重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发

杜香刚(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发

杜香刚1，2
(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:考虑我国重载铁路大运量、大轴重和高密度的运营特点，特别是小半径和大坡道地段对轨枕稳定性的特殊需要，兼顾我国养护维修体制，在Ⅲa型轨枕的轨下截面处设计了翅膀，研发了重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕(Ⅲa+型轨枕)。本文首先介绍了国内外轨枕的应用情况，然后对新型高稳定性轨枕进行了设计检算，最后将其与Ⅲa型轨枕的强度、横向阻力等性能进行了对比性室内和现场试验。结果表明:重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的静载抗裂强度、疲劳强度和翅膀处抗剪强度均能满足设计要求;相比Ⅲa型轨枕，在相同道床状态下其实测道床横向阻力可提高约15%，并可适当降低道床压应力。

关键词:重载铁路有砟轨道预应力混凝土轨枕高稳定性

大运量、大轴重、高密度是我国重载铁路和繁忙干线的显著特点。随着运量、轴重和行车密度的增加，列车荷载对轨道结构的破坏加剧，线路设备病害发生和发展速度明显加快，且轨道结构及部件的劣化状态极易出现恶性循环，导致维修更趋频繁。

通过对我国大秦线、朔黄线、大包线等重载铁路和客货共线铁路的大量调研发现，在大运量、大轴重、高密度的运营条件下部分有砟轨道区段的轨枕和轨道结构出现了明显的伤损病害［1］。同时，对于繁忙干线，其繁重的运输任务造成了养护天窗时间极其有限，养护维修工作难以有效开展。如何强化轨枕，确保线路运营安全，减少养护维修工作量是当前运营部门亟待解决的问题。

鉴于此，我国重载铁路轨枕设计时，有必要借鉴国内外经验，在充分考虑我国重载铁路运营条件和养修体制［2］的基础上，研发新型高稳定性轨枕，满足重载铁路特殊区段提高道床横向阻力和降低道床压应力等要求。

1　国外新型轨枕应用情况

世界各国在解决上述问题时，设计了多种形式的轨枕。其中，轨下截面处设计翅膀的轨枕(俗称十字头轨枕)就是一种迅速发展起来的新型轨枕。

1.1英国和比利时轨枕

英国和比利时就开发了轨下截面处带翅膀的重载轨枕。其共同特点是中间截面小，轨下截面大。特别是英国轨枕在轨下设计为小十字形，既有利于降低枕中截面所承受的负弯矩和提高道床横向阻力，也不影响大型机械的养护维修作业。

1.2美国和加拿大重载轨枕

北美铁路工程和维修协会(AREMA)规定:“对于重载铁路需要增大道床横向阻力的区段，可考虑增大轨枕的端部横向面积”。因此，美国和加拿大针对重载铁路运营和维护特点，在轨枕设计时考虑了提高道床横向阻力的要求。CXT公司开发了侧面压花的轨枕，以减少轨枕横移。图1为美国TTCI试验环线上使用的重载轨枕，每根轨枕两端由两组扣件与钢轨联结。这些轨枕一般为框架轨枕或两端带十字头轨枕(半框架轨枕)，可以提高枕端横向面积，增大道床横向阻力。同时，通过增加枕底和道床的接触面积，降低了道床压应力。

1.3南非重载轨枕

南非INFRASET公司是一个轨枕设计和制造企业，有着50多年的应用轨枕的历史，其提供的混凝土轨枕应用于轴重18.5～30 t的各种线路。图2是该公司设计和生产的带翅膀的预应力混凝土轨枕，可用于一般干线铁路和最大轴重为30 t的重载线路。轨下截面处的翅膀用于增大道床横向阻力和降低道床压应力。

