龐玲， 宋佳寧， 井國慶

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；3. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

1 概述

有砟軌道結(jié)構(gòu)中，軌枕是重要的組成部件。軌枕主要功能為：固定和保持軌距，承受并傳遞壓力，保持軌道的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)軌枕材料主要有木材、鋼材和混凝土性能存在一定的缺陷，并且生產(chǎn)使用中或報(bào)廢后存在一些環(huán)境污染問題。因此，需要研究開發(fā)能更好代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌枕的新材料軌枕。隨著材料科學(xué)不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以玻璃纖維、聚氨酯、橡塑、橡膠、樹脂等復(fù)合材料為原料制成的軌枕。相比于傳統(tǒng)軌枕，復(fù)合軌枕的總體特性如下［1］：（1）用途范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于普速鐵路、重載鐵路、市郊鐵路及城市軌道交通等；（2）設(shè)計(jì)和應(yīng)用靈活，結(jié)構(gòu)形式多樣；（3）對(duì)道釘抗拔力較高，不易發(fā)生開裂，方便扣件設(shè)計(jì)和安裝；（4）同木枕一樣，可開槽、切槽、打孔、修補(bǔ)，為木枕最佳替代品；（5）質(zhì)量較混凝土軌枕輕，運(yùn)輸、施工方便，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活加工；（6）絕緣性好、耐高低溫，適用于潮濕、風(fēng)沙等惡劣復(fù)雜環(huán)境，且不受白蟻、霉菌等生物侵蝕；（7）彈性好，降低道床應(yīng)力，可減振降噪；（8）耐用性好和可維修性強(qiáng)，全壽命成本低；（9）材料可循環(huán)利用，綠色環(huán)保，環(huán)境友好。

然而限于材料、生產(chǎn)工藝水平等，復(fù)合軌枕也存在許多亟待解決問題。對(duì)復(fù)合軌枕面臨的主要問題進(jìn)行分析，并對(duì)解決方法進(jìn)行探討，為復(fù)合軌枕產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 存在問題

2.1 性能指標(biāo)不足

復(fù)合軌枕研發(fā)的初衷是為研究木枕替代品，滿足木枕代替材料需求。雖然市場(chǎng)需求旺盛，但復(fù)合軌枕仍未大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是：復(fù)合軌枕性能某些方面表現(xiàn)并不理想。美國鐵路工程和維修協(xié)會(huì)手冊(cè)（AREMA）［2］對(duì)復(fù)合軌枕制定了最低性能，并認(rèn)為若復(fù)合軌枕能達(dá)到這些指標(biāo)，則其在服役過程中發(fā)生破壞的概率較小。然而，在施工過程中，某些施工工藝可能對(duì)復(fù)合軌枕造成破壞。有報(bào)道稱，當(dāng)用復(fù)合軌枕替換木枕后，很難保證軌道安全性，因?yàn)樵谑┕r(shí)，特別是在后期承受較大的列車荷載時(shí)，復(fù)合軌枕有可能發(fā)生斷裂［3］。也有報(bào)告稱，一些復(fù)合軌枕經(jīng)過幾年的使用，發(fā)生了破壞［4］。某復(fù)合軌枕生產(chǎn)廠商也曾因?yàn)橘|(zhì)量控制問題而被客戶拒絕使用。

2.2 長期蠕變

對(duì)于低纖維含量復(fù)合軌枕，長期荷載的作用對(duì)其機(jī)械性能有顯著影響，因此這類軌枕的長期性能是關(guān)鍵問題。據(jù)報(bào)道，在長期荷載作用下，復(fù)合軌枕可能因蠕變而產(chǎn)生永久變形，其變形程度取決于列車荷載的大小、持續(xù)時(shí)間以及溫度的變化情況［3，5］。由于蠕變和隨后的應(yīng)力松弛影響，扣件系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生松動(dòng)，尤其在曲線地段，對(duì)軌距保持有不利影響［5］。相比于木枕，復(fù)合軌枕的軌距保持能力較差，我國在《中國鐵路總公司運(yùn)輸局關(guān)于印發(fā)〈TieTek復(fù)合材料軌枕技術(shù)審核會(huì)審查意見〉的通知》中明確提出：對(duì)復(fù)合軌枕進(jìn)行長期使用狀態(tài)觀測(cè)，密切注意其軌道幾何狀態(tài)的變化。雖然軌枕制造商對(duì)復(fù)合軌枕的預(yù)期壽命為50年，但上述蠕變和應(yīng)力松弛的影響均會(huì)造成其壽命折減。然而，目前關(guān)于高纖維含量復(fù)合軌枕蠕變的數(shù)據(jù)資料較為匱乏，因此需進(jìn)行更多的研究以探究在永久載荷下的力學(xué)性能。

