力配筋和轨枕截面高度以提高轨枕的承载力,增大截面尺寸和轨枕长度等优化外形的设计来提高轨道的纵、横向稳定性[4-9],表1为世界各国铁路主要混凝土轨枕结构参数。

表1 世界各国铁路主要混凝土轨枕结构参数

虽然各国发展、应用混凝土枕的条件不尽一致,高速列车的形式和性能、高速铁路的设计标准、轨道铺设和养护维修技术条件各有差异,但从各国铁路高速化的过程中混凝土枕的发展和使用情况分析,仍具有以下共同点。

(1)混凝土枕的形式,除法国等个别国家发展非预应力双块式轨枕外,大多数国家均发展预应力整体式轨枕。

(2)加大混凝土枕的长度和断面尺寸是高速铁路发展的必然趋势。加大轨枕尺寸和质量,以提高线路的纵横向阻力和稳定性,适当减少轨枕配置密度以提高铺设进度和方便道床维修。

(3)各国均发展了不同类型的轨枕,各类型轨枕的几何、结构参数不尽相同,以与不同级别的线路合理匹配。

3 轨枕性能评价指标

在高速铁路运营中,轨道结构各部件必须满足列车重复作用的承载要求。此外,由于轨道的稳定性与运行的安全、平顺和舒适性以及少维修的经济性直接相关,确保运行安全和保持轨道稳定的道床阻力指标往往具有重要的意义。因此对不同轨枕进行量化对比时,采用轨枕承载能力、轨枕所提供的道床横向阻力两个指标。

3.1 轨枕承载能力

轨枕为预应力混凝土受弯构件,以正截面受拉区边缘混凝土应力达到0.7ft计算确定其设计承载力。轨枕截面设计承载能力为

式中 Mf——轨枕设计承载能力;

ft——轨枕混凝土抗拉强度设计值;

σpc——截面受拉区边缘由预应力产生的混凝土法向应力;

yx——换算截面形心至截面下边缘的距离;

I0——截面对换算截面形心的惯性矩;

W0——换算截面抗弯模量。

3.2 道床横向阻力

混凝土轨枕轨道的道床横向阻力与轨枕的质量、轨枕与道床的摩擦力、轨枕的支承表面积,以及道床的质量、密实度等有关。目前,对各类轨枕轨道横向阻力的评估大多都是采用实测线路上单枕的道床横向阻力值并通过统计回归分析求得。日本专家佐藤吉彦等根据实验轨道上对不同类型轨枕的道床横向阻力试验结果,分析了轨枕外形各个侧面所分担的道床横向阻力的相互关系,提出了道床横向阻力的计算公式[9]

式中 F——一根轨枕的道床横向阻力;

W——轨枕及以上轨道部件的质量;

Ge——轨枕端部面积对上缘的静面矩; Gs——轨枕侧面积对上缘的静面矩;

γ——道砟的体积密度;

a,b,c——系数,混凝土枕情况下a=0.75、b=29、c=1.8。

上式表明,一根轨枕的道床横向阻力由3部分组成:轨枕底面与道床的摩擦力;轨枕端部的道床阻力;轨枕侧面的道床阻力。据此,可根据轨枕的外形尺寸计算分析轨道不同类型轨道的道床横向阻力。

4 Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕与E70轨枕对比分析

Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕与E70轨枕的几何尺寸、配筋等对比见表1。轴重250 kN时的设计弯矩、轨枕设计承载能力、道床横向阻力对比见表2,其中设计弯矩计算方法见文献[10]。

表2 Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕与E70轨枕性能对比

由表1和表2可以看出如下几点。

(1)轨枕长度不同,Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕的设计弯矩大于E-70轨枕。由于E-70轨枕的截面高度和配筋均低于Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕,因此Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕的设计承载能力远大于E-70型轨枕。用单根轨枕的承载能力与该段铁路设计弯矩做比较,则E-70型轨枕的轨下截面和枕中截面的安全系数分别为1.03和1.11,而Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕的轨下截面和枕中截面的安全系数分别为1.16和1.35。