图1　美国重载框架轨枕

图2　南非重载轨枕

2　新型高稳定性轨枕的设计

2.1既有Ⅲ型轨枕的设计和应用情况分析

Ⅲ型轨枕包括Ⅲa型轨枕、Ⅲb型轨枕和Ⅲc型轨枕，Ⅲa型轨枕配套弹条Ⅱ型扣件或加强型弹条Ⅱ型扣件;Ⅲb型轨枕配套弹条Ⅲ型或弹条Ⅳ型扣件。Ⅲa型轨枕、Ⅲb型轨枕及其配套扣件适用的运营条件:客车最高运营速度200 km/h;货车轴重250 kN，最高运营速度90 km/h。Ⅲc型轨枕配套弹条Ⅴ型扣件，适用于时速250 km/h客运专线铁路(兼顾货运)。Ⅲ型轨枕的截面外形尺寸和结构性能见表1，设计荷载弯矩见表2。目前我国重载铁路大量应用的轨枕为Ⅲa型轨枕，按照我国轨枕设计方法对Ⅲa型轨枕的结构检算，Ⅲ型轨枕承载能力可以满足开行25 t轴重货物列车重载铁路荷载弯矩的要求。

表1　Ⅲ型轨枕截面外形尺寸和结构性能

表2　Ⅲ型轨枕设计荷载弯矩

Ⅲa型轨枕目前被大量应用在大秦线、朔黄线和大包线等重载或繁忙干线铁路上，由于以上线路运量大、轴重大、密度高，加速了部分Ⅲ型轨枕伤损病害的出现［1，3］。目前，Ⅲa型轨枕的主要伤损形式有轨下截面环裂、钉孔裂纹、纵裂、枕中截面环裂等。此外，相应的有砟轨道结构在大坡道和小半径曲线地段也出现轨道几何变化加剧、轨道稳定性安全储备不足、局部道床过快下沉等问题。

2.2新型高稳定性轨枕的设计和稳定性分析

考虑我国重载铁路大运量、大轴重和高密度的运营特点，特别是小半径和大坡道地段对轨枕的特殊需要，新型高稳定性预应力混凝土轨枕研发必须同时满足重载铁路对轨枕结构强度、轨道结构稳定性、降低道床压应力和既有养护维修作业制度的要求［3］。因此，通过对Ⅲa型轨枕开展优化设计，在其轨下截面处设计横向宽度不大于轨底宽度的小翅膀(十字头)，其他主要尺寸和配筋完全不变，承载能力与既有Ⅲa型轨枕相当。此方案由于在轨下截面设计了小翅膀，可增大轨枕有效横向面积，从而提高道床横向阻力;同时，由于本方案在轨下截面处轨枕两侧均设计了小翅膀，还能够适当增加枕底道床承压面积，降低道床压应力。这种在Ⅲa型轨枕基础上优化设计的高稳定性轨枕简称为Ⅲa+型轨枕。其外形设计见图3。

图3　Ⅲa+型轨枕的外形设计

1)道床横向阻力计算分析

根据日本佐藤吉彦道床横向阻力的计算模型［4］，Ⅲa+型轨枕和Ⅲa型轨枕处的道床横向阻力计算结果对比见表3。

表3　两种轨枕处道床横向阻力对比

由表3可得:铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了35.7%。实际上，由于十字头并不位于轨枕端部边缘而位于轨下截面处，轨枕端部边缘和十字头边缘的连线会形成椎体形状，产生“犁头效应”。因此，实际的道床横向阻力会比计算结果小。

2)道床压应力计算分析

列车荷载通过轨枕对有砟道床的垂向压应力是道砟产生下沉和粉化的主要原因。增大轨枕底部面积可降低道床平均压力，延缓道砟的粉化和道床的下沉。

根据轨枕铺设技术要求，枕中部位道砟应为浮砟，根据经验浮砟长度一般按600 mm计算，计算道床压应力时假设此部分不受力，轨枕底面道床压应力计算图式见图4。轨枕底部道床顶面压应力σZ的计算公式为

式中:Rd为垂直动压力，kN;A为一股钢轨下扣除浮砟范围后的轨枕支承面积。

图4　轨枕底面道床压应力计算图式

经计算，Ⅲa型轨枕支承面积为3 000 cm2，Ⅲa+型轨枕支承面积为3 120 cm2。两种轨枕的设计垂直动压力相同。将支承面积代入公式(1)可得:铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床压应力降低了4.0%。可见，Ⅲa+型轨枕相比Ⅲa型轨枕能够适当降低道床压应力，对延缓道砟的粉化和道床的下沉、减少养护维修工作量有一定的效果。

