重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发.pdf

2 0 1 6年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 l 3 文章 编号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 ． O 1 1 3 ． 0 5 重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发 杜 香 刚 ( 1 ． 中国铁 道科 学研究 院 铁道建筑研究所 ， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ． 高速铁路轨道技术 国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 考虑我国重载铁路大运量、 大轴重和 高密度的运营特点 ， 特别是小半径和 大坡道地段对轨枕稳 定 性的特殊需要 ， 兼顾我 国养护维修体制 ， 在 Ⅲa型轨枕 的轨下截 面处设计 了翅膀 ， 研发 了重载铁路 新型 高稳定性预应力混凝土轨枕 ( I I I a 型轨枕 ) 。本文首先介绍了国内外轨枕 的应用情况 ， 然后对新型 高稳 定性轨枕进行 了设计检算， 最后将其与 H I a型轨枕的强度、 横向阻力等性能进行 了对比性室 内和现场试 验 。结果表明 ： 重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的静载抗裂强度、 疲劳强度和翅膀处抗剪强度 均能 满足设 计要 求 ； 相 比I U a型轨 枕 ， 在 相 同道床 状 态下其 实测 道床 横 向 阻力 可提 高约 1 5 ％ ， 并 可适 当 降低 道床压 应 力。 关键 词 ： 重载铁路有 砟轨 道预 应 力 混凝 土轨枕 高稳 定性 中 图分类号 ： U 2 1 3 ． 3 4文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 2 8 大 运量 、 大轴 重 、 高密度 是我 国重 载铁路 和繁 忙干 线的显著特点。随着运量 、 轴重和行车密度的增加， 列 车荷载对轨道结构的破坏加 剧， 线路设备病害发生和 发展速 度 明显加 快 ， 且轨 道 结 构 及部 件 的劣 化 状态 极 易出现恶性循环 ， 导致维修更趋频繁。 通过对我国大秦线 、 朔黄线 、 大包线等重载铁路和 客货共线铁路的大量调研发现， 在大运量 、 大轴重 、 高 密度的运营条件下部分有砟轨道区段的轨枕和轨道结 构 出现 了 明显 的伤 损 病 害⋯ 。同 时 ， 对 于 繁 忙 干 线 ， 其繁重的运输任务造成 了养护天窗时间极其有 限， 养 护维修工作难以有效开展 。如何强化轨枕 ， 确保线路 运营安全 ， 减少养护维修工作量是 当前运营部门亟待 解决 的问题 。 鉴于此 ， 我国重载铁路轨枕设计时， 有必要借鉴国 内外 经验 ， 在充分 考 虑我 国重 载 铁路 运 营 条 件 和 养修 体制 的基 础 上 ， 研 发 新 型高 稳 定 性 轨 枕 ， 满 足 重 载 铁路特殊区段提高道床横向阻力和降低道床压应力等 要求 。 1 国外新型轨枕应用情况 世界各国在解决上述问题时， 设计 了多种形式的 轨枕 。其 中， 轨下截 面处设计翅 膀的轨枕 ( 俗称十字 收稿 日期： 2 0 1 5 一 O 1 - 2 0 ； 修 回15 t 期 ： 2 0 1 5 - 0 3 - 3 0 基金项 目： 中 国铁 路 总 公 司 科 技 研 究 开 发 计 划 项 目 ( 2 0 1 5 G 0 0 4 - A 2 0 1 5 G 0 0 4 一 C) 作者简介 ： 杜香 刚( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 助理研究员 ， 硕士。 头轨枕) 就是一种迅速发展起来的新型轨枕。 1 ． 1英 国和 比利 时轨枕 英 国和 比利 时就开 发 了轨下 截 面处带 翅 膀 的重载 轨枕 。其共同特点是 中间截面小 ， 轨下截面大。特别 是英 国轨枕在轨下设计为小十字形 ， 既有利 于降低枕 中截面所承受的负弯矩和提高道床横 向阻力 ， 也不影 响大型机械的养护维修作业 。 1 ． 2美 国和加 拿大 重载 轨枕 北美铁路工程和维修协会 ( A R E M A) 规定 ： “ 对 于 重载铁路需要增大道床横 向阻力的区段 ， 可考虑增 大 轨枕 的端部横 向面积 。因此 ， 美 国和加拿 大针对重 载铁路运营和维护特点 ， 在轨枕设计 时考虑了提高道 床横 向阻力 的要 求。