我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07001905我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望康庆涛1 尤瑞林21.中国国家铁路集团有限公司 工电部，北京 100844；2.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 摘要 预应力混凝土轨枕技术的发展是铁路轨道技术进步的重要环节。本文详细梳理总结了我国预应力混凝土轨枕技术的发展历史和现状，并基于总结成果和现场运营经验，提出了轨枕未来技术发展的建议。结果表明，我国预应力混凝土轨枕现场总体使用情况良好，能够满足运营条件的要求。目前，我国轨枕总体水平较高，但在以下方向仍需深入研究：设计技术方面，需要与制造相结合，并与轨道结构整体设计相结合协同研究；制造技术方面，需要从长模流水机组法的改进优化和短模流水机组法的研发两个方向整体提升，同时不断提高生产制造过程中的自动化和信息化，加强生产过程中的监督控制。本文研究成果可为我国预应力混凝土轨枕行业技术进一步发展提供参考。关键词 预应力混凝土轨枕；设计技术；制造技术；技术总结；未来展望中图分类号 U213.3+4 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.04引用格式：康庆涛，尤瑞林.我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望 J.铁道建筑，2023，63（7）：1923.铁路运输是旅客和货物运输的重要方式，具有运量大、速度快、能耗低等特点。近年来，我国铁路从追赶到领跑，总体技术水平迈入世界先进行列。截至2022年9月，我国铁路营业里程已达到15.3万公里，其中高速铁路营业里程超过4.0万公里，路网规模居世界前列，取得了举世瞩目的成就。轨道是铁路系统中重要的基础设施，分为有砟和无砟两种主要结构类型1-2。在有砟轨道结构中，预应力混凝土轨枕是其中重要的部件3，主要功能包括传递列车荷载和保持轨道几何尺寸稳定两大方面4-5。我国预应力混凝土轨枕具有悠久的发展历史，目前铁路线路中有型、型、型和型系列化产品6-9。我国铁路线路中预应力混凝土轨枕的总体使用效果优异，表现出了良好的可靠性、稳定性和耐久性10-11。随着铁路技术的发展，轨枕行业在生产工艺、过程控制、质量检验等方面还需要不断改进。此外，轨枕在运用过程中出现了一些伤损问题，其中以纵裂伤损最为突出。对于轨枕纵裂伤损，除了微观材料方面的因素以外，轨枕自身的结构设计及生产制造技术也是重要影响因素12。因此，当前我国铁路预应力混凝土轨枕技术有必要进一步发展提升。本文从设计和制造两个角度，梳理总结我国预应力混凝土轨枕技术发展的历史和现状，对存在的问题提出相关建议，为轨枕行业的技术进步提供参考。1 回顾历史 1.1设计技术历史我国从20世纪50年代开始预应力混凝土轨枕技术研究13，1956年研制出第一种预应力混凝土轨枕，此后预应力混凝土轨枕开始在我国逐步推广使用。我国预应力混凝土轨枕的研究与发展大致可划分为五个阶段6。各个阶段大致的时间段及对应的主要轨枕情况见表1。典型轨枕结构如图1所示。我国早期的轨枕和型轨枕没有专门的设计方法，仅从预应力混凝土构件的角度，借鉴当时建筑结构规范开展设计。20世纪80年代，姚明初研究团队引入可靠度的理念，开展了型轨枕的设计14。20世纪90年代，林之珉等结合容许应力法和极限状态法两种设计理念，编制了混凝土轨枕专用的设计方法，并基于此方法完成了型轨枕的结构设计15-16。该设计标准指导了我国此后系列轨枕产品的结构设计。收稿日期：20221208；修回日期：20230220基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（J2021G001）；中国铁道科学研究院集团有限公司基金（2020YJ031）第一作者：康庆涛（1983），男，高级工程师，硕士。E-mail：通信作者：尤瑞林（1986），男，副研究员，硕士。E-mail：铁道建筑第 63 卷1.2制造技术历史1958年，我国研制成功首条长模流水机组法预应力混凝土轨枕生产线，并在丰台桥梁厂建成投产。这条轨枕生产线的建成，标志着我国已由木枕跨入混凝土轨枕时代。自我国轨枕生产线研制成功后，制造技术的升级发展主要有以下四个节点17。1）20世纪60年代丰台桥梁厂首次改造升级1958年10月，丰台厂第一条轨枕生产线投产后，在运行中发现了一些问题。经过研究，对生产线进行了如下改进：轨枕车间由一跨双线布置改为一跨单线布置；振动台设备由双轴双电机拖动改为双轴单机拖动；调整生产流程，均衡生产节奏。2）20世纪70年代太原轨枕厂传送工艺使用1970年初，太原轨枕厂首次将传送法工艺设备投入轨枕生产线中。该工艺改造完成后，轨枕生产线的生产效率大大提升。3）20世纪80年代坦赞铁路轨枕厂环形封闭式流水线建成坦赞铁路轨枕的设计和生产，是我国铁路轨枕技术成套首次“走出去”。当时在轨枕生产工艺上进行了有效的技术革新，不仅采用了太原厂成熟的传送法提速设备，而且首次采用环形封闭式流水线式工位布置，让轨枕生产技术再登新的台阶。4）20世纪90年代岔枕生产兼容改造结合提速轨枕和提速岔枕共线生产的要求，我国铁路轨枕企业在研究院和设计院的指导配合下，将轨枕生产线进行功能扩展，可兼容不同型号岔枕的生产制造。