尤瑞林，范 佳，劉偉斌，杜香剛

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

30 t軸重重載鐵路預應力混凝土軌枕設計研究

尤瑞林，范 佳，劉偉斌，杜香剛

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

結合我國重載鐵路的運營特點，在前期研究成果的基礎上，開展了30 t軸重重載鐵路混凝土軌枕的設計、試驗研究工作，并按照北美鐵路工程和維修協(xié)會(AREMA)的相關規(guī)定進行對比分析。研究結果表明:新型重載軌枕能夠滿足30 t軸重線路的承載性能要求，同Ⅲ型枕相比，軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩承載能力分別提高了18.5%和23.3%;新型重載軌枕能夠滿足國內(nèi)標準及AREMA的相關試驗要求，且具有較大安全余量，表明其達到北美重載線路用混凝土軌枕的承載水平。

30 t軸重 混凝土軌枕 AREMA 結構設計 試驗研究

近年來，重載鐵路運輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，已被國際上公認為鐵路貨運發(fā)展的方向。重載鐵路發(fā)展過程中，增加軸重是一個重要的技術方向，世界上部分國家在重載鐵路中已開始運營30 t軸重以上的重載列車，取得了一定的經(jīng)驗。我國重載鐵路以運營25 t軸重列車為主，尚缺乏30 t軸重以上線路的運營經(jīng)驗。由于重載列車速度的提高、軸重及運量的增加，相應地增大了對線路的作用，使得在大軸重、高密度的運營條件下，軌道結構傷損增加，線路設備病害發(fā)生和發(fā)展速度加快。近年來多次線路調(diào)查結果表明，我國重載線路上鋪設的混凝土軌枕出現(xiàn)一定程度的傷損，主要形式包括擋肩破損、軌枕軌下及中間截面橫向裂紋等。

目前，我國既有線路上大量鋪設的Ⅲ型及Ⅱ型軌枕設計軸重為25 t。隨著重載鐵路軸重和年運量的增加，軌枕的承載性能及疲勞壽命將有所降低。因此，從鐵路技術長期發(fā)展的角度考慮，有必要開展適用于30 t及以上軸重的重載軌枕研究設計，從而更好地滿足大軸重線路的運營條件。

我國自1956年研制出預應力混凝土軌枕以來，無論是鋪設數(shù)量、產(chǎn)品系列、質(zhì)量控制還是技術標準都有長足的發(fā)展。在軌枕發(fā)展過程中不斷積累經(jīng)驗，形成了包括設計、制造、檢驗、鋪設及養(yǎng)護維修等方面的整套技術體系［1-5］。其中，在軌枕研究設計環(huán)節(jié)，鐵科院在總結前期研究成果的基礎上編制了《預應力混凝土軌枕設計方法》［6］(以下簡稱設計方法)，該方法指導了我國Ⅲ型系列軌枕、新Ⅱ型軌枕、Ⅲ型系列橋枕以及客運專線有砟軌道岔枕的研究設計工作，是目前我國混凝土軌枕設計中廣泛采用的行業(yè)參考方法。

北美鐵路工程和維修協(xié)會手冊是北美鐵路工程和維修協(xié)會主編的用于指導鐵路結構及部件設計、養(yǎng)護、維修的行業(yè)標準(以下簡稱AREMA)［7］。AREMA自1905年第一版發(fā)行以來，不斷更新完善，成為北美地區(qū)乃至全球范圍內(nèi)有影響力的行業(yè)標準。在AREMA第30章中規(guī)定了混凝土軌枕的設計方法及相關技術要求，依據(jù)該方法設計的軌枕在北美重載線路中廣泛應用。

本次開展30 t軸重重載軌枕的研究設計，將結合我國重載鐵路的運營特點，在前期研究成果的基礎上，依據(jù)國內(nèi)成熟的設計方法開展結構設計。為與北美重載鐵路軌枕的性能作對比分析，在重載軌枕設計過程中，也將參考AREMA的相關要求進行計算分析和試驗研究。

