谷呈朋 袁憲利 李 苗 裴愛華

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.陜西靖神鐵路有限責任公司，陜西榆林 719000)

近年來，我國重載鐵路發(fā)展迅速，先后建成了大秦鐵路、朔黃鐵路、瓦日鐵路等重載貨運通道，國內(nèi)最長的重載煤運鐵路通道—蒙華鐵路，也在快速建設之中。作為承載鐵路運輸?shù)幕A，軌道工程技術也在不斷發(fā)展進步，為重載運輸?shù)陌l(fā)展創(chuàng)造了重要條件[1-2]。

靖神鐵路是蒙華鐵路集疏運系統(tǒng)的重要支線和陜西省內(nèi)最長的煤炭運輸鐵路，南起靖邊北站(與蒙華鐵路接軌)，北至神木西站(與包西鐵路接軌并連通紅檸鐵路)。設計運量近期5 100×104t，遠期7 200×104t，設計標準為國家Ⅰ級電氣化鐵路，將與蒙華鐵路同步建成。

重載鐵路運量大、軸重大、行車密度大、荷載作用時間長，軌道結(jié)構(gòu)所受沖擊較大，易造成軌道結(jié)構(gòu)的傷損，惡化軌道工作狀態(tài)[3]。軌道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與軌道部件尺寸、材料等參數(shù)有關[4]。美國、加拿大、巴西、南非等國在重載鐵路中采用了養(yǎng)護維修成本較低的快速彈條扣件系統(tǒng)，我國在合武、石太等客運專線也有該類型扣件的應用。侯堯花[5]介紹了扣件預埋鐵座定位裝置的研制情況及定位裝置在軌枕生產(chǎn)中的工藝要點；張向輝[6]等介紹了與客運專線快速彈條扣件配套使用的預應力混凝土軌枕的生產(chǎn)制造技術；林紅松[7]等通過適當增大軌枕截面和增加配筋、減小軌枕擋肩傾角等措施，對30 t軸重混凝土軌枕進行了設計與試驗研究；杜香剛[8]結(jié)合國外重載軌枕形式，介紹了新型高穩(wěn)定性軌枕的設計和研發(fā)情況。

另一方面，軌枕作為有砟軌道結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，可起到有效降低道床垂向動力、延緩道床劣化等作用[9]。目前，針對重載鐵路軌枕的設計研究主要側(cè)重軌枕自身結(jié)構(gòu)的設計，通常是從增加配筋、擴大枕底接觸面等方面對普通軌枕進行強化設計。快速彈條扣件作為一種新型扣件系統(tǒng)，在國外重載鐵路應用較多；國內(nèi)軌枕設計多配套傳統(tǒng)彈條扣件，較少有針對快速彈條扣件的配套軌枕和橋枕設計。結(jié)合靖神鐵路工程，在既有國鐵Ⅲ型軌枕基礎上，針對快速彈條扣件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，進行配套軌枕及橋枕的設計。

1 快速彈條扣件簡介[10]

標準配置的FC-16扣件系統(tǒng)由快速彈條、絕緣帽、軌距擋塊、軌下墊板和預埋鐵座等組成(如圖1)。

圖1 快速彈條扣件系統(tǒng)

該扣件是一種無螺栓扣件系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是具有獨特的開關式橫向安裝結(jié)構(gòu)，能快速有效地進行安裝和拆卸，養(yǎng)護維修成本低。

國內(nèi)重載常用的扣件系統(tǒng)對軌枕的接口主要是通過預留錨固螺栓孔或預埋套管實現(xiàn)，生產(chǎn)控制較為簡單?？焖購棗l系統(tǒng)采用了特殊的預埋鐵座結(jié)構(gòu)，對漏出軌枕表面部分預埋件的定位要求比較高，需對幾處關鍵接口尺寸進行控制。目前，普通Ⅲb型軌枕模具及預埋件制作工藝不能滿足快速彈條扣件系統(tǒng)對軌枕的接口要求，需對扣件與軌枕接口進行配套設計。與傳統(tǒng)Ⅲ型橋枕相比，采用快速彈條扣件后，為適應扣件功能并滿足相關規(guī)范要求，需調(diào)整橋枕尺寸，并對橋枕進行受力分析檢算。

2 配套軌枕設計

2.1 配套軌枕設計原則

結(jié)合靖神鐵路的工程實際及扣件結(jié)構(gòu)特點，配套軌枕設計原則如下：

(1)盡量采用成熟的設計方案，保證軌枕的承載能力不低于既有國鐵Ⅲ型枕。

(2)軌枕長度按2.6 m設計。

(3)預埋件接口工藝滿足FC-16型扣件系統(tǒng)的接口要求，并保證扣件安拆的空間要求。

(4)橋枕設計時，護軌與基本軌凈距為500 mm；護軌頂面與基本軌(60 kg/m或70 kg/m)頂面高差限差為-25～5 mm。

2.2 配套軌枕方案及接口設計

FC-16型扣件配套使用的Ⅲ型預應力混凝土枕(簡稱ⅢFC16型枕)外形尺寸和結(jié)構(gòu)配筋采用了與Ⅲb型軌枕相同的設計方案，軌下高度維持不變，針對預埋件部分，按照快速彈條扣件系統(tǒng)的相關制造要求進行了接口設計。

