国内外预应力混凝土轨枕强度检验标准对比研究

尤瑞林,范 佳,刘伟斌

(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)

1 概述

随着人类社会的不断进步和发展，货物运输和人们出行的需求不断增加，铁路作为一种便捷、大容量、绿色节能的一种运输方式也正经历着快速发展的时期。轨道结构是铁路系统中重要的组成部分，良好的轨道结构是铁路运营安全可靠、舒适高效的重要保证。轨道结构从大的方面可分为有砟轨道和无砟轨道两种类型，其中无砟轨道主要用于高速铁路和其他类型铁路的特殊区段(如长大隧道内)[1-6]。从运营里程来看，有砟轨道仍然是铁路线路的主要轨道结构形式[7]。

有砟轨道结构组成如图1所示，可以看出，轨道结构中包括钢轨、扣件、轨枕以及有砟道床。

图1 有砟轨道结构组成

轨枕是轨道结构的关键部件，主要功能包括两部分，一是承受着来自钢轨的各向荷载，并将荷载向下部道床传递；二是有效保持线路的轨距、轨向等几何形态。轨枕按其材质分为木枕、混凝土枕、钢枕和复合材料轨枕等[8]，其中混凝土轨枕是目前用量最大的一种轨枕类型。混凝土枕的特点是自重大、刚度大、保持轨道几何能力强，有利于提高轨道的平顺性和稳定性，且混凝土枕耐久性好、使用寿命长。目前，世界铁路网中，每年约需5亿根混凝土轨枕，除北美仍普遍采用木枕外，混凝土是很多国家轨枕生产制造的首选材料。

目前，世界上铁路发展水平较高的国家和地区均制定了各自混凝土轨枕的标准。随着全球化的发展，为实现世界范围内铁路的互联互通，国际标准化组织(ISO)正在推进铁路行业国际标准的编制工作，混凝土轨枕的国际标准也正在进行研究制订工作。在此背景下，积极开展中国混凝土轨枕标准与国外标准对比研究，将有利于推动中国铁路标准与国际标准接轨，为中国铁路技术在国际标准编制工作中争取更大的话语权。

2 世界典型国家和地区混凝土轨枕标准体系

2.1 中国标准

中国铁路标准中轨枕分为铁路行业标准、企业标准等不同级别，目前以铁路行业标准为主。我国现行有砟轨道混凝土轨枕标准如表1所示[9-16]。

表1 我国有砟轨道混凝土轨枕标准

2.2 欧洲标准

欧洲标准由欧洲标准化委员会(CEN)发布，在欧洲33个成员国内执行，一般包含英语、法语和德语三个官方语言版本[17-18]。

欧洲标准中有关铁路专业的相关标准由CEN TC256负责编制，铁路用混凝土轨枕的标准制订也在其职责范围内。欧洲铁路混凝土轨枕标准体系与我国不同，所有的轨枕统一采用EN 13230(《铁路应用—轨道—混凝土轨枕和岔枕》)系列标准，而EN 13230系列标准按照一般要求及不同类型轨枕的特殊要求划分为5个部分，具体情况如表2所示。

表2 欧洲铁路混凝土轨枕标准

欧洲正在编制EN 13230系列标准的第6部分：设计方法，目前，该部分并未正式发布实施。

2.3 北美标准

北美地区混凝土轨枕执行北美铁路工程和维修协会手册(AREMA)第30章 第4部分《混凝土轨枕》[19]。AREMA是由北美铁路工程和维修协会发布，其内容不定期更新。AREMA混凝土轨枕标准的章节中主要包含：整体式预应力混凝土轨枕、双块式轨枕、混凝土岔枕以及混凝土轨枕用扣件系统的相关技术要求。

AREMA混凝土轨枕标准涵盖内容较广泛，它将各种轨枕型式的要求均纳入一个标准，而且将扣件系统的技术要求也纳入到轨枕的标准内，但AREMA标准中对于轨枕的尺寸公差要求以及生产工艺的要求规定较少。