1 軌枕垂直動壓力

1.1 中國設計方法

我國設計方法規(guī)定軌枕垂直動壓力Rd按下式計算

式中:γ為輪重分配系數(shù);P0為靜輪重，kN;α為綜合動載系數(shù)。

對于30 t軸重重載鐵路，靜輪重P0為150 kN。輪重分配系數(shù)與鋼軌類型、軌枕間距、車輪軸距以及鋼軌基礎彈性模量或鋼軌支座剛度等參數(shù)有關。根據(jù)彈性點支座上等截面連續(xù)長梁模型的計算結果，同時考慮鋼軌及軌枕沿線路縱向支承狀態(tài)不均勻，偏于安全，按照單根軌枕失效計算出輪重分配系數(shù)為0.494。式中綜合動載系數(shù)α是用以反映輪軌的不平順狀態(tài)，軌枕的不均勻支承或失效支承等不確定工況所引起的綜合動力效應，設計中取為1.5。將以上各參數(shù)取值代入式(1)，得到軌枕垂直動壓力為185 kN。

1.2 北美AREMA

AREMA也規(guī)定了輪重分配系數(shù)及動載系數(shù)的取值方法。AREMA認為輪重分配系數(shù)雖然也受到車輪軸距、鋼軌支座剛度以及鋼軌模量等因素的影響，但針對北美鐵路實際特點，以上各因素影響較小，因此輪重分配系數(shù)僅表示為軌枕間距的函數(shù)，偏于保守規(guī)定圖1所示的取值標準［7-8］。

按照我國軌枕常用的600 mm間距配置，查圖得到輪重分配系數(shù)為0.493。另外，AREMA規(guī)定用于預估車輪和鋼軌不平順動態(tài)效應的動載系數(shù)為2.0，因此，按照30 t軸重考慮，得到軌枕垂直動壓力為222 kN。

圖1 輪重分配系數(shù)的取值

2 軌枕荷載彎矩計算

2.1 中國設計方法

我國軌枕設計方法對于荷載彎矩計算規(guī)定了4種不同的道床反力圖式，一般情況下普通線路軌下截面和中間截面荷載彎矩計算圖式如圖2所示。

圖2 軌下和枕中截面荷載彎矩的計算圖式

由圖2中的道床反力計算圖式，軌枕軌下截面正彎矩設計值Mg按下式計算

中間截面負彎矩設計值MZ按下式計算

將Rd=185 kN及其他相關參數(shù)代入上式計算，同時考慮軌枕中部底面寬度小于軌下底面實際支承寬度的情況，將Mg的計算值增加約8%，MZ的計算值減小約10%，得到軌下截面正彎矩設計值為22.21 kN·m，中間截面負彎矩設計值為-17.44 kN·m。

另外，根據(jù)國外重載軌枕的使用經(jīng)驗及我國重載線路現(xiàn)場調(diào)研情況，重載鐵路特殊區(qū)段，如曲線地段、長大坡道及車輛制動地段，線路受到的橫向力較大，導致枕中截面受到的負彎矩荷載增加，枕中橫向裂紋出現(xiàn)較多。因此在本次重載軌枕設計時考慮較大橫向力的影響，對枕中截面荷載彎矩予以增加。

在特殊區(qū)段，通常情況下列車運行時會采取限速等措施，列車垂向動力影響會有所降低，同時考慮垂向力和橫向力的工況下，適當降低垂直動壓力。本次重載軌枕設計中，軌枕承受較大橫向力(70 kN)的同時，垂直動壓力取130 kN。經(jīng)計算，由于橫向力導致中間截面產(chǎn)生的負彎矩為-9.45 kN·m;同時垂直動壓力產(chǎn)生的中間截面負彎矩為-11.8 kN·m，得到軌枕中間截面負彎矩設計值為-21.25 kN·m。

綜合以上計算分析結果，30 t軸重重載軌枕設計時，軌下截面正彎矩設計值為22.21 kN·m，中間截面負彎矩設計值為-21.25 kN·m。

2.2 北美AREMA

北美AREMA中給出長度為2.36，2.44，2.59和2.74 m4種軌枕在不同間距條件下的軌下截面正彎矩基準值(如圖3所示)。

需要指出的是，圖3中給出的基準值是基于260 kN垂直動壓力計算得到的。根據(jù)我國30 t軸重線路的運營條件，上文計算得出的垂直動壓力為222 kN，因此需依據(jù)圖3，進行相應換算。對于我國重載軌枕，長度為2.6 m，間距按600 mm配置，按圖3所示標準經(jīng)換算后得到軌下截面正彎矩基準值為28.76 kN·m。

