双块式无砟轨道轨枕的优化设计研究

赵永军

摘 要：双块式无砟轨道是国内外高速客运专线应用范围最广泛的无砟轨道结构形式，其在路基上、桥上、隧道内都可以使用，除了在德国成规模地应用外，在世界其它国家和地区也得到认同并使用。我国目前客运专线无砟轨道也将其作为主要形式广泛地应用。文章以大同至西安铁路客运专线为例对双块式无砟轨道轨枕的优化设计进行了研究。

关键词：双块式无砟轨道；轨枕；优化设计

中图分类号：U213.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0024-02

1 工程实例

大同至西安铁路客运专线，是国家中长期铁路规划网的重要组成部分，北起山西大同，经朔州、忻州、太原、晋中、临汾、运城、渭南等站至陕西西安，全长859 km，设计行车速度250 km/h，其中原平西-西安北段预留350 km/h提速条件，太原-原平段则作为高铁实验线路。

2 双块式轨枕的优化设计原则

根据目前我国双块式轨枕在生产、运输和铺设过程中还存在的一些问题，对双块式轨枕进行优化设计必须遵循以下原则：①轨枕具有较高的安全性、稳定性和经济性；②混凝土轨枕块与桁架钢筋的联结紧固，桁架具有较高的抗弯扭刚度；③新老混凝土的结合面积小；④轻量化设计；⑤考虑混凝土块内的配筋方式对轨道电路的影响；⑥易脱模；⑦较强的形位保持能力；⑧缓和轨枕棱角处道床板裂缝的产生与发展。

3 双块式无砟轨道轨枕的优化设计

3.1 国内外双块式轨枕概述

双块式轨枕为预制结构，两个混凝土块通过钢骨架联结，提高了钢骨架的抗弯刚度。双块式轨枕在现场与道床板纵横向钢筋绑扎起来，使预制结构与现浇混凝土的结合面减少，完善了结构的整体性。双块式轨枕型号多、应用广，如德国、荷兰等国在高速铁路无砟轨道线上应用。目前，我国双块式无砟轨道使用了CRTS I 、 II型双块式轨枕，同样采用了钢筋桁架连接两混凝土块的结构型式，配套使用WJ-7型扣件。

3.2 轨枕的受力计算

①轨枕混凝土抗压强度检算。

在列车运行过程中，轨枕上作用有很高的竖向压力。设计荷载取300 kN，按弹性地基梁计算，不利条件下的钢轨支点反力约为150 kN，扣件中铁垫板的面积约为290×160 mm。则混凝土枕承轨台上的压应力为：

轨枕采用的混凝土强度等级为C60，强度60 N/mm2。假定使用寿命为60年，长期的容许应力值取抗压强度的50%，容许应力取为30 N/mm2。

轨枕承轨台上3.23 N/mm2的压应力远远小于容许值。

②挡肩混凝土抗剪能力检算。

由列车运行产生的水平力，取决于离心力与竖向力夹角，对安装有弹性的高速铁路，根据标准EN13481，该角度值为260。轴重为200 kN时，水平：

H=tan26 °·100 kN=0.49·100 kN=49 kN

该水平力的作用面积约为155 mm ×195 mm，剪应力：

C60混凝土的平均抗拉强度4.1 N/mm2，长期作用下取50%，即容许应力值为2.05 N/mm2。

③钢筋桁架的受力分析。

与传统长轨枕相比，带桁架结构的双块式轨枕体积小、重量轻，和现浇混凝土的结合面更少；与其它类型的双块式轨枕相比，这种轨枕的结构稳定性强，与现浇混凝土连的连接更紧密。掌握钢筋桁架的受力特点对于了解和使用该轨枕具有重要的意义。