我国预应力混凝土轨枕生产技术不断更新进步，保证了铁路大规模建设时使用轨枕的需求。目前，我国轨枕产业的发展规模和生产能力均居世界前列，下一步的发展主要集中在质量精细化控制和自动化水平提高方面。2 总结现状 2.1设计技术现状2016年，结合我国铁路设计规范转轨工作的开展（由容许应力法转向极限状态法），预应力混凝土轨枕设计方法也完全转为极限状态法。相关成果18已经纳入了中国国家铁路集团有限公司发布的Q/CR 91302018 铁路轨道设计规范（极限状态法）。几乎与国内设计规范转轨在同一时期，国际标准化组织ISO中的铁路委员会（TC269）下属基础设施分委会（S1）成立了混凝土轨枕工作组（WG06）19。我国铁路轨枕科技工作者参加了该工作组，并通过与国外同行的讨论研究，系统分析了我国铁路轨枕技术标准与EN、JIS、AREMA及AS等国外标准的异同。混凝土轨枕工作组经过长达6年的多轮次研究讨论20，编制形成了铁路混凝土轨枕 ISO 系列标准，并于 2022 年发布。ISO 22480系列预应力混凝土轨枕国际标准已纳入我国预应力混凝土轨枕设计、制造及检验的研究成果。该国际标准的编制和发布，不仅为我国混凝土轨枕产品“走出去”奠定基础，也标志着我国轨枕的总体技术已经与国际同行业接轨。在现场的应用层面，当前我国预应力混凝土轨枕设计选型主要依据TB 100822017 铁路轨道设计规范。依据不同运营条件，混凝土轨枕的设计选型见表2。目前，根据不同的运营条件，我国预应力混凝土轨枕已经完成了系列化产品的设计，并在工程中大量使用，整体技术水平较为先进，但在设计与制造结合以及与轨道结构协同设计方面仍有提升空间。表1我国预应力混凝土轨枕技术发展概况阶段早期探索型轨枕型轨枕型轨枕型轨枕时间19561965年19661980年19812003年19902007年2011年至今主要轨枕类型弦15B型、弦15B改型、弦61A型、弦61型、弦65B型筋69及筋79型（J1型）、弦69及弦79型（S1型）筋 81型（J2型）、弦 81型（S2型）、YC、YD、YE、YF型、TKG型、新型a型、b型、c型a型、b型备注已不再生产已不再生产除新型外，其余已不再生产我国目前主型轨枕适用于重载铁路图1典型轨枕结构20第 7 期康庆涛等：我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望2.2制造技术现状目前我国预应力混凝土轨枕生产制造一直沿用的是长模流水机组法，其主要工艺流程见图2。该生产工艺具有投入小、产量大和通用性强的优点，但存在钢丝张拉不均、模型刚度不足、人工成本高等缺点20。近年来，运营线路中部分区段陆续出现轨枕伤损的情况，相关部门抽查轨枕质量时也发现了轨枕生产制造方面的不足，主要有以下两个方面。1）强度离散性大以我国目前用量最大的a型轨枕为例，尽管其自身设计强度有保证，但在质量抽查中仍存在部分产品静载抗裂强度、疲劳强度检验不合格的情况。出现这种情况的主要原因有模具变形、张拉不均匀、应力损失过大等因素，而这些缺点均与生产工艺相关。2）结构耐久性不足我国部分线路在运营几年后，现场发现轨枕伤损的情况。根据初步分析，导致伤损的主要原因，除了原材料性能不良外，还与养护温度、养护时间、脱模后的二次养护等生产工艺控制相关，这也反映出轨枕在生产制造方面还有进一步提升的空间。此外，我国轨枕生产中的自动化程度低、用工量大、作业环境差、安全及环保压力大等问题，也是轨枕行业面临的突出问题。3 展望未来 3.1设计技术展望基于我国预应力混凝土轨枕前期的研究和运营经验，结合目前轨枕行业存在的主要问题，建议我国轨枕设计技术在以下三方面进一步开展深入研究。1）轨枕的设计与制造相结合预应力混凝土轨枕类型较多，从施加预应力的时间，可以分为先张法和后张法；从预应力传递的方式，可以分为自锚固和锚固板锚固；从施加预应力的方式可以分为单根张拉和整体张拉。目前，我国预应力混凝土轨枕主要采用自锚固、整体张拉、先张法预应力混凝土轨枕的结构形式。未来轨枕技术进步，必然离不开设计与制造相结合，如为了便于自动化制造，在满足设计强度的前提下，轨枕的锚固方式、箍筋的布置、混凝土的性能参数等设计指标都要与生产工艺配套研究。只有设计与制造综合考虑，才能最大程度提高轨枕的总体技术水平。2）轨枕设计与轨道结构整体设计相结合未来轨枕技术领域的研究工作，将逐步从单一的部件研究设计转向基于轨道整体结构全生命周期成本的研究。一个优秀的轨枕设计方案，不再仅仅通过其自身的安全性、可靠性和耐久性来评判，而是要结合轨枕上部的扣件、钢轨以及轨枕下部的道床、路基的运营情况统一考虑，要能够实现轨道整体结构全寿命周期成本最优。表2我国预应力混凝土轨枕设计选型线路高速铁路城际铁路客货共线铁路重载铁路级级运营条件年通过总质量/Mt 2010 20 250101 25040 100列车轴重/t 17 17 17 17 25 25 25 2525 303027、253027、25客车设计速度/(kmh-1)250200160120200160120120货车设计速度/(kmh-1)120 120 80 80 100 100 100 100 100混凝土轨枕类型型型型型型型型或新型型或新型重载型轨枕图2长模流水机组法工艺流程21铁道建筑第 63 卷近年来国内外混凝土弹性轨枕技术的发展，是轨枕与轨道结构整体设计相结合的范例。弹性轨枕是由预应力混凝土轨枕底部粘贴弹性垫板制作而成。