2.3 橫向阻力低

道床對(duì)軌枕的橫向阻力在軌道的橫向穩(wěn)定性中起著至關(guān)重要的作用，軌道橫向穩(wěn)定性也就是軌枕抵抗垂直于鋼軌方向位移的能力。當(dāng)有列車通過或當(dāng)溫度變化引起鋼軌膨脹時(shí)，軌枕會(huì)受到橫向作用力，尤其在曲線段作用力更為明顯；而軌枕和道床之間的摩擦力與道床砟肩阻力不足以抵抗橫向作用力時(shí)，整個(gè)軌道系統(tǒng)失穩(wěn)。復(fù)合軌枕質(zhì)量較輕，道床橫向阻力不足是其面臨的一個(gè)重要問題。美國運(yùn)輸技術(shù)中心（TTCI）分別對(duì)新鋪設(shè)的和服役一段時(shí)間后的復(fù)合軌枕及木枕進(jìn)行了橫向阻力試驗(yàn)，結(jié)果表明：新鋪設(shè)的復(fù)合軌枕和木枕道床橫向阻力比較接近，復(fù)合軌枕道床橫向阻力為4.45 kN，但承擔(dān)一定的貨運(yùn)荷載（133 億～180 億t）后，木枕道床橫向阻力有明顯提高（11.1～13.3 kN），而復(fù)合軌枕沒有明顯變化。這是由于經(jīng)過一定的貨運(yùn)量后，道砟嵌入到木枕中，增加了道床阻力，而復(fù)合軌枕硬度大，道砟和光滑的軌枕表面無法較好咬合。玻纖增強(qiáng)聚氨酯（FFU）合成軌枕在廣州地鐵4 號(hào)線使用之初，也出現(xiàn)了道床阻力較小，在道床條件不好的地段軌道穩(wěn)定性不足的問題。

2.4 價(jià)格高昂

對(duì)于大多數(shù)復(fù)合軌枕來說，高昂的價(jià)格是其無法得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一?；厥占夹g(shù)國際公司（RTI）表示，每生產(chǎn)1根復(fù)合軌枕的成本在85～105美元，而在不包括安裝費(fèi)用情況下，每根復(fù)合軌枕售價(jià)在70～200美元不等［6］。Van Erp 和Mckay指出高纖維含量復(fù)合軌枕價(jià)格大約為標(biāo)準(zhǔn)木枕價(jià)格的5～10 倍［7］。然而，復(fù)合軌枕全壽命成本有望到達(dá)甚至優(yōu)于傳統(tǒng)軌枕。

2.5 遇火燃燒

鐵路施工時(shí)對(duì)鋼軌相鄰接頭進(jìn)行鋁熱焊易引燃軌枕，而軌枕燃燒會(huì)釋放有毒物質(zhì)。因此鐵路軌枕應(yīng)具有足夠的耐火性，且燃燒時(shí)有毒物質(zhì)的殘留不應(yīng)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。通常木枕是可燃的，而一些復(fù)合軌枕是易燃的，一些不支持燃燒，這主要是由其原料配方?jīng)Q定的（如TieTek 復(fù)合軌枕易燃性較高）。雖然有報(bào)道稱FFU 合成軌枕具有耐火性［8］，但對(duì)其他類型復(fù)合軌枕耐火性能的研究較為匱乏。