對于上述軌枕荷載彎矩基準值，考慮速度和年運量的影響，應乘以安全系數(shù)，按下式計算

式中:M為乘以安全系數(shù)后的軌下截面正彎矩，kN·m; B為由圖3得出的特定長度軌枕軌下截面正彎矩基準值，kN·m;V為由圖4得出的速度系數(shù);T為由圖4得出的年運量系數(shù)。

圖3 軌下截面正彎矩基準值

圖4 通過總重系數(shù)及速度系數(shù)

根據(jù)我國重載線路運營特點，按最大運營速度100 km/h、年運量＞75 M t計，取速度系數(shù)V為0.9，年運量系數(shù)T為1.1。將相關參數(shù)取值代入式(4)得軌下截面正彎矩設計值M為28.47 kN·m。

除軌下截面正彎矩設計值外，軌下截面負彎矩、中間截面正彎矩及負彎矩設計值按一定比例計算得到，其中對于長度2.6 m的軌枕按表1計算。另外，AREMA也針對軌下部分底寬大于中間截面的情況，規(guī)定軌下截面及中間截面正彎矩提高10%，相應的中間截面負彎矩降低10%。修正后各截面彎矩設計值如表1所示。

表1 AREMA荷載彎矩計算kN·m

對比國內(nèi)設計方法與AREMA計算結果可以看出:國內(nèi)設計方法中軌枕荷載彎矩值主要考慮軌下截面正彎矩及中間截面負彎矩，而AREMA對兩個關鍵截面的正負彎矩值都進行了計算。國內(nèi)設計方法計算得到的軌下截面正彎矩值小于AREMA的計算值，中間截面負彎矩值相對高于AREMA的規(guī)定值。

需指出的是，由于世界各國在混凝土軌枕設計時，軌枕荷載彎矩計算都與各自材料強度取值、混凝土結構設計理論以及軌枕設計的約束條件等因素相匹配，僅比較荷載彎矩值是不全面的。如:北美軌枕設計時，承載強度計算采用的混凝土強度為標準強度值，而我國軌枕設計采用的是考慮一定材料分項系數(shù)折減后的設計強度值。

因此，各國軌枕設計過程中都遵循各自設計經(jīng)驗性和連續(xù)性原則，不同時期設計不同類型的軌枕，均是在總結前期應用情況的基礎上進行優(yōu)化提高，而相關計算方法和計算條件不會做較大的變動。這樣有助于有針對性地優(yōu)化軌枕設計，更準確地把握新型軌枕的設計參數(shù)和承載能力，也有利于各類型軌枕在基本一致的基礎上進行對比分析。

本次30 t軸重重載軌枕荷載彎矩值仍按我國設計方法計算確定。同時，對于設計完成的軌枕也按照AREMA進行相關試驗研究，從而更加直觀地了解與國外重載軌枕性能之間的差異。

3 重載軌枕設計方案

重載軌枕混凝土強度等級為C60，預應力鋼絲極限抗拉強度σb=1 570 kN/mm2，其余設計參數(shù)如預應力鋼絲松弛率、抗拉強度設計值以及混凝土抗壓強度設計值、48 h強度等級、抗拉標準值、抗拉設計值、受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)等參數(shù)均按我國設計方法的規(guī)定取值。另外，在設計計算中考慮養(yǎng)護時溫差、墩頭內(nèi)縮、鋼絲松弛等因素對鋼絲預應力損失的影響。

設計完成的重載軌枕的型式尺寸及配筋如表2及圖5所示。

表2 重載軌枕型式尺寸及配筋

圖5 重載軌枕型式尺寸及配筋(單位:mm)

根據(jù)軌枕外形尺寸及配筋設計，計算出軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩承載能力分別為22.57 kN·m和-21.33 kN·m，承載能力滿足荷載彎矩的要求。同Ⅲ型枕相比，重載軌枕的軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩承載能力分別提高了18.5%和23.3%。

