钢管混凝土轨枕结构设计方案

孙立

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 线站处，湖北 武汉 430063）

1 概述

1.1 钢管混凝土轨枕研究意义

无砟轨道具有整体性强、稳定性好、坚固耐用、轨道变形小和变形累积缓慢等特点，利于高速行车，可大大减少维修和养护工作量、降低作业强度、改善作业条件[1]。我国高速铁路无砟轨道主要可分为两大类：现浇双块式无砟轨道结构和预制板式无砟轨道结构[2]，现浇双块式无砟轨道具有明显的经济优势。目前所用的双块式无砟轨道核心技术我国并不具有自主知识产权。因此，研究具有自主知识产权的适用于现浇无砟轨道轨枕，对于实施我国高速铁路“走出去”具有重要意义。

目前针对双块式轨枕的研究主要有双块式轨枕横向阻力、横向抗力研究[3-4]等；针对新型轨枕的研究主要有复合轨枕温度适应性分析[5]、地铁用连块式轨枕试验研究[6]等，研究内容多为传统轨枕的受力分析。研究首次提出采用钢管混凝土构件，将两端混凝土轨枕块连接，形成造价合理、具有我国自主知识产权的新型轨枕方案——钢管混凝土轨枕，为我国现浇式无砟轨道提供了新的轨枕选择形式。

1.2 SK-2型双块式轨枕应用缺点

SK-2型双块式轨枕（简称SK-2型轨枕）采用焊接桁架钢筋作为轨枕块连接骨架，具有结构稳定性好、预制轨枕与现浇道床板连接界面少、结构优势明显等优点。但是，结合武广、兰新二线等多个项目的应用经验，SK-2型轨枕仍存在以下缺点：

（1）轨枕块下有桁架钢筋，道床板施工时存在轨枕块下振捣不密实等问题，同时轨枕块体积小、质量轻，运营过程中容易产生脱空，严重时甚至导致周围道床板破坏。在高铁上，因为轴重轻表现不明显，但是在货运列车、尤其是重载列车运营条件下尤其明显。

（2）桁架钢筋采用冷轧钢筋除鳞、造肋、焊接等工艺成型，钢筋容易锈蚀，尤其是轨枕没有及时使用情况下，影响结构耐久性，甚至影响结构正常使用[7-8]。

（3）桁架钢筋制造需要专门生产线，轨枕生产成本高。

2 钢管混凝土轨枕方案

2.1 总体方案

项目组在系统研究国内外新型建筑材料基础上，结合现浇式轨道轨枕需求特点，提出了3种结构方案：钢筋焊网方案、型钢方案和钢管混凝土轨枕方案。

方案一：钢筋焊网方案。为增加焊网骨架的抗弯、抗扭能力，将钢筋焊网折叠成三角形作为轨枕块连接骨架，在三角处增加骨架钢筋。

方案二：型钢方案。直接将市场上“L”“H”“U”等型钢作为轨枕块连接骨架。

方案三：钢管混凝土方案。钢管混凝土近年来在建筑、桥梁等领域获得了广泛的应用，将高性能素混凝土注入新型小直径钢管以作为轨枕块连接骨架，一方面可有效提高结构强度、塑性和韧性；另一方面可提高结构整体稳定性，降低用钢量，提高经济性。

2.2 方案比选

3种结构方案优缺点比较见表1。

表1 轨枕块不同连接骨架方案优缺点比较

方案三因钢管混凝土轨枕抗变形能力强、经济性最好，推荐新型现浇道床采用钢管混凝土轨枕方案。

2.3 与SK-2型轨枕比较

钢管混凝土轨枕与SK-2型轨枕优缺点比较见表2。

表2 钢管混凝土轨枕与SK-2型轨枕优缺点比较

相对于SK-2型轨枕，钢管混凝土轨枕加工更简单，防锈性能更佳，轨枕混凝土生产工艺基本相同，造价基本相当。

3 结构设计

3.1 构件设计

钢管混凝土构件设计主要包括2方面内容：有关钢管外形、根数、管径、管壁厚度及钢管布置的选型研究以及核心混凝土性能研究。

3.1.1 钢管选型研究

（1）钢管外形比较。目前市场上最常见的钢管外形为方（矩）形，国内外大量试验表明，方（矩）形钢管对于核心混凝土的约束能力明显不及圆形钢管[10]，因此连接骨架采用圆形钢管。