3 解決方法

3.1 材料優(yōu)化

復(fù)合軌枕的材料一般由基體材料、增強(qiáng)材料和填充材料組成?；w的主要作用是將增強(qiáng)材料粘合為一個(gè)整體并使其位置固定，均勻傳遞荷載。常用的基體材料有樹脂、無機(jī)非金屬、金屬等。樹脂基復(fù)合軌枕是目前發(fā)展最好、最為常見的復(fù)合軌枕。增強(qiáng)材料作為主要受力組分，決定著復(fù)合軌枕整體的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等主要力學(xué)特性。復(fù)合軌枕中增強(qiáng)材料的選擇十分多樣，如玻璃纖維、木質(zhì)剩余物、碳纖維、玄武巖纖維等，其中玻璃纖維使用效果最好、應(yīng)用最多。填充材料在復(fù)合軌枕中的主要作用是降低基體的成本。在很多情況下，填充材料兼具增強(qiáng)作用，因此填充材料和增強(qiáng)材料難以嚴(yán)格區(qū)分。復(fù)合軌枕的填充材料種類繁多，有銅、鐵、鋁、錫等金屬單質(zhì)，有二氧化硫、氧化鎂等氧化物或含此類成分的礦物，有硫酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽等鹽類，還有煤粉、木屑、動(dòng)物角質(zhì)等有機(jī)物。

復(fù)合軌枕材料中的每個(gè)單一組分都對(duì)復(fù)合軌枕整體性能有著重要影響。而有別于傳統(tǒng)的單一材料，復(fù)合材料的一個(gè)重要特征是材料的可設(shè)計(jì)性，不同組分、不同配比的復(fù)合材料軌枕性能有很大的差別。因此，可根據(jù)組分和配比的優(yōu)化設(shè)計(jì)來保證原組分材料除保持其固有的良好特性外，還能揚(yáng)長避短，產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，使復(fù)合軌枕整體產(chǎn)生新的優(yōu)異性能，最大限度發(fā)揮復(fù)合軌枕優(yōu)勢(shì)。Bayer 等［9］選用HDPE 與LDPE 為基體樹脂，石膏為填充物制成復(fù)合軌枕，對(duì)材料配比進(jìn)行了研究。肖生苓等［10］對(duì)復(fù)合軌枕材料組分特性及對(duì)整體性能影響進(jìn)行了研究分析。

綜上，復(fù)合軌枕材料的優(yōu)化研究是解決復(fù)合軌枕性能缺陷的重要手段。此外，通過對(duì)材料組分及配比的研究，在保證復(fù)合軌枕性能指標(biāo)良好的同時(shí)，可追求更高的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高纖維含量的復(fù)合軌枕造價(jià)比標(biāo)準(zhǔn)木枕高出5～10倍，是阻礙其在鐵路行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。優(yōu)化復(fù)合軌枕結(jié)構(gòu)尺寸，避免材料浪費(fèi)，是降低復(fù)合軌枕成本的有效手段。Awad 等［11］提出基于材料試驗(yàn)、有限元分析、設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等手段的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，該方法有助于在最佳成本內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)性能。Yasmeen 等［12］利用有限元法對(duì)比研究了“Y”形復(fù)合軌枕和混凝軌枕的強(qiáng)度及剛度。結(jié)果表明，采用“Y”形復(fù)合軌枕比混凝土軌枕更為有效。

在軌枕的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，復(fù)合軌枕的應(yīng)力分布可以作為指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的指標(biāo)。由于車輪荷載在鋼軌-軌枕接觸面處通常以45°角向軌枕傳遞，所以該區(qū)域是軌枕強(qiáng)度設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，而軌枕的其他部分則不需要相同強(qiáng)度。由于在復(fù)合軌枕生產(chǎn)成本中材料成本占比較大，通過減小特定區(qū)域軌枕截面高度進(jìn)行軌枕的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于壓縮成本。Ferdous 等［13］基于有限元分析對(duì)復(fù)合軌枕進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后外形見圖1。研究結(jié)果表明：優(yōu)化后復(fù)合軌枕體積比原長條形軌枕減少近1/3，優(yōu)化后復(fù)合軌枕在低剛度地基和高剛度地基有砟道床上的性能表現(xiàn)均與木枕相似，并且優(yōu)化后復(fù)合軌枕的豎向撓曲、彎曲應(yīng)力以及軌枕-道砟接觸力均低于軌枕的允許極限。