C X T公 司开发 了侧 面压 花的轨 枕 ， 以减少轨枕横移。图 1为美国 T T C I 试验环线上使 用 的重 载轨枕 ， 每 根轨 枕两 端 由两组 扣件 与 钢轨联 结 。 这些 轨 枕一般 为 框架 轨 枕 或 两端 带 十 字 头 轨枕 ( 半 框 架轨枕 ) ， 可 以提高枕 端横 向面积 ， 增 大道床 横 向阻 力。同时， 通过增加枕底和道床的接触面积 ， 降低 了道 床压 应 力 。 1 ． 3 南 非重 载轨 枕 南 非 I N F R A S E T公 司 是 一 个 轨 枕 设 计 和 制 造 企 业 ， 有着 5 0多年的应用轨枕 的历史 ， 其提供 的混凝土 轨枕应用于轴重 1 8 ． 5～ 3 0 t 的各种线路。图2是该公 司设计和生产的带翅膀 的预应力混凝土轨枕， 可用于 一 般干线铁路和最大轴重为 3 0 t 的重载线路。轨下截 面处的翅 膀用 于 增 大道 床横 向阻力 和 降低 道 床 压 应 力。 2 0 1 6年第 3 期 杜香刚 ： 重载铁路新 型高稳定 性预应力混凝土轨枕 的研发 1 1 7 过养修作业 ， 与l l I a 型轨枕处的道床横 向阻力缺乏可 比性 。不过 ， 调研大秦线 的实测道床横 向阻力数 据发 现 ： 在通过总重 7～1 0亿 t的 3个铺设 I U a型轨枕 区 段 ， 实测道床横向阻力平均值约为 1 2 ． 0 k N ／ 枕 。可 见 ： 与 Ⅲa型轨枕相比， Ⅲa 型轨枕可明显提高道床横 向阻力 ， 有利于提高轨道结构的稳定性。 4 结论 1 ) 国外 经验表 明： 通过在 轨下截 面处设计 翅膀 ( 十字头 ) 可以进一步加强轨枕的结构强度 ， 提高道床 横向阻力 ， 并可适当降低道床压应力。 2 ) 设 计 检 算 表 明 ： 铺 设 I lI a 型 轨 枕 处 比铺 设 Ⅲa 型轨枕处道床横 向阻力提高 了 3 5 ． 7 ％。但 由于 十字 头并不位于轨枕端部边缘而位于轨下截 面处 ， 轨枕端 部边缘 和十字头边缘 的连线会 形成椎体形 状 ， 产生 “ 犁头效应” ， 实测道床横 向阻力值会 比计算值 要小 ； 铺设 l l I a 型轨枕处比铺设 Ⅲa型轨枕处道床压应力降 低 了 4 ． 0 ％ 。 3 ) 室 内试 验结果 表 明 ： I I I a 型 轨 枕 的 静 载抗 裂 强 度 、 疲劳强度和翅膀处抗剪强度均能满足设计要求 ； 铺 设 Ⅲa 型轨枕处 比铺设 I l l a型轨枕处道床横 向阻力提 高了约 1 5 ％ ， 并且道床捣固越密实效果越好。 4 ) 现场试 验结果 表 明 ： 运 营一段 时 间后 ， 新 设 计 的 Ⅲa 型轨枕处道床横 向阻力平均值可达 1 6 ． 2 k N ／ 枕 ， 比同期铺 设 的 Ⅲa型 轨 枕 处 道 床 横 向 阻 力 有 较 大 提 高 ， 可满足重载铁路对道床横向阻力的要求。 5 ) 与 Ⅲa型轨枕相 比， Ⅲa 型轨枕可明显提 高道 床横 向阻力 ， 并适 当降低道床压应 力。Ⅲa 型轨枕特 别适合在重载铁路小半径和大坡道地段铺设使用 ， 并 且在道床性能要求相 同的情况下， 铺设 I I I a 型轨枕可 适当减少道砟用量 ， 降低建设成本。 参 考 文 献 [ 1 ] 中国铁道科学研究 院． 3 0 t 轴 重重 载铁路 有砟 轨道关 键 技 术研究 [ R] ． 北京 ： 中国铁道科学研究 院， 2 0 1 3 ． [ 2 ] 中华人民共和 国铁 道部 ． 铁 运 [ 2 0 0 6 ] 1 4 6号 铁路 线路 维 修规则 [ s ] ． 北 京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 中国铁道科学研究 院． 重载铁路 新 型预应力 混凝土 轨枕 的 研 究 [ R] ． 北京 ： 中国铁道科学研究院 ， 2 0 1 4 ． [ 4 ] 佐 藤吉彦 ， 梅原利 之． 绿路工学 [ M] ． 束京 ： 西桉 印刷 株式会 社 ， 1 9 8 6 ． [ 5 ] 中华人民共和 国铁道部． T B ／ T 1 8 7 9 --2 0 0 2 预应 力混凝 土 枕静载抗裂试验方法 [ s ] ． 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 中华人 民共和国铁道部． T B ／ T 1 8 7 8 --2 0 0 2 预应力 混凝 土 枕疲劳试验方法 [ S ] ． 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 7 ] 中国铁 道科学研究 院． 大秦线 既有线路 提高 轨枕阻 力技术 措 施研究 [ R] ． 