根據(jù)FC-16型扣件系統(tǒng)的相關要求，軌枕預埋件的接口內(nèi)容包括：

①預埋鐵座抗拔力不小于70 kN；

②軌底坡設置在軌枕承軌面上；

③主要的控制尺寸包括兩承軌臺外側(cè)預埋件間距離、同一軌底內(nèi)外側(cè)預埋件間距離、預埋件對稱軸控制點(A點)至枕面高度、預埋件下部兩翼控制點(B、C點)至枕面高度等。

圖2 預埋件接口示意(單位:mm)

軌枕接口設計的重點是對生產(chǎn)制造過程中關鍵尺寸的控制要求，預埋鐵座的控制尺寸均需通過專用量具及角度尺等進行檢查(如圖2所示)。

在新Ⅲ型混凝土橋枕基礎上，結(jié)合快速彈條扣件系統(tǒng)及工程特點對軌下截面進行了優(yōu)化，提出軌下高度分別為227.5 mm、215.5 mm和211 mm的三個設計方案。其中，軌下高度227.5 mm方案便于快速彈條扣件安拆，軌下承載能力也最大，但對換軌適應性較差；軌下高度211 mm方案能適應不同基本軌的更換條件，但扣件外側(cè)擋肩較高，不利于扣件安拆，且軌下承載能力最??；軌下高度215.5 mm方案能適應不同基本軌的更換條件，方便扣件安拆，軌下承載能力居中。經(jīng)綜合比選，從快速彈條扣件系統(tǒng)的安拆便利性、與基本軌的適應性、滿足護軌鋪設要求等方面確定了軌下截面設計方案(即軌下高度215.5 mm)。橋枕設計方案如圖3所示。

圖3 ⅢqFC16型枕軌下截面設計方案(單位:mm)

2.3 橋枕的設計檢算

(1)橋枕外荷載彎矩

軌枕壓力計算采用《鐵路軌道強度檢算法》[11]規(guī)范、連續(xù)彈性基礎梁模型計算。預應力混凝土橋枕上承軌部分的豎向荷載Rd按式(1)計算

Rd=γPj(1+α)(1)

式中：Pj為凈輪重(kN)，為設計靜軸重的一半。

γ為輪重分配系數(shù)，與鋼軌類型、支承剛度及軌枕間距等因素有關，也可根據(jù)軌枕實際使用條件計算確定，參照相關規(guī)范取0.48；

α為附加動載系數(shù)，與行車速度、軌道狀態(tài)等因素有關，重載鐵路取1.5。

將各參數(shù)取值代入式(1)中，可得軌枕垂直動壓力Rd為150 kN。

軌道關鍵截面主要分為軌下截面與枕中截面，針對橋枕的實際使用等情況，軌下截面與枕中截面外荷載彎矩按圖4計算。

圖4 橋枕外荷載彎矩計算

軌下截面彎矩計算公式為

(2)

枕中截面彎矩計算公式為

Mz=(8eL-8e2+3L-6e)q/16+

PL1-Rd(L-2a1)/2(3)

其中，均布荷載q=8(Rd-P)/(3L+2e)

L為軌枕長度。

L1為護軌作用點至枕中距離。

a1為基本軌作用點至枕端距離。

bq為軌下墊板寬度。

e為一股鋼軌下軌枕的全支承長度。

根據(jù)計算圖示及設計方案，枕長L=2.6 m，L1=0.183 m，a1=0.542 m，bq=0.15 m，e=1.1 m，外荷載彎矩計算結(jié)果如表1所示。

表1 橋枕外荷載彎矩值 kN·m

經(jīng)計算，與既有新Ⅲ型橋枕外彎矩一致。

(2)橋枕承載能力檢算

軌枕承載能力計算主要包括疲勞承載彎矩計算、靜載抗裂彎矩計算及破壞承載彎矩的計算等。

結(jié)合橋枕軌下截面的調(diào)整情況，軌下截面高度調(diào)整為215.5 mm，由此計算出換算截面抗彎剛度、偏心距等。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[12]計算預應力損失等，由此可得預應力產(chǎn)生的混凝土法向應力。根據(jù)《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》[13]、《混凝土軌枕靜載抗裂試驗方法》[14]等規(guī)范，參考《預應力混凝土枕設計方法》[15]及《預應力混凝土軌枕的設計計算》[16]的設計方法和實例，經(jīng)計算，可得軌枕疲勞及抗裂承載彎矩值，結(jié)合橋枕的試驗情況可得靜載檢驗荷載。橋枕承載能力檢算結(jié)果如表2所示。