3　新型高稳定性轨枕的试验验证

3.1室内试验

1)静载、疲劳和抗剪试验

依据《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》(TB/T 1879—2002)［5］和设计要求，抽取了9根Ⅲa+型轨枕共27个截面进行了静载抗裂强度试验。试验结果表明:轨枕静载抗裂强度均满足设计要求。

依据《预应力混凝土枕疲劳试验方法》(TB/T 1878—2002)［6］和设计要求，抽取了6根Ⅲa+型轨枕开展了疲劳试验，其中3根为轨下截面，3根为枕中截面。疲劳试验现场见图5，试验结果见表4。可见:6根轨枕各受检截面在经过200万次的疲劳加载后，残余裂纹宽度均＜0.05 mm，轨下截面疲劳后破坏荷载均＞335 kN，枕中截面疲劳后破坏荷载均＞315 kN，疲劳强度满足设计要求。

图5　疲劳试验

表4　Ⅲa+型轨枕疲劳试验结果

为了检验Ⅲa+型轨枕的抗剪强度，在十字头处进行了抗剪强度试验，试验现场见图6。以0.2 kN/s的速度加载，最大静停荷载为14.0 kN，静停3 min，观察受拉区状态，不出现裂纹为合格。试验结果见表5，可见，所有试验样品均满足要求。

图6　十字头抗剪强度试验

表5　Ⅲa+型轨枕抗剪强度试验结果

2)实尺模型单根轨枕横向阻力试验

为了对比相同道床状态下Ⅲa+型轨枕和Ⅲa型轨枕处的道床横向阻力，在高速铁路轨道技术国家重点实验室铺设了多节点实尺模型。实尺模型采用无砟肩堆高和砟肩堆高0.15 m两种道床结构，分别铺设Ⅲa+型轨枕和Ⅲa型轨枕，每种轨枕铺设11根。相同工况下不同道床结构和不同型号轨枕试验时，均重新铺设和捣固，且捣固方式、人员和耗时相同。

试验结果见表6。可见:砟肩堆高0.15 m时，铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了20.1% ;无砟肩堆高时，铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了11.3%。

表6　不同工况下道床横向阻力试验结果　kN

此外，利用实尺模型还进行了捣固密实度对道床横向阻力的影响试验。试验结果表明:①无砟肩堆高、铺设Ⅲa型轨枕时，捣固4遍比捣固2遍道床横向阻力提高了13.9% ;②无砟肩堆高、铺设Ⅲa+型轨枕时，捣固4遍比捣固2遍道床横向阻力提高了11.9% ;③无砟肩堆高、捣固2遍时，铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了16.7% ;捣固4遍时，铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了14.6%。

3.2现场测试

2014年，在丰沙线沿河城站上行K58 + 198—K58 + 318区段铺设了Ⅲa+型轨枕和Ⅲa型轨枕进行对比试验。丰沙线年运量约为1.1亿t，主要货物为煤炭，每天图定运行90对货车和27对客车。货车最大轴重为25 t，货车行车速度约为60 km/h。本试验段共铺设了220根Ⅲa+型轨枕。试验段线路条件为正线铁路、曲线半径330 m、坡度3.5‰，扣件系统为弹条Ⅱ型扣件，钢轨为60 kg/m钢轨。铺设前对枕底约20 cm以上的道砟进行了清筛。

现场共开展了两次道床横向阻力测试。第1次在刚铺设一周后进行，选取了Ⅲa+型轨枕和Ⅲa型轨枕各6根;第2次测试在铺设半年后进行，丰沙线当日累计运量约为6 000万t。选取了Ⅲa+型轨枕12根和Ⅲa型轨枕6根。丰沙线测试现场见图7。

图7　丰沙线测试现场

第1次测试结果:铺设Ⅲa+型轨枕处道床横向阻力平均值为9.0 kN/枕;铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力在6 kN/枕左右，且轨枕横移还未达2 mm时，轨枕瞬间发生较大滑移，致使道床阻力试验无法进行，道床横向阻力较小。