北京 ： 中国铁道科学研究 院， 2 0 1 1 ． Re s e a r c h a n d De v e l o p me n t o f Ne w- t y p e Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e S l e e p e r wi t h Hi g h S t a b i l i t y f o r He a v y Ha u l Ra i l wa y DU Xi a n g g a n g ， ( 1 ． Ra i l w a y E n g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch i n a Ac a d e my o f Ra i l wa y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r T r a c k T e c h n o l o g y o f Hi g h — S p e e d R a i l wa y， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t： W i t h c on s i de r a ti o n o f the c ha r a c t e r i s t i c s o f l a r g e t r a ffi c v o l u m e， he a vy a xl e l o a d a nd hi g h de ns i t y o f h e a vy h a u l r a il wa y i n Ch i n a， I U s l e e p e r ， t h e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s l e e p e r wi th wi n g s a t r a il s e a t wa s d e s i g n e d ． Th i s t y p e o f p r e s tre s s e d c o nc r e t e s l e e p e r i s us e d i n s h a r p c ur ve a nd l o n g s l o pe t o me e t t he s pe c i al r e q ui r e me n t of th e r a il wa y tra c k ’ S s t a b i l i ty ， a n d c o n f i r m t o the c u r r e n t ma i n t e n a n c e s y s t e m． I n thi s p a p e r ， d o me s ti c a n d a b r o a d s l e e p e r s we r e intro d u c e d， a n d o f the n e w h ilg h s t a b il i ty s l e e p e r wa s c a l c u l a t e d ． F ina l l y， t h e l a b o r a t o r y a n d f i e l d t e s t s o f s t r e n g t h an d l a t e r a l r e s i s t a nc e we r e c o nd uc t e d． The t e s t r e s ul t s s ho we d tha t c r a c k ing r e s i s t a n c e und e r s t a ti c l oa ding， f a t i g ue， a nd s h e a r c a p a c i t y a t wing s we r e s a ti s f i e d ． Co mp a r e d t o the Ⅲ a s l e e p e r ． the l a t e r a l r e s i s t a n c e o f the I l l a s l e e p e r wa s inc r e a s e d by 1 5％ ， a n d th e b a l l a s t s t r e s s wa s de c r e a s e d． Ke y wo r d s ： He a v y h a u l r a il wa y； Ba l l a s t e d tr a c k； P r e s tre s s e d； Co n c r e t e s l e e p e r ； Hi g h s t a b il i ty ( 责任 审 编 葛全红 )