30t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究.pdf

铁道建筑
2015年第1期
Railway Engineerin
文章编号:1003-1995(2015)01-0113-06
30t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究
尤瑞林,范佳,刘伟斌,杜香网刚
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)
摘要:结合我国重载铁路的运营特点,在前期研究成果的基础上,开展了30t轴重重载铁路混凝土轨枕
的设计、试验研究工作,并按照北美铁路工程和维修协会( AREMA)的相关规定进行对比分析。研究结
果表明;新型重载轨枕能够满足30t轴重线路的承載性能要求,同Ⅲ型枕相比,轨下截面正弯矩和中间
截面负弯矩承載能力分別提高了18.5%和23.3%;新型重载轨枕能够满足国内标准及 AREMA的相关
试验要求,且具有较大安全余量,表明其达到北美重载线路用混凝土轨枕的承载水平。
关键词:30t轴重混凝土轨枕 AREMA结构设计试验研究
中图分类号:U213.3文献标识码:AD01:10.3969/j.iss.1003-1995.2015.01.25
近年来,重载铁路运输在世界范围内迅速发展,已客运专线有砟轨道岔枕的研究设计工作,是目前我国
被国际上公认为铁路货运发展的方向。重载铁路发展混凝土轨枕设计中广泛采用的行业参考方法。
过程中,增加轴重是一个重要的技术方向,世界上部分
北美铁路工程和维修协会手册是北美铁路工程和
国家在重载铁路中已开始运营30t轴重以上的重载列维修协会主编的用于指导铁路结构及部件设计、养护
车,取得了一定的经验。我国重载铁路以运营25t轴维修的行业标准(以下简称 AREMA)?。 AREMA自
重列车为主,尚缺乏30t轴重以上线路的运营经验。1905年第一版发行以来,不断更新完善,成为北美地
由于重载列车速度的提高、轴重及运量的增加,相应地区乃至全球范围内有影响力的行业标准。在 AREMA
增大了对线路的作用,使得在大轴重、高密度的运营条第30章中规定了混凝土轨枕的设计方法及相关技术
件下,轨道结构伤损增加,线路设备病害发生和发展速要求,依据该方法设计的轨枕在北美重载线路中广泛
度加快。近年来多次线路调査结果表明,我国重载线应用。
路上铺设的混凝土轨枕出现一定程度的伤损,主要形
本次开展30t轴重重载轨枕的研究设计,将结合
式包括挡肩破损、轨枕轨下及中间截面横向裂纹等
我国重载铁路的运营特点,在前期研究成果的基础上
目前,我国既有线路上大量铺设的Ⅲ型及Ⅱ型轨依据国内成熟的设计方法开展结构设计。为与北美重
枕设计轴重为25t。随着重载铁路轴重和年运量的增载铁路轨枕的性能作对比分析,在重载轨枕设计过程
加,轨枕的承载性能及疲劳寿命将有所降低。因此,从中,也将参考 AREMA的相关要求进行计算分析和试
铁路技术长期发展的角度考虑,有必要开展适用于验研究。
30t及以上轴重的重载轨枕研究设计,从而更好地满
轨枕垂直动压力
足大轴重线路的运营条件
我国自1956年研制出预应力混凝土轨枕以来,无
中国设计方法
论是铺设数量、产品系列、质量控制还是技术标准都有
我国设计方法规定轨枕垂直动压力R。按下式
长足的发展。在轨枕发展过程中不断积累经验,形成计算
了包括设计、制造、檢验、铺设及养护维修等方面的整
P(1+g
套技术体系。其中,在轨枕研究设计环节,铁科院式中:y为轮重分配系数;P。为静轮重,kN;ax为综合
在总结前期研究成果的基础上编制了《预应力混凝土动载系数。