(2)E70型轨枕长度较Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕小10 cm,轨枕宽度和高度均较Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕小,质量较Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕轻35 kg。几何尺寸的减小,使E-70型轨枕的单枕道床横向阻力较Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕降低22%。以单枕道床横向阻力与设计规定值(10 kN/枕)的比值表征轨枕横向阻力的安全性,则E-70型轨枕和Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕的安全系数分别为1.08和1.32。

(3)Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕枕底面积较E-70型轨枕大近1 000 cm2,从轨道运营期间的养护维修来看,轨枕的底面积增加,同一枕上压力作用下的道床应力减小,有利于减少道砟粉化,减少轨道的维修工作量,降低运营成本,同时也满足高速铁路养护维修时间短的要求。

总的来看,Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕各项指标均优于E-70型轨枕,能更好地适应高速、客货共线的运营要求。

5 结语

为了改善轨道结构受力,提高轨道结构稳定性及减少养护维修工作量,加大混凝土枕长度和断面尺寸是高速铁路有砟轨道轨枕发展的共同趋势。对比分析轨枕承载能力、提供的道床横向阻力表明,Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕较E-70型轨枕具有明显优势。

Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕作为成熟产品,在中国已经经历了规范化、大批量的生产,生产质量稳定、质量管理统一,经过了近20年客货共线运营条件的考验,并已成功运用于250 km/h的新建和提速铁路上,积累了丰富的生产和应用经验。从我国铁路技术标准整体输出的原则出发,建议在海外项目中进行推广应用我国Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕。

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.委内瑞拉北部平原铁路TINACO-ANACO段EPC项目勘察设计资料汇编[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2012.

[2] 中铁二院工程集团有限责任公司.委内瑞拉北部铁路用轨枕、扣件等轨道部件研制[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2012.

[3] 陈永,刘厚强.中国与委内瑞拉铁路路基设计比较分析[J].高速铁路技术,2011(5):40-43.

[4] 卢祖文.我国铁路混凝土轨枕的现状和发展[J].中国铁路, 2006(6):8-11.

[5] 杨宝峰,于春华.铁路轨枕现状及发展[J].铁道工程学报,2007 (2):36-40.

[6] 卢祖文.预应力混凝土枕设计、制造、检验的几点建议[J].铁道标准设计,1998(10):1-4.

[7] 朱瑞.高速铁路轨枕及其生产技术[J].铁道标准设计,2001(8): 5-7.

[8] 汪加蔚.我国铁路预应力混凝土轨枕的研究发展动态[J].混凝土与水泥制品,1997(5):23-27.

[9] 卢祖文.客运专线铁路轨道[M].北京:中国铁路出版社,2005.

[10]李成辉.轨道[M].成都:西南交通大学出版社,2010.

Sleeper Type Selection of Tinaco-Anaco Section onVenezuela's North Railway

LIN Hong-song,YAN Hua,PAN Zi-li
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

General situation of existing Venezuela railway tracks was introduced.Structural parameters and development trends of themain types of sleepers athome and abroad were summarized and analyzed. On the basis above,taking sleeperbearing capacity(SBC)and lateralballast resistance(LBR)provided by sleeper as the evaluating indexes,the difference between China's Sleeper Type III and Sleeper Type DIWIDAG COOPER E70 required by the owner were compared.Comparison results show that every index of Sleeper Type IIIwith shoulder was superior to that of E70,so Sleeper Type IIIwith shoulder could better adapt to the operation requirements of high-speed,mixed passenger and freight railway.

Venezuela;high-speed railway;sleeper;type selection

U213.3+4

A

1004- 2954(2013)07- 0048- 02

2013- 01- 30;

2013- 02- 21

林红松(1982—),男,高级工程师,2009年毕业于西南交通大学道路与铁道工程专业,工学博士,E-mail:hongsonglin@163.com。