2.4 日本标准

日本铁路混凝土轨枕标准按照预应力施加的方式，分别执行两个混凝土轨枕的国家标准(日本工业标准，JIS[20,21])：对于先张法预应力混凝土轨枕执行JIS E 1201《预应力混凝土轨枕—先张法》；对于后张法预应力混凝土轨枕执行JIS E 1202《预应力混凝土轨枕—后张法》。日本的这两个标准主要针对整体式轨枕，不包括双块式轨枕和岔枕。上述两个标准中规定了原材料(如混凝土、钢筋)、轨枕形式尺寸及测试检验方法等内容。

3 混凝土轨枕强度检验项目及支承图式

混凝土轨枕强度是考查其性能的重要检验项目，对轨枕强度的检验主要包括静载、动载和疲劳，检验的位置包括轨下截面和枕中截面。国内外不同的混凝土轨枕标准中对轨枕强度检验项目要求有所不同，详细的总结对比如表3所示。

表3 国内外混凝土轨枕强度检验项目

注：表中标识“√”为标准中规定检验项目；表中的检验项目具体的开展条件在不同标准中有具体的规定。

由表3中的总结对比可以看出，不同国家和地区混凝土轨枕标准中规定的强度检验项目有所不同，其中欧洲标准中规定检验项目较多，其规定的动载试验在其他标准中均未要求。日本混凝土轨枕标准中规定的强度检验项目最少，仅针对轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩进行静载试验。

3.1 中国标准

中国标准中规定的轨枕强度试验方法相对简便，根据标准给定的支承条件，按照不同类型轨枕设计指定的检验荷载值，直接缓慢加载即可，无繁琐的加载程序。图2为轨下截面正弯矩试验的支承图式(静载和疲劳试验的支承图式相同)，图3为枕中截面负弯矩试验的支承图式(静载和疲劳试验的支承图式相同)[9-10]。

图2 轨下截面正弯矩检验支承图式(单位：mm)

图3 中间截面负弯矩检验支承图式(单位：mm)

3.2 欧洲标准

欧洲EN 13230标准中规定了轨枕静载、动载和疲劳强度的试验方法，试验过程中轨枕的支承方式由检验截面受力特征决定。以常见的2.6 m长度的预应力混凝土轨枕为例，欧洲标准中规定的轨下截面正弯矩、枕中截面负弯矩及枕中截面负弯矩的支承方式如图4～图6所示[18]。另外，标准中轨下截面的疲劳检验支承图式与其轨下截面正弯矩静载检验的支承图式相同。

图4 轨下截面正弯矩检验支承图式[18](单位：mm)

图5 中间截面负弯矩检验支承图式[18](单位：mm)

图6 中间截面正弯矩检验支承图式[18](单位：mm)

欧洲混凝土轨枕强度检验过程中，基于上述支承图式，采用逐级加载的方式，检验轨枕的强度，不仅记录开裂荷载，还记录残余裂纹宽度0.05 mm、残余裂纹宽度0.5 mm及极限破坏对应的荷载值，因此加载程序较为复杂。

3.3 北美标准

AREMA标准规定的轨枕强度加载方法与我国轨枕标准方法相似，均直接加载检验，但两者的支承图式有所不同，而且AREMA静载试验除了要求对轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩检验以外，比我国标准中增加要求对轨下截面负弯矩和枕中截面正弯矩的检验要求[19]。其中轨下截面正弯矩及负弯矩检验支承图式分别如图7和图8所示。另外，对于枕中截面负弯矩及正弯矩检验的支承图式与欧洲标准类似，轨下截面的疲劳检验支承图式与其轨下截面正弯矩静载检验的支承图式相同。

图7 轨下截面正弯矩检验支承图式[19](单位：mm)

图8 轨下截面负弯矩检验支承图式[19](单位：mm)