该设计方案综合考虑了整体结构的全寿命周期，可以大幅减缓道床的振动冲击，延长线路养护维修周期，体现出先进的轨枕设计理念。3）新型轨枕的研发设计从我国预应力混凝土轨枕的发展历程可以看出，硫磺锚固材料的研发、预应力钢丝技术的提高都对轨枕技术的发展提供了巨大推动作用。可以预见，未来随着其他新材料的研发和应用，混凝土轨枕的技术还将不断进步。新型的复合材料、地聚物材料、超高性能混凝土材料轨枕、智慧轨枕等新材料和新功能轨枕也将是轨枕研发设计技术的方向。3.2制造技术展望根据我国目前轨枕生产制造面临的挑战，针对轨枕制造技术提出以下发展建议。1）总体生产工艺技术提升目前我国轨枕生产中采用的长模流水机组法仍存在一定的不足，因此，未来我国预应力混凝土轨枕制造技术可从长模流水机组法的改进优化和短模流水机组法的研发两个方向入手，将制造与设计技术相结合，整体提升发展。长模流水机组法生产工艺主要是在设备自动化升级改造、产品质量波动控制等方面进行改进优化。短模流水机组法虽然目前在我国并未推广使用，但在自动化、智能化的工艺接口方面相对长模流水机组法具有先天优势。因此，针对我国通用的轨枕类型，开展短模流水机组法制造的设备和工艺研究，对未来轨枕制造技术更大程度地提升具有重要意义。2）生产过程中监督控制的加强目前我国轨枕生产过程质量控制，主要靠人工自觉为主，尤其在张拉、振捣、养护等关键生产环节，一旦工人操作不当，极易造成轨枕出现质量缺陷。同时，这些过程却又缺乏可靠、有效的监督。因此，未来轨枕生产制造技术除了要在自动化方面提升、减少人工干预以外，还要在信息化和智能化方面有所突破，真正实现轨枕生产全过程信息自动采集记录和产品参数可追踪溯源，这样才能够从根本上保证轨枕的制造质量。4 结论 本文梳理和总结了我国预应力混凝土轨枕技术发展的历史和现状，并基于研究成果和轨枕设计、制造运营中积累的经验，对我国轨枕未来的技术发展提出了展望。主要研究结论如下。1）预应力混凝土轨枕是有砟轨道结构中重要的部件，我国预应力混凝土轨枕设计和制造技术一直不断发展提高，保证了铁路大规模建设中铺设轨枕的需求。2）我国预应力混凝土轨枕现场总体使用情况良好，能够满足运营条件的要求，近年来参与轨枕 ISO国际标准的研究制定，也表明了我国轨枕总体技术水平居于国际前列。3）在技术总体水平较高的情况下，我国轨枕在设计和制造技术方面仍有提高发展的空间，主要包括：轨枕的设计与制造相结合，轨枕设计与轨道结构整体设计相结合；制造技术要从长模流水机组法的改进优化和短模流水机组法的研发两个方向研究发展，同时不断提升生产制造过程中的自动化和信息化水平，加强生产质量的监督控制。参考文献1 尤瑞林，范佳，刘伟斌.国内外预应力混凝土轨枕强度检验标准对比研究 J.铁道标准设计，2019，63（5）：183-188.2 尤瑞林，许良善，吉克，等.弹性轨枕对重载铁路有砟轨道结构受力及变形特征的影响 J.铁道建筑，2021，61（6）：103-106.3 YOU R L，KAEWUNRUEN S.Evaluation of Remaining Fatigue Life of Concrete Sleeper Based on Field Loading ConditionsJ.Engineering Failure Analysis，2019，105：70-86.4 YOU R L，LI D，NGAMKHANONG C，et al.Fatigue Life Assessment Method for Prestressed Concrete SleepersJ.Frontiers in Built Environment，2017，3（68）：1-13.5 YOU R L，GOTO K，NGAMKHANONG C，et al.Nonlinear Finite Element Analysis for Structural Capacity of Railway Prestressed Concrete Sleepers with Rail Seat AbrasionJ.Engineering Failure Analysis，2019，95：47-65.6 尤瑞林，范佳，宁迎智.我国铁路有砟轨道预应力混凝土轨枕的研究与发展综述 J.铁道标准设计，2020，64（7）：1-6.7 洪瑚.论重载、强化、系列、配套地发展我国预应力混凝土轨枕 J.铁道标准设计，1994，38（1）：25-30.8 汪加蔚，白玲.我国预应力混凝土枕产品类型综述 J.混凝土世界，2013（4）：18-28.9 尤瑞林，范佳，刘伟斌，等.30 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究 J.铁道建筑，2015，55（1）：113-118.10 林向晖，黄文达.铁路预应力混凝土轨枕的损伤诊断研究C/中国铁道学会，世界轨道交通发展研究会.第十五届粤、京、港、沪铁道学会学术年会第八届世界轨道交通发展研究会年会论文集.北京：中国铁道学会，2011：38-46.22第 7 期康庆涛等：我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望11 汪加蔚，白玲.预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性 J.混凝土与水泥制品，2000（2）：27-31.12 岳渠德，张巧玲.预应力混凝土枕螺栓孔区纵向裂纹计算分析 J.