第2次测试结果:铺设Ⅲa+型轨枕处道床横向阻力平均值为16.2 kN/枕，相比第1次测试，运营半年后铺设Ⅲa+型轨枕处道床横向阻力提高了80.4% ;铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力平均值为7.9 kN/枕，比刚铺设时第1次测试出的道床横向阻力有了较明显提高，但由于试验中期工区在试铺的Ⅲa型轨枕处进行过养修作业，与Ⅲa+型轨枕处的道床横向阻力缺乏可比性。不过，调研大秦线的实测道床横向阻力数据发现:在通过总重7～10亿t的3个铺设Ⅲa型轨枕区段，实测道床横向阻力平均值约为12.0 kN/枕［7］。可见:与Ⅲa型轨枕相比，Ⅲa+型轨枕可明显提高道床横向阻力，有利于提高轨道结构的稳定性。

4　结论

1)国外经验表明:通过在轨下截面处设计翅膀(十字头)可以进一步加强轨枕的结构强度，提高道床横向阻力，并可适当降低道床压应力。

2)设计检算表明:铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了35.7%。但由于十字头并不位于轨枕端部边缘而位于轨下截面处，轨枕端部边缘和十字头边缘的连线会形成椎体形状，产生“犁头效应”，实测道床横向阻力值会比计算值要小;铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床压应力降低了4.0%。

3)室内试验结果表明:Ⅲa+型轨枕的静载抗裂强度、疲劳强度和翅膀处抗剪强度均能满足设计要求;铺设Ⅲa+型轨枕处比铺设Ⅲa型轨枕处道床横向阻力提高了约15%，并且道床捣固越密实效果越好。

4)现场试验结果表明:运营一段时间后，新设计的Ⅲa+型轨枕处道床横向阻力平均值可达16.2 kN/枕，比同期铺设的Ⅲa型轨枕处道床横向阻力有较大提高，可满足重载铁路对道床横向阻力的要求。

5)与Ⅲa型轨枕相比，Ⅲa+型轨枕可明显提高道床横向阻力，并适当降低道床压应力。Ⅲa+型轨枕特别适合在重载铁路小半径和大坡道地段铺设使用，并且在道床性能要求相同的情况下，铺设Ⅲa+型轨枕可适当减少道砟用量，降低建设成本。

参考文献

［1］中国铁道科学研究院.30 t轴重重载铁路有砟轨道关键技术研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［2］中华人民共和国铁道部.铁运［2006］146号铁路线路维修规则［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］中国铁道科学研究院.重载铁路新型预应力混凝土轨枕的研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2014.

［4］佐藤吉彦，梅原利之.糹泉路工学［M］.東京:西桜印刷株式会社，1986.

［5］中华人民共和国铁道部.TB/T 1879—2002预应力混凝土枕静载抗裂试验方法［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［6］中华人民共和国铁道部.TB/T 1878—2002预应力混凝土枕疲劳试验方法［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［7］中国铁道科学研究院.大秦线既有线路提高轨枕阻力技术措施研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2011.

(责任审编葛全红)

Research and Development of New-type Prestressed Concrete Sleeper with High Stability for Heavy Haul Railway

DU Xianggang1，2

(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:W ith consideration of the characteristics of large traffic volume，heavy axle load and high density of heavy haul railway in China，Ⅲa+sleeper，the prestressed concrete sleeper with wings at rail seat was designed.T his type of prestressed concrete sleeper is used in sharp curve and long slope to meet the special requirement of the railway track's stability，and confirm to the current maintenance system.In this paper，domestic and abroad sleepers were introduced，and of the new high stability sleeper was calculated.Finally，the laboratory and field tests of strength and lateral resistance were conducted.T he test results showed that cracking resistance under static loading，fatigue，and shear capacity at wings were satisfied.Compared to theⅢa sleeper，the lateral resistance of theⅢa+sleeper was increased by 15%，and the ballast stress was decreased.

Key words:Heavy haul railway;Ballasted track;Prestressed;Concrete sleeper;High stability

作者简介:杜香刚(1982—)，男，助理研究员，硕士。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2015G004-A，2015G004-C)

收稿日期:2015-01-20;修回日期:2015-03-30

文章编号:1003-1995(2016)03-0113-05

中图分类号:U213.3+4

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.28