4 室內(nèi)試驗研究

4.1 中國鐵路標準

我國鐵路行業(yè)標準中對軌枕的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志及儲運等方面作了規(guī)定。我國軌枕靜載抗裂及疲勞強度試驗項目包括軌下截面正彎矩及中間截面負彎矩兩個力學參數(shù)，試驗方法按照《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》［9］及《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》［10］兩個鐵道行業(yè)標準執(zhí)行。標準中規(guī)定的靜載和疲勞試驗的加載圖式基本相同，其中軌下截面及中間截面靜載試驗圖式見圖6和圖7。

圖6 軌下截面正彎矩靜載試驗圖式(單位:mm)

圖7 中間截面負彎矩靜載試驗圖式(單位:mm)

目前，我國軌枕類型可劃分為Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型系列，各種類型軌枕的檢驗荷載值根據(jù)其自身的設計特征計算確定，目前Ⅲ型軌枕檢驗荷載值最大。將本次設計的重載軌枕與Ⅲ型軌枕的檢驗荷載值對比如表3所示。

表3 中國標準規(guī)定的檢驗荷載值kN

針對重載軌枕的設計方案進行產(chǎn)品試制，并依據(jù)上述鐵道行業(yè)標準開展了室內(nèi)力學性能試驗，試驗結果表明重載軌枕能夠滿足檢驗標準的要求，且有較大安全余量。

4.2 北美AREM A

AREMA中對軌枕的力學性能也規(guī)定了相關室內(nèi)試驗項目，但與我國鐵路標準有所不同。AREMA除要求對軌下截面的正彎矩和中間截面的負彎矩進行靜載試驗外，還要求對軌下截面的負彎矩及中間截面的正彎矩進行靜載試驗;但疲勞試驗僅針對軌下截面正彎矩進行檢驗。按照AREMA的規(guī)定，在靜載抗裂試驗中，軌下截面負彎矩、正彎矩以及中間截面負彎矩、正彎矩的加載圖式分別如圖8至圖11所示。

圖8 軌下截面負彎矩靜載試驗圖式

圖9 軌下截面正彎矩靜載試驗圖式

圖10 中間截面負彎矩靜載試驗圖式

AREMA規(guī)定力學試驗的荷載值根據(jù)荷載彎矩的計算值換算獲得。對于本次設計的重載軌枕，結合上節(jié)計算得到的荷載彎矩值，按AREMA的規(guī)定得出的荷載檢驗值如表4所示。

圖11 中間截面正彎矩靜載試驗圖式

表4 AREM A規(guī)定的檢驗荷載值kN

由于中國鐵路標準與AREMA所規(guī)定力學性能試驗的加載圖式有所不同，無法通過檢驗值的大小直接進行對比。因此，統(tǒng)一將兩種標準的檢驗荷載值換算為彎矩值(見表5)。

表5 中國及AREM A檢驗彎矩值對比kN·m

通過表5的對比可以看出，本次重載軌枕軌下截面正彎矩檢驗值稍高于AREMA，而中間截面負彎矩檢驗值提高更為顯著。這與設計初衷是相符的，通過國內(nèi)外使用情況調(diào)研以及與美國鐵路相關領域交流了解，中間截面負彎矩荷載是導致重載鐵路中混凝土軌枕出現(xiàn)傷損的重要原因，其中北美地區(qū)這種傷損類型更為明顯。因此，重載鐵路軌枕設計適當提高中間截面負彎矩的承載能力是合理的。

根據(jù)檢驗荷載的計算結果，按照AREMA規(guī)定的圖式進行了室內(nèi)試驗。結果表明，軌下截面及中間截面的正、負彎矩靜載試驗結果均滿足標準要求，軌下截面正彎矩疲勞試驗結果也滿足標準的要求，且具有較大安全余量。另外，按照AREMA的規(guī)定還開展了預應力鋼絲黏結力發(fā)展及軌枕承軌面磨損試驗，試驗結果均滿足要求。