（2）钢管根数比较。分别比较了成“品”字形布置的3根钢管和2根水平布置的设计方案，比较抗弯、抗扭变形能力，“品”字形布置3根钢管优于2根水平布置钢管，但“品”字形布置钢管需要轨枕块厚度较大，上层钢筋和扣件预埋套管位置协调难度大。通过理论计算及试验验证，2根水平布置的钢管完全能达到与SK-2型轨枕桁架钢筋相当的抗变形能力。因此，设计采用2根钢管混凝土构件连接，轨枕块内设置箍筋，箍筋与钢管混凝土构件采用固定钢筋定位。钢管混凝土构件连接2根直径10 mm钢筋（固定钢筋）加强与混凝土轨枕块之间的连接性能。

（3）钢管外径比较。采用外径42 mm、壁厚3 mm结构用无缝钢管，其力学性能指标应符合GB/T 8162—2008《结构用无缝钢管》的规定。

3.1.2 核心混凝土性能研究

钢管内灌注自密实混凝土。为了保证钢管混凝土灌注质量，要求采用真空灌注方法。

3.2 轨枕块结构设计

3.2.1 几何设计

钢管混凝土轨枕块几何设计主要与项目采用的扣件类型相关，保证扣件安装的前提下，轨枕块几何尺寸应最小，从而尽可能减小预制轨枕块和现浇道床板混凝土的接触界面，控制混凝土裂纹发生几率。与WJ-7型扣件相匹配的轨枕块设计见图1。

图1 与WJ-7型扣件相匹配的轨枕块设计

3.2.2 配筋设计

SK-2型轨枕沿袭原创技术设计，轨枕块内除了桁架钢筋和1根环形箍筋外，没有其余配筋，尤其是提供轨道结构横向受力的轨枕挡肩采用素混凝土设计，在轨枕脱模时容易开裂掉块。研究借鉴地铁短轨枕设计经验，结合不同线路荷载条件计算结构，与WJ-7型扣件相匹配的轨枕块配筋设计见图2。

图2 与WJ-7型扣件相匹配的轨枕块配筋设计

3.2.3 轨枕块与道床板加强连接设计

（1）轨枕块侧面设置凹槽。为加强轨枕块与道床板混凝土的可靠连接，比选了3种方案：轨枕侧面粗糙化处理、轨枕侧面分别设置1条或2条凹陷沟槽、轨枕侧面分别设置2个凹槽。综合比较连接效果和可施工性，推荐采用轨枕侧面分别设置2个凹槽方案，

（2）轨枕底设置门型钢筋。为进一步加强轨枕块和道床板的连接可靠性，设计借鉴地铁短轨枕道床中短轨枕底面设置门型钢筋经验，在轨枕底面设置3条φ16 mm门型钢筋，实际效果见图4。其实际效果见图3。

图3 轨枕块侧面凹槽效果

图4 轨枕底3条门型钢筋

3.3 钢管混凝土构件与轨枕块连接

为消除钢管混凝土构件周围轨枕块混凝土应力集中影响，借鉴扣件预埋套管周围设置螺旋钢筋的经验，在钢管混凝土构件与轨枕块结合位置设置螺旋钢筋。

4 试验研究

4.1 抗弯性能试验

4.1.1 钢管混凝土构件

钢管混凝土构件的抗弯性能直接决定钢管混凝土轨枕的抗弯性能，因此针对钢管混凝土构件开展抗弯性能测试（见图5）。将钢管混凝土构件按照两端支撑间距为1.5 m架设安装，正中位置施加荷载并记录荷载和挠曲位移值。其中钢管采用20#热轧钢材，选择外径为34、38、42 mm的钢管进行对比试验，钢管中均灌注相同混凝土材料。