青岛建筑工程学院学报，2004（4）：12-15.13 卢祖文.我国铁路混凝土轨枕的现状和发展 J.中国铁路，2006（6）：8-11.14 姚明初.混凝土轨枕设计和制造 M.北京：人民铁道出版社，1979.15 林之珉，范佳.TK-型轨枕的技术经济特性 J.铁道标准设计，1994，38（1）：23-24.16 林之珉，王继军.TK-型枕设计问题 J.铁道标准设计，1994，38（11）：18-20.17 朱瑞.预应力混凝土工业技术及其现代化 M.北京：中国铁道出版社，2002.18 蒋函珂.铁路轨道极限状态法试设计检算 J.工程技术（文摘版）建筑，2017（2）：311-312.19 宁娜.中国铁路轨道技术标准与国际标准化组织基础设施领域标准对比研究 J.铁道建筑，2021，61（5）：83-88.20 尤瑞林.国内外预应力混凝土轨枕生产工艺分析 J.铁道建筑，2021，61（10）：104-108.Summary and Prospect of Development of Prestressed Concrete Sleeper Technology in ChinaKANG Qingtao1，YOU Ruilin21.Department of Track，Communication&Signaling and Power Supply，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，ChinaAbstract The development of prestressed concrete sleeper technology is an important link in the technical progress of railway track.This article provided a detailed summary of the development history and current situation of prestressed concrete sleeper technology in China，and based on the summarized results and on-site operation experience，proposed suggestions for the future development of sleeper technology.The results indicate that the overall use of prestressed concrete sleepers on site in China is good and can meet the requirements of operating conditions.At present，the overall level of sleepers in China is relatively high，but in-depth research is still needed in the following areas.In terms of design technology，it needs to be combined with manufacturing and collaborative research with the overall design of track structures.In terms of manufacturing technology，it is necessary to improve from the two directions of improvement and optimization of the long mold flow unit method and research and development of the short mold flow unit method，while the automation and informatization should be continuously improved in the production process，and the supervisory control should be strengthened in the production process.The research results of this article can provide reference for the further development of technology in China s prestressed concrete sleeper industry.Key words prestressed concrete sleeper；design technique；manufacturing technique；technical summary；future prospectCitation format：KANG Qingtao，YOU Ruilin.Summary and Prospect of Development of Prestressed Concrete Sleeper Technology in China J.Railway Engineering，2023，63（7）：1923.（编辑：苗蕾 校对：郑冰）23