綜合以上試驗結果可知，本次設計的30 t軸重重載軌枕能夠滿足AREMA規(guī)定的各項力學性能指標，達到了北美地區(qū)重載線路用混凝土軌枕的承載水平。

5 結論

本文結合我國重載鐵路的運營特點，分別按照國內(nèi)相關標準及AREMA的規(guī)定對30 t軸重重載鐵路用混凝土軌枕開展了設計及試驗研究，主要結論如下:

1)通過軌枕垂直動壓力以及荷載彎矩的計算結果分析對比可以看出，由于材料強度取值、結構設計理論等方面不同，國內(nèi)方法與AREMA計算得出的荷載彎矩值不具直接對比意義。

2)按我國設計方法，30 t軸重重載軌枕的設計垂直動壓力為185 kN，在設計中考慮橫向荷載的影響，確定軌下截面正彎矩設計值為22.21 kN·m，中間截面負彎矩設計值為-21.25 kN·m。

3)新型重載軌枕承載能力滿足30 t軸重線路荷載彎矩的要求，同Ⅲ型枕相比，軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩承載能力分別提高了18.5%和23.3%。

4)通過國內(nèi)標準與AREMA中試驗要求對比可看出，國內(nèi)外軌枕檢驗要求及試驗方法有一定的差異，經(jīng)換算對比，新型重載軌枕軌下截面正彎矩檢驗值稍高于AREMA，而中間截面負彎矩檢驗值提高更為顯著。

5)分別按照國內(nèi)標準及AREMA的規(guī)定對新型重載軌枕開展了室內(nèi)試驗研究，試驗結果均滿足相關要求，具有較大安全余量，表明新型軌枕能夠滿足30 t軸重線路運營條件，且達到北美地區(qū)重載線路用混凝土軌枕的承載水平。

［1］盧祖文.我國鐵路混凝土軌枕的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.中國鐵路，2006(6):8-11.

［2］陳秀方.軌道工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］蔡小培，曲村，高亮.國內(nèi)外高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結構研究現(xiàn)狀分析［J］.鐵道標準設計，2011(11):5-11.

［4］李斌，劉學毅.混凝土軌枕抗力的影響因素及其計算方法研究［J］.鐵道學報，2011(6):94-98.

［5］楊寶峰，于春華.鐵路軌枕現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.鐵道工程學報，2007(2):36-40.

［6］中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.TY-083預應力混凝土軌枕設計方法［R］.北京:中國鐵道科學研究院，1994.

［7］American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association(AREMA).AREMA Manual for Railway Engineering［S］.Lanham，Maryland:AREMA，2011.

［8］FREUDENSTEIN S.Concrete Ties Designed for High Dynamic Loads［C］//AREMA 2007 Annual Conference Proceedings.Landover，Maryland:American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association(AREMA)，2007.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1879—2002預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1878—2002預應力混凝土枕疲勞試驗方法［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

Study on design of prestressed concrete sleeper suitable for 30 t axle load heavy haul railway

YOU Ruilin，F(xiàn)AN Jia，LIU Weibin，DU Xianggang
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Considering of the operation characteristics of heavy haul railway in China，based on previous research，design and test on concrete sleepers for 30 t axle load heavy haul railway were carried out.The performance of this type of concrete sleepers was analyzed according to the relevant requirements of American Railway Engineering and Main tenance-of-Way Association(AREMA).The results show that the concrete sleeper developed is able to ensure the bearing performance of the targeted vehicle，at the same time the bearing capacity of the positive bending moment at the sub-rail cross section and that of the negative bending moment at the mid-rail cross section are improved by 18.5%and23.3%respectively，compared with the type Ⅲ sleeper.Therefore，the sleeper developed-with safety allowance for any possible incidenceis in compliance with China's technical standard and meets the requirement of AREMA.It can be concluded that in terms of its bearing capacity，the piece is on the same par with concrete sleepers current used in the heavy haul railway system in North America.

30 t axle load;Concrete sleeper;AREMA;Structural design;Experimental research

U213.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.25

1003-1995(2015)01-0113-06

(責任審編 趙其文)

2014-09-20;

2014-11-25

尤瑞林(1986—)，男，安徽宿州人，助理研究員，碩士。