轨枕设计方法》6(以下简称设计方法),该方法指导
对于30t轴重重载铁路,静轮重P。为150kN。
了我国Ⅲ型系列轨枕、新Ⅱ型轨枕、Ⅲ型系列桥枕以及轮重分配系数与钢轨类型、轨枕间距、车轮轴距以及钢
轨基础弹性模量或钢轨支座刚度等参数有关。根据弹
收稿日期;2014-09-20;修回日期:2014-11-25
性点支座上等截面连续长梁模型的计算结果,同时考
作者简介:尤瑞林(1986-),男,安徽宿州人,助理研究员,硕士。
虑钢轨及轨枕沿线路纵向支承状态不均匀,偏于安全,
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铁道建筑
January, 2015
按照单根轨枕失效计算出轮重分配系数为0.494。式
轨枕间距h
480510530560580610630660680710740760790
中综合动载系数Q是用以反映轮轨的不平顺状态,轨
枕的不均匀支承或失效支承等不确定工况所引起的综
尔江
合动力效应,设计中取为1.5。将以上各参数取值代
55
入式(1),得到轨枕垂直动压力为185kN。
50
1.2北美 AREMA
AREMA也规定了轮重分配系数及动载系数的取
值方法。 AREMA认为轮重分配系数虽然也受到车轮
轴距、钢轨支座刚度以及钢轨模量等因素的影响,但针
19202122232425262728293031
轨枕间距/时
对北美铁路实际特点,以上各因素影响较小,因此轮重
?]轮重分配系数的取值
分配系数仅表示为轨枕间距的函数,偏于保守规定图
1所示的取值标准1。
按照我国轨枕常用的600mm间距配置,査图得2轨枕荷载弯矩计算
到轮重分配系数为0.493。另外, AREMA规定用于2.1中国设计方法
预估车轮和钢轨不平顺动态效应的动载系数为2.0
我国轨枕设计方法对于荷载弯矩计算规定了4种
因此,按照30t轴重考虑,得到轨枕垂直动压力为不同的道床反力图式,一般情况下普通线路轨下截面
22kN。
和中间截面荷载弯矩计算图式如图2所示。
???
(a)轨下截面
(b)祝中截面
图中:为轨枕长度,m;a1为承轨槽中心至枕端距离,m;c为单股钢轨下轨枕的支承长度,m;b为枕上压力分布宽度,m
图2轨下和枕中截面荷载弯矩的计算图式
由图2中的道床反力计算图式,轨枕轨下截面正
在特殊区段,通常情况下列车运行时会采取限速
弯矩设计值M。按下式计算
等措施,列车垂向动力影响会有所降低,同时考虑垂向
(2)力和横向力的工况下,适当降低垂直动压力。本次重
载轨枕设计中,轨枕承受较大横向力(70kN)的同时,
中间截面负弯矩设计值M2按下式计算
垂直动压力取130kN。经计算,由于横向力导致中间
截面产生的负弯矩为~-9.45kN·m;同时垂直动压力
3
产生的中间截面负弯矩为-11.8kN?m,得到轨枕中
将R。=185kN及其他相关参数代入上式计算,同间截面负弯矩设计值为-21.25kN?m。
时考虑轨枕中部底面宽度小于轨下底面实际支承宽度
综合以上计算分析结果,30t轴重重载轨枕设计
的情况,将M的计算值增加约8%,M2的计算值减小时,轨下截面正弯矩设计值为22.21kN·m,中间截面
约10%,得到轨下截面正弯矩设计值为22.21kN?m,负弯矩设计值为-21.25kN?m。
中间截面负弯矩设计值为-17.44kN·m。
2.2北美 AREMA
另外,根据国外重载轨枕的使用经验及我国重载
北美 AREMA中给出长度为2.36,2.44,2.59和
线路现场调研情况,重载铁路特殊区段,如曲线地段
74m4种轨枕在不同间距条件下的轨下截面正弯矩
长大坡道及车辆制动地段,线路受到的横向力较大,导基准值(如图3所示)