重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发.pdf

铁道建筑
2016年第3期
Railway Engineering
文章编号:1003-1995(2016)03-0113-05
重载铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的研发
杜香刚2
(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081)
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(Ⅲa型轨枕)。本文首先介绍了国内外執枕的应用情况,然后对新型高稳
定性轨枕进行了设计检算,最后将其与皿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:重載铁路新型高稳定性预应力混凝土轨枕的静載抗裂强度、疲劳强度和翅膀处抗剪强度
均能满足设计要求;相比Ⅲa型轨枕,在相同道床状态下其实测道床横向阻力可提高约15%,并可适当
降低道床压应力。
关鍵词: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:U213.3'4文献标识码:ADOI:10.3969/jis.1003-1995.2016.03.28
大运量、大轴重、高密度是我国重载铁路和繁忙干头轨枕)就是一种迅速发展起来的新型轨枕。
线的显著特点。随着运量、轴重和行车密度的增加,列
1英国和比利时轨枕
车荷载对轨道结构的破坏加剧,线路设备病害发生和
英国和比利时就开发了轨下截面处带翅膀的重载
发展速度明显加快,且轨道结构及部件的劣化状态极轨枕。其共同特点是中间截面小,轨下截面大。特别
易出现恶性循环,导致维修更趋频繁。
是英国轨枕在轨下设计为小十字形,既有利于降低枕
通过对我国大秦线、朔黄线、大包线等重载铁路和中截面所承受的负弯矩和提高道床横向阻力,也不影
客货共线铁路的大量调研发现,在大运量、大轴重、高响大型机械的养护维修作业。
密度的运营条件下部分有砟轨道区段的轨枕和轨道结
美国和加拿大重载轨枕
构出现了明显的伤损病害。同时,对于繁忙干线,
北美铁路工程和维修协会( AREMA)规定:“对于
其繁重的运输任务造成了养护天窗时间极其有限,养重载铁路需要增大道床横向阻力的区段,可考虑增大
护维修工作难以有效开展。如何强化轨枕,确保线路轨枕的端部横向面积”。因此,美国和加拿大针对重
运营安全,减少养护维修工作量是当前运营部门亟待载铁路运营和维护特点,在轨枕设计时考虑了提高道
解决的问题。
床横向阻力的要求。CXT公司开发了侧面压花的轨
鉴于此,我国重载铁路轨枕设计时,有必要借鉴国枕,以减少轨枕横移。图1为美国TTCI试验环线上使
内外经验,在充分考虑我国重载铁路运营条件和养修用的重载轨枕,每根轨枕两端由两组扣件与钢轨联结。
体制?的基础上,研发新型高稳定性轨枕,满足重载这些轨枕一般为框架轨枕或两端带十字头轨枕(半框
铁路特殊区段提高道床横向阻力和降低道床压应力等架轨枕),可以提高枕端横向面积,增大道床横向阻
要求。
力。同时,通过增加枕底和道床的接触面积,降低了道
1国外新型轨枕应用情况
床压应力。
3南非重載轨枕
世界各国在解决上述问题时,设计了多种形式的
南非 INFRASET公司是一个轨枕设计和制造企
轨枕。其中,轨下截面处设计翅膀的轨枕(俗称十字业,有着50多年的应用轨枕的历史,其提供的混凝土
轨枕应用于轴重18.5~30t的各种线路。图2是该公
收稿日期:2015-01-20;修回日期:2015-03-30
同设计和生产的带翅膀的预应力混凝土轨枕,可用于
基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划项目(20150004-
般干线铁路和最大轴重为30t的重载线路。轨下截
2015004-C)
面处的翅膀用于增大道床横向阻力和降低道床压
作者简介:杜香刚(1982-),男,助理研究员,硕土。
应力。
114
铁道建筑
March. 2016
(a)单个轨枕
(b)铺设状态
图1美国重载框架轨枕
Ⅲa型轨枕目前被大量应用在大秦线、朔黄线和
大包线等重载或繁忙干线铁路上,由于以上线路运量
大、轴重大、密度高,加速了部分Ⅲ型轨枕伤损病害的
出现3。目前,Ⅲa型轨枕的主要伤损形式有轨下截
面环裂、钉孔裂纹、纵裂、枕中截面环裂等。此外,相应
的有砟轨道结构在大坡道和小半径曲线地段也出现轨
道几何变化加剧、轨道稳定性安全储备不足、局部道床
过快下沉等问题。
图2南非重载轨枕
2.2新型高稳定性轨枕的设计和稳定性分析
考虑我国重载铁路大运量、大轴重和高密度的运
2新型高稳定性轨枕的设计
营特点,特别是小半径和大坡道地段对轨枕的特殊需
要,新型高稳定性预应力混凝土轨枕研发必须同时满
2.1既有Ⅲ型轨枕的设计和应用情况分析
足重载铁路对轨枕结构强度、轨道结构稳定性、降低道
型轨枕包括Ⅲa型轨枕、皿b型轨枕和皿c型轨床压应力和既有养护维修作业制度的要求。因此,
枕,皿a型轨枕配套弹条Ⅱ型扣件或加强型弹条Ⅱ型通过对皿a型轨枕开展优化设计,在其轨下截面处设
扣件;皿b型轨枕配套弹条Ⅲ型或弹条四型扣件。a计横向宽度不大于轨底宽度的小翅膀(十字头),其他
型轨枕、Ⅱb型轨枕及其配套扣件适用的运营条件:客主要尺寸和配筋完全不变,承载能力与既有皿a型轨
车最高运营速度200km/h;货车轴重250kN,最高运枕相当。此方案由于在轨下截面设计了小翅膀,可增
营速度90km/h。mc型轨枕配套弾条V型扣件,适用大轨枕有效横向面积,从而提高道床横向阻力;同时,
于时速250km/h客运专线铁路(兼顾货运)。皿型轨由于本方案在轨下截面处轨枕两侧均设计了小翅膀,
枕的截面外形尺す和结构性能见表1,设计荷载弯矩还能够适当增加枕底道床承压面积,降低道床压应力
见表2。目前我国重载铁路大量应用的轨枕为皿a型这种在Ⅲa型轨枕基础上优化设计的高稳定性轨枕简
轨枕,按照我国轨枕设计方法对皿a型轨枕的结构检称为Ⅲ型轨枕。其外形设计见图3。
算,皿型轨枕承载能力可以满足开行25t轴重货物列
车重载铁路荷载弯矩的要求。
表1Ⅲ型轨枕截面外形尺寸和结构性能
位置高度/顶面宽度/底面宽度/预应力承载能力/抗裂强度
Inil
配筋(kN?m)(kN·m)
轨下230170
300
1067.0
19.1
28.2
枕中185206
280
23.2
表2Ⅲ型轨枕设计荷载弯矩
计算轴重/动载系数枕上动压力/荷载弯矩/(kN?m
图3Ⅲa'型轨枕的外形设计
(1+a)
轨下截面枕中截面
1)道床横向阻力计算分析
2.5
150
18.0
14.0
根据日本佐藤吉彦道床横向阻力的计算模型