3.3 双块式轨枕的优化方案

根据国内外双块式轨枕设计应用经验以及对轨枕的受力计算和分析，可对以下几个方面进行优化设计。

①轨枕混凝土块采用倒圆角处理（R-20 mm），减小边角处的应力集中。

采用倒角后，轨枕棱角处的最大应力分别比不倒角或倒棱下降约27%， 3%，缓和了此处应力集中，降低了此处裂缝的产生几率。

②加粗桁架钢筋。根据西安至大同铁路轨枕施工经验，加粗桁架钢筋直径，有利于提高轨枕块之间桁架变形能力，减小轨枕块承轨面相对扭曲变形；加粗桁架连接筋，提高堆放层数，减小轨枕存放面积，节省工程投资。

3.4 道床板优化设计

根据我国《混凝土结构设计规范GB 50010-2002》道床板的设计要求。为了将道床板的裂缝宽度控制在0.2 mm，对道床板进行优化设计首先需要系统的分析道床板受到的荷载和工况，通过计算分析分块式道床板或连续浇注道床板的受力和配筋情况，合理优化道床板尺寸。

3.4.1 道床板设计荷载分析

道床板受到的荷载根据实际运营情况，应考虑列车荷载、温度荷载、线下基础的变形、混凝土的收缩等几种主要荷载。

3.4.2 道床板优化分析

①道床板的配筋宜采用双层配筋。

我国双块式无砟轨道由于裂缝的设计控制宽度为0.2 mm，保护层厚度根据规范为40 mm，所以可以采用双层配筋，同时双层配筋也使结构更为合理。能够抵抗更大的弯距。

②道床板宜采用分块式浇注。

路基上双块式无砟轨道连续道床板与不连续道床板的配筋比经过计算分析，保证道床板的裂纹宽度控制在0.2 mm的基础上，长度为5 200 mm的不连续道床板需要的配筋率为0.7%～0.9%，而连续板需要的配筋率为1.8%～2.2%。所以道床板采用分块式可以降低钢筋用量，从钢筋的用量上来说分块道床板更为合理。

3.5 支承层优化设计

对于多层混凝土结构，其中一层开裂后，裂缝会反射至其他相邻结构层。土工布的设置不仅可以减小支承层受到的道床板附加应力，还在一定程度上可以阻断裂缝映射。为避免假缝开裂后反射至道床板，适当增加土工布长度，覆盖支承层假缝，优化设计中土工布覆盖支承层长度取50 mm，隔离区长度增加至850 mm，依旧满足隔离区长度选取要求。通过计算分析，提出假缝最终优化设计方案：距单元板板端800 mm处支承层切割假缝，单元板伸缩缝下铺设1720 mmm土工布，土工布中心线与伸缩缝中心线重合。如图1所示。

4 双块式无砟轨道施工精度控制策略

4.1 对作业人员进行培训

作业人员对施工工艺的熟练程度直接影响着无砟轨道施工规范程度。这对无砟轨道施工的精度、工期、成本等都存在影响。在施工前对作业人员进行施工工艺、技术要点、质量标准、安全技术措施等进行系统培训，使作业人员对操作要点熟练掌握，可以有效降低施工不规范的情况；设置现场试验段。这样不仅能够培训安装技工，也能对施工队伍的作业能力进行检验。

4.2 对轨枕的尺寸、运输、存放进行严格检查

轨枕的制造精度决定了浇筑混凝土道床后轨距等几何参数的精度。轨枕进场前对进场轨枕的外观质量、几何尺寸进行严格检查，确保使用的轨枕符合规范要求。选择合适的运送方式，避免对双块式轨枕造成损伤；轨枕的运输采用木质托盘，轨枕间用方木隔开，绑扎带绑在弹性基板的位置，避免轨枕中间的钢筋桁架变形。

参考文献：

[1] 杨荣山，万章博，刘学毅，等.CRTSⅠ型双块式无砟轨道冬季温度场试 验[J].西南交通大学学报，2015，（3）.

[2] 方宜，吴欢.双块式无砟轨道裂纹对结构受力特征的影响分析[J].高速 铁路技术，2015，（3）.