3.4 日本标准

日本轨枕强度试验的方法和检验荷载弯矩类别与我国标准类似，试验过程中直接加载至标准规定的荷载值进行检验，而且仅检验轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩，日本轨枕标准相对于中国标准，试验时的支承间距有所不同，图9和图10分别为轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩检验的支承图式[20-21]。

图9 轨下截面正弯矩检验支承图式[20-21](单位：mm)

图10 枕中截面负弯矩检验支承图式[20-21](单位：mm)

4 检验荷载的计算方法

在混凝土轨枕强度检验过程中，除了确定检验项目和支承图式外，对于检验荷载的计算是另一项重要内容。目前，国内外混凝土轨枕标准强度检验荷载的确定可以分为基于轨枕设计承载能力检验和基于现场承载要求检验两种思路。

基于轨枕设计承载能力检验的思路是：根据现场的实际运营条件和相关计算参数完成轨枕设计后，基于轨枕的外形尺寸设计、预应力钢筋配置、材料特性，可计算得到轨枕关键截面的设计承载能力，由此确定检验荷载值来对制造厂家生产出轨枕的质量进行检验和判定。目前，中国和日本标准中对混凝土轨枕强度检验采用这个思路。

基于现场承载要求检验的思路是：根据现场运营车辆的轴重、速度及轨道配置等参数，利用相关计算模型和假定参数，计算得到满足运营安全、可靠所需要的轨枕承载强度，由此确定检验荷载值来对制造厂家生产出轨枕的质量进行检验和判定。目前，欧洲和北美地区轨枕标准中对混凝土轨枕强度检验采用这个思路。

4.1 中国标准

我国混凝土轨枕强度的检验荷载基本是依据混凝土结构设计规范的相关规定，对定型后不同类型轨枕按照预应力混凝土梁的受力模式计算得出检验荷载值。计算过程中考虑不同类型轨枕的截面参数、原材料力学特征以及预应力损失等因素，静载抗裂强度计算时考虑混凝土部分抗拉强度值，而疲劳强度计算考虑疲劳后控制残余裂纹宽度。目前我国常见预应力混凝土轨枕的强度检验荷载值见表4。

表4 中国常用预应力混凝土轨枕强度检验荷载值

4.2 欧洲标准

欧洲混凝土轨枕标准中检验荷载的确定与现场的运营情况直接相关，标准中规定枕上动压Rd按下式计算

Rd=P0(1+kp×kv)×kd×kr

(1)

式中P0——静轮重，kN，为设计轴重的1/2；

kv——考虑正常使用状态由于轨道结构以及车辆不平顺引起的动态荷载增量，推荐列车速度V<60 km/h时取0.25，V>200 km/h时取0.75，中间速度对应的系数由线性插值换算得到；

kp——考虑扣件系统的弹性对枕上动压力冲击衰减的系数，配套低衰减扣件时取1.0，配套中等衰减扣件时取0.89，配套高衰减扣件时取0.78；

kd——普通线路中列车轮载在轨枕间的分配系数，常见的轨道结构配置推荐取0.5；

kr——由于支承的缺陷导致轨枕在道床内支承反力变化的影响系数，推荐取1.35。

以上是欧洲铁路用于计算混凝土轨枕的基本动压力的相关规定。除此之外，欧洲标准中还通过附加冲击系数的方式，确定轨枕异常荷载以及意外事故冲击导致的荷载，利用这两个附加冲击系数计算得到的弯矩值作为轨枕强度检验的指标。