图5 钢管混凝土构件抗弯试验

钢管混凝土构件抗弯性能测试结果见图6。对比分析外径为34、38、42 mm钢管混凝土构件的荷载位移曲线可知：

（1）外径34 mm钢管混凝土构件弹性段终点荷载为3.3 kN，挠曲变形为31.5 mm；挠曲变形2 mm时承受荷载0.25 kN。

（2）外径38 mm钢管混凝土构件弹性段终点荷载为3.3 kN，挠曲变形23.4 mm；挠曲变形2 mm时承受荷载0.33 kN。

图6 钢管混凝土构件抗弯性能测试结果

（3）外径42 mm钢管混凝土构件弹性段终点荷载为5.2 kN，挠曲变形27.5 mm；挠曲变形2 mm时承受荷载0.49 kN。

分析测试结果可知，外径34、38 mm的钢管混凝土构件弹性段终点荷载相当，外径38 mm的钢管混凝土构件在弹性段终点挠曲变形小于外径34 mm的钢管混凝土构件；外径42 mm钢管混凝土构件弹性段终点荷载为外径34、38 mm的1.5倍。设计按2根钢管混凝土构件承受0.75 kN的荷载（成年人体重）仍在2 mm弹性变形范围内考虑，由此可见选取外径42 mm钢管混凝土构件满足设计要求。

4.1.2 钢管混凝土轨枕

钢管混凝土轨枕抗弯试验利用试验平台，在两端混凝土轨枕块下方按照1.5 m间距支撑轨枕，并在正中位置加载，形成3点支撑抗弯试验（见图7）。通过4.1.1中试验已确定选取外径42 mm的钢管混凝土构件，因此抗弯试验用轨枕均采用外径42 mm的钢管混凝土构件制造。

图7 钢管混凝土轨枕抗弯试验

轨枕抗弯试验结果见图8。结果表明：钢管混凝土轨枕受弯时，屈服荷载为9.9 kN，弹性段终点荷载为6.3 kN，轨枕质量为180 kg，可见轨枕在自重荷载作用下不会发生塑性变形；轨枕浇筑进入道床后钢管混凝土构件不再作为主要受力构件，施工过程中按不利工况下钢管混凝土构件上方承受0.75 kN荷载考虑，可见在不利施工荷载作用下轨枕不会发生塑性变形，满足受力要求。

4.2 连接可靠性试验

为验证钢管混凝土构件与混凝土轨枕块的连接性能是否可靠，在2轨枕块之间采用千斤顶顶推轨枕块的内侧面进行连接可靠性试验（见图9）。设计4种工况进行对比试验，分别为：不采取加强措施的空白组、设门型钢筋组、焊接2 cm短钢筋组、穿入螺旋钢筋组。

图8 钢管混凝土轨枕抗弯试验结果

连接可靠性试验结果见图10。试验结果表明：空白组连接力为68.0 kN，设门型钢筋组连接力为75.1 kN，焊接2 cm短钢筋组连接力为65.1 kN，穿入螺旋钢筋组连接力为76.3 kN。4种工况下钢管混凝土构件与轨枕块之间连接力均为60～80 kN，钢管混凝土构件与轨枕之间可形成可靠连接，其中穿入螺旋钢筋可提供的连接力最大，连接性能最为可靠。

图9 连接可靠性试验

图10 连接可靠性试验结果

5 结论

总结现有双块式轨枕的优缺点，提出一种力学性能优异、经济性更好的钢管混凝土轨枕，对钢管混凝土轨枕的总体方案、结构设计、力学性能进行分析，得出如下结论：

（1）钢管混凝土轨枕采用钢管混凝土构件取代钢筋（型钢）作轨枕块连接骨架，相比较冷轧带肋钢筋桁架，不需要大型专用生产线，具有生产简单、钢管不易生锈、耐久性好、用钢量少等优点。

（2）钢管混凝土轨枕块下设置门型钢筋，容易捣固密实；侧面设置凹槽，轨枕块与道床板混凝土连接可靠；轨枕块采用配筋设计，混凝土裂纹控制更好，结构更加安全、耐久。

（3）钢管混凝土轨枕抗弯性能试验、连接可靠性试验表明，其力学性能优异，满足施工过程中受力性能要求。

（4）我国对其具有完全自主知识产权，可广泛应用于高铁、市域铁路、城际铁路和城市轨道交通，并可应用于客货共线铁路、货运专线和重载铁路。采用钢管混凝土轨枕现浇道床板式无砟轨道，可为我国高速铁路“走出去”和“一带一路”倡议的实施提供技术保障。