表2 橋枕軌下截面承載能力

通過對橋枕的設計檢算，ⅢqFC16型枕相較于既有橋枕承載能力有所提高，滿足外荷載彎矩的要求。

3 軌枕的制造

重載鐵路由于大軸重、大運量的特點，要求軌枕能提供較高的強度、線路縱橫向阻力以及較小的養(yǎng)護維修工作量，預埋鐵座形式能更好地為線路提供橫向阻力，但是軌枕制作難度相應增大。

快速彈條扣件系統(tǒng)在我國使用相對較少，部分軌枕廠尚屬首次進行該類型軌枕的生產(chǎn)，在ⅢFC16型軌枕及ⅢqFC16型橋枕的試生產(chǎn)制造過程中碰到一些問題。

在試生產(chǎn)過程中，為了控制預埋鐵座位置精度，采取了不同的工藝措施。

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，在軌枕制造要求中增加了四周平整度的檢查。通過調(diào)研，采用預埋鐵座橡膠密封圈的工藝相對較好，但應結(jié)合生產(chǎn)過程，合理控制密封圈硬度及與軌枕面的高度關系。

此外，由于護軌承軌槽結(jié)構(gòu)存在內(nèi)側(cè)擋肩，初期設計方案中內(nèi)側(cè)擋肩部位采用了110°交角。現(xiàn)場反映，生產(chǎn)過程易存在部分脫模掉角的情況。在優(yōu)化的方案中，擋肩角度采用了不小于120°的交角，有效地防止了擋肩邊緣脫模引起的損傷，提高了產(chǎn)品成品率。

4 配套軌枕的相關使用說明

針對靖神線工程實際，對ⅢqFC16型枕的適用性進行分析。根據(jù)鐵運[2007]243號《鐵路橋梁鋪設護軌暫行規(guī)定》“護軌頂面不應高出基本軌頂面5 mm，也不應低于25 mm”及TB10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》“橋上護軌應與基本軌相匹配，宜采用不小于50 kg/m鋼軌。護軌頂面不應高出基本軌頂面5 mm，也不應低于基本軌面25 mm”的相關規(guī)定，軌枕設計時基本軌采用60 kg/m鋼軌同時兼顧預留75 kg/m鋼軌條件。采用50 kg/m護軌時，護軌高度降低24 mm，護軌頂面已低于基本軌頂面+25 mm，不能滿足相關規(guī)定的要求。故需考慮使用護軌扣件+5 mm的調(diào)高量。扣件最高只能調(diào)高5 mm。因此，生產(chǎn)過程中應加強軌枕護軌承軌面的精度控制。

配套軌枕設計時采用了Ⅲ型軌枕標準，承載能力按25 t軸重設計。針對目前我國重載鐵路的實際情況及發(fā)展，對該軌枕的使用做相關分析說明。

考慮重載鐵路行車速度相差不大，由行車速度引起軌枕受力的動態(tài)附加系數(shù)差異不大，故軌枕設計彎矩和軸重之比在一定程度上可反映軌枕設計中的安全儲備。

對此，搜集對比了國內(nèi)外軌枕的相關參數(shù)(如表3所示)[17]。

表3 各國混凝土軌枕的設計承載彎矩

對比表明，Ⅲ型軌枕在設計時留有較大安全儲備，可滿足近期靖神鐵路工程的使用。

隨著線路通過總重及軸重的逐漸增加，應及時根據(jù)車輛、線路等情況采取相應的加強措施對軌道結(jié)構(gòu)進行強化，例如可通過采用75 kg/m重型鋼軌、加密軌枕布置、增加枕下面積、更換承載能力更大的軌枕等。

隨著國內(nèi)重載軌枕技術發(fā)展進步及產(chǎn)品應用的不斷成熟，長期通過30 t軸重列車時，應更換成熟的30 t軸重軌枕產(chǎn)品。

5 結(jié)論

(1)針對快速彈條扣件系統(tǒng)配套設計的軌枕滿足設計需求，橋枕部分承載力有所提高。

(2)預埋件固定密封措施建議采用橡膠密封圈，軌枕擋肩宜盡量采用不小于120°交角，便于脫模和控制成品質(zhì)量。

(3)該項軌枕設計承載能力不低于Ⅲ型枕，滿足本工程目前使用要求，且承載能力具有較大安全系數(shù)。隨著重載線路運量和軸重的增加，應及時采取相關加強措施，保證軌道結(jié)構(gòu)強度，如加密軌枕布置、采用加強型軌枕等。