4.3 北美标准

北美标准中规定铁路轨枕的强度检验荷载值也是基于现场运营所需的承载能力得到，AREMA标准中给出了动载系数、轮重分配系数的取值方法及轨下截面正弯矩的检验基准值。对于轨枕所受的动荷载，考虑车轮和钢轨不平顺动态效应，附加动载系数为2.0，即动载系数为3.0。对于轮重分配系数，AREMA将轮重分配系数表示为轨枕间距的函数，并给出推荐取值。对于轨下截面正弯矩基准值，AREMA在标准中规定长度为2.36，2.44，2.59 m和2.74 m四种轨枕在不同间距条件下的取值如图11所示[19]。设计人员根据轨枕的长度以及轨枕间距查图得到轨下截面弯矩的基准值，然后考虑速度和年运量的影响，乘以安全系数后可得到轨下截面正弯矩检验值。对于不同长度轨枕其他位置强度的检验值，采用表5中规定的关系式计算得到。另外，对于轨下正弯矩疲劳荷载，AREMA规定疲劳检验荷载值为静载检验值的1.1倍。

图11 轨下截面正弯矩基准值[19]

轨枕长度/m轨下截面正弯矩轨下截面负弯矩枕中截面负弯矩枕中截面正弯矩2.36M0.72M1.13M0.61M2.44M0.64M0.92M0.56M2.59M0.53M0.67M0.47M2.74M0.46M0.57M0.40M

4.4 日本标准

日本混凝土轨枕标准中规定的强度检验荷载值的确定方法与我国标准相似，其总体思路是对定型后不同类型轨枕按照预应力混凝土梁的受力模式计算得出检验荷载值。在强度检验过程中，日本混凝土轨枕标准规定常见预应力混凝土轨枕轨下截面和中间截面静载检验的开裂荷载和破坏荷载如表6所示[20-21]。

5 结论

通过以上对世界典型国家和地区混凝土轨枕标准的对比分析，得出以下结论。

(1)各国轨枕标准体系划分有所不同，中国轨枕标准除了将轨枕的试验方法单独编制标准外，再按照轨枕适用运营速度、轨枕类型等来具体划分；欧洲的EN标准是按照一般要求和具体不同类型轨枕具体要求来编制系列标准；北美的AREMA标准涵盖内容较广泛，它将整体式预应力混凝土轨枕、双块式轨枕、混凝土岔枕的要求均纳入一个标准中，而且将扣件系统的技术要求也纳入到轨枕的标准内；日本轨枕的标准是按照预应力混凝土轨枕的生产工艺，将混凝土轨枕划分为先张法和后张法两个标准体系。

表6 日本混凝土轨枕标准规定的检验荷载值[20-21]

(2)不同国家和地区混凝土轨枕标准中规定的强度检验项目有所不同，其中欧洲标准中规定检验项目较多，其规定的动载试验在其他标准中均未要求。日本混凝土轨枕标准中规定的强度检验项目最少，仅针对轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩进行静载试验。

(3)国内外混凝土轨枕标准强度检验荷载的确定可以分为基于轨枕设计承载能力检验和基于现场承载要求检验两种思路：中国和日本标准中对混凝土轨枕强度检验是基于轨枕设计承载能力检验的思路；欧洲和北美地区轨枕标准中对混凝土轨枕强度检验是基于现场承载要求检验的思路。

综上所述，由于各国的实际情况有所差异，因此，目前各国轨枕标准体系和检验方法的特点不同，在编制ISO标准过程中，从国际标准的高度通用性和概括性来考虑，可以借鉴目前EN标准体系来开展工作，但标准的具体内容仍需要详细讨论研究，使其能够涵盖各国的实际情况。通过国内外标准的对比分析，可以看出目前我国铁路混凝土轨枕标准对于各型产品检验要求规定比较详细具体，但在标准的系统性和概括性方面仍存在不足，不利于向国外推广。随着全球化的推进，铁路的互联互通是未来的发展趋势，因此在铁路技术的发展过程中，我国铁路轨枕从业者还需要从轨枕设计方法、原材料耐久性指标控制、生产制造工艺、产品检验和现场维修等各个方面与国外标准进行详细对比分析，积极参与国际标准的制订研究，为我国铁路混凝土轨枕走出去提供技术支撑。