圖1 復(fù)合軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后外形［13］

復(fù)合軌枕的應(yīng)力分布不僅可指導(dǎo)軌枕結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，同樣可指導(dǎo)其內(nèi)部纖維的優(yōu)化布置。利用有限元模擬或用直觀的方法確定高應(yīng)力水平位置，在該部位增加纖維的用量，而在應(yīng)力水平較低的部位減少纖維用量或不使用纖維。纖維在復(fù)合軌枕中的有效分布，不僅可滿足復(fù)合軌枕強(qiáng)度及適用性要求，還可降低成本。

對(duì)復(fù)合軌枕材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（如層套式結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等）也是提高復(fù)合軌枕整體性能的重要方法，如在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用夾層結(jié)構(gòu)使其具有較高的抗彎剛度。澳大利亞南昆士蘭大學(xué)對(duì)膠合纖維夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合軌枕展開了研究，測(cè)試其抗彎剛度及抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明：采用夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料軌枕可以滿足軌枕的性能要求［14］。

復(fù)合軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化同時(shí)也是提高復(fù)合軌枕道床橫向阻力的重要方法?？蓞⒖蓟炷淋壵硪延醒芯?，對(duì)復(fù)合軌枕特定部位進(jìn)行加寬處理或進(jìn)行某些異形設(shè)計(jì)可增大復(fù)合軌枕橫向阻力。AREMA 建議在復(fù)合軌枕底部和兩側(cè)設(shè)置表面紋理，并指出基于包括TTCI 在內(nèi)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的橫向阻力試驗(yàn)表明，沒有表面紋理的復(fù)合軌枕道床橫向阻力最高僅為8.9 kN，而有表面紋理的復(fù)合軌枕道床橫向阻力可達(dá)17.8 kN或更高［2］。

3.3 完善標(biāo)準(zhǔn)

目前，盡管AREMA［2］、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E1203—2007［15］以及中國標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 399—2012［16］中均對(duì)其材料的性能及設(shè)計(jì)作出了一些規(guī)定，但是世界范圍內(nèi)針對(duì)復(fù)合軌枕仍缺乏詳細(xì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于復(fù)合材料各向異性等特點(diǎn)，并要考慮軌枕形狀和尺寸，設(shè)計(jì)難度較大。目前，大部分復(fù)合軌枕的設(shè)計(jì)者依靠于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)，再開展試驗(yàn)分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法。因此，需要深入研究復(fù)合軌枕設(shè)計(jì)方法，開展一系列理論分析、室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作來確定相關(guān)控制參數(shù)，制定不同運(yùn)營條件下復(fù)合軌枕規(guī)范。

4 結(jié)論

復(fù)合軌枕作為一種新型軌枕，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但也存在一系列問題和挑戰(zhàn)，限制其廣泛應(yīng)用。對(duì)復(fù)合軌枕目前面臨的主要問題進(jìn)行梳理，并從材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方面探討解決方法。

復(fù)合軌枕的技術(shù)發(fā)展和推廣運(yùn)用可從材料、配比及結(jié)構(gòu)等源頭上提出行之有效的方法。首先，選用性能優(yōu)的原組分材料并優(yōu)化不同材料的復(fù)合配比，使其材料復(fù)合效應(yīng)到達(dá)最優(yōu)化，從而提高復(fù)合軌枕性能；其次，通過有限元法研究分析軌枕的受力特性和應(yīng)力分布，有針對(duì)性地對(duì)復(fù)合軌枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少軌枕的復(fù)合材料用量和提高道床橫向阻力，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低；最后，通過不同材料、不同配比和不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合軌枕進(jìn)行試驗(yàn)研究和對(duì)比分析，選出性能優(yōu)、結(jié)構(gòu)好的復(fù)合軌枕，并對(duì)其設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，以提高復(fù)合軌枕質(zhì)量的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。