國內外預應力混凝土軌枕強度檢驗標準對比研究

尤瑞林,范 佳,劉偉斌

(中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

1 概述

隨著人類社會的不斷進步和發展，貨物運輸和人們出行的需求不斷增加，鐵路作為一種便捷、大容量、綠色節能的一種運輸方式也正經歷著快速發展的時期。軌道結構是鐵路系統中重要的組成部分，良好的軌道結構是鐵路運營安全可靠、舒適高效的重要保證。軌道結構從大的方面可分為有砟軌道和無砟軌道兩種類型，其中無砟軌道主要用于高速鐵路和其他類型鐵路的特殊區段(如長大隧道內)[1-6]。從運營里程來看，有砟軌道仍然是鐵路線路的主要軌道結構形式[7]。

有砟軌道結構組成如圖1所示，可以看出，軌道結構中包括鋼軌、扣件、軌枕以及有砟道床。

圖1 有砟軌道結構組成

軌枕是軌道結構的關鍵部件，主要功能包括兩部分，一是承受著來自鋼軌的各向荷載，并將荷載向下部道床傳遞；二是有效保持線路的軌距、軌向等幾何形態。軌枕按其材質分為木枕、混凝土枕、鋼枕和復合材料軌枕等[8]，其中混凝土軌枕是目前用量最大的一種軌枕類型?；炷琳淼奶攸c是自重大、剛度大、保持軌道幾何能力強，有利于提高軌道的平順性和穩定性，且混凝土枕耐久性好、使用壽命長。目前，世界鐵路網中，每年約需5億根混凝土軌枕，除北美仍普遍采用木枕外，混凝土是很多國家軌枕生產制造的首選材料。

目前，世界上鐵路發展水平較高的國家和地區均制定了各自混凝土軌枕的標準。隨著全球化的發展，為實現世界范圍內鐵路的互聯互通，國際標準化組織(ISO)正在推進鐵路行業國際標準的編制工作，混凝土軌枕的國際標準也正在進行研究制訂工作。在此背景下，積極開展中國混凝土軌枕標準與國外標準對比研究，將有利于推動中國鐵路標準與國際標準接軌，為中國鐵路技術在國際標準編制工作中爭取更大的話語權。

2 世界典型國家和地區混凝土軌枕標準體系

2.1 中國標準

中國鐵路標準中軌枕分為鐵路行業標準、企業標準等不同級別，目前以鐵路行業標準為主。我國現行有砟軌道混凝土軌枕標準如表1所示[9-16]。

表1 我國有砟軌道混凝土軌枕標準

2.2 歐洲標準

歐洲標準由歐洲標準化委員會(CEN)發布，在歐洲33個成員國內執行，一般包含英語、法語和德語三個官方語言版本[17-18]。

歐洲標準中有關鐵路專業的相關標準由CEN TC256負責編制，鐵路用混凝土軌枕的標準制訂也在其職責范圍內。歐洲鐵路混凝土軌枕標準體系與我國不同，所有的軌枕統一采用EN 13230(《鐵路應用—軌道—混凝土軌枕和岔枕》)系列標準，而EN 13230系列標準按照一般要求及不同類型軌枕的特殊要求劃分為5個部分，具體情況如表2所示。

表2 歐洲鐵路混凝土軌枕標準

歐洲正在編制EN 13230系列標準的第6部分：設計方法，目前，該部分并未正式發布實施。

2.3 北美標準

北美地區混凝土軌枕執行北美鐵路工程和維修協會手冊(AREMA)第30章 第4部分《混凝土軌枕》[19]。AREMA是由北美鐵路工程和維修協會發布，其內容不定期更新。AREMA混凝土軌枕標準的章節中主要包含：整體式預應力混凝土軌枕、雙塊式軌枕、混凝土岔枕以及混凝土軌枕用扣件系統的相關技術要求。

AREMA混凝土軌枕標準涵蓋內容較廣泛，它將各種軌枕型式的要求均納入一個標準，而且將扣件系統的技術要求也納入到軌枕的標準內，但AREMA標準中對于軌枕的尺寸公差要求以及生產工藝的要求規定較少。

2.4 日本標準

日本鐵路混凝土軌枕標準按照預應力施加的方式，分別執行兩個混凝土軌枕的國家標準(日本工業標準，JIS[20,21])：對于先張法預應力混凝土軌枕執行JIS E 1201《預應力混凝土軌枕—先張法》；對于后張法預應力混凝土軌枕執行JIS E 1202《預應力混凝土軌枕—后張法》。日本的這兩個標準主要針對整體式軌枕，不包括雙塊式軌枕和岔枕。上述兩個標準中規定了原材料(如混凝土、鋼筋)、軌枕形式尺寸及測試檢驗方法等內容。

3 混凝土軌枕強度檢驗項目及支承圖式

混凝土軌枕強度是考查其性能的重要檢驗項目，對軌枕強度的檢驗主要包括靜載、動載和疲勞，檢驗的位置包括軌下截面和枕中截面。國內外不同的混凝土軌枕標準中對軌枕強度檢驗項目要求有所不同，詳細的總結對比如表3所示。

表3 國內外混凝土軌枕強度檢驗項目

注：表中標識“√”為標準中規定檢驗項目；表中的檢驗項目具體的開展條件在不同標準中有具體的規定。

由表3中的總結對比可以看出，不同國家和地區混凝土軌枕標準中規定的強度檢驗項目有所不同，其中歐洲標準中規定檢驗項目較多，其規定的動載試驗在其他標準中均未要求。日本混凝土軌枕標準中規定的強度檢驗項目最少，僅針對軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩進行靜載試驗。

3.1 中國標準

中國標準中規定的軌枕強度試驗方法相對簡便，根據標準給定的支承條件，按照不同類型軌枕設計指定的檢驗荷載值，直接緩慢加載即可，無繁瑣的加載程序。圖2為軌下截面正彎矩試驗的支承圖式(靜載和疲勞試驗的支承圖式相同)，圖3為枕中截面負彎矩試驗的支承圖式(靜載和疲勞試驗的支承圖式相同)[9-10]。

圖2 軌下截面正彎矩檢驗支承圖式(單位：mm)

圖3 中間截面負彎矩檢驗支承圖式(單位：mm)

3.2 歐洲標準

歐洲EN 13230標準中規定了軌枕靜載、動載和疲勞強度的試驗方法，試驗過程中軌枕的支承方式由檢驗截面受力特征決定。以常見的2.6 m長度的預應力混凝土軌枕為例，歐洲標準中規定的軌下截面正彎矩、枕中截面負彎矩及枕中截面負彎矩的支承方式如圖4～圖6所示[18]。另外，標準中軌下截面的疲勞檢驗支承圖式與其軌下截面正彎矩靜載檢驗的支承圖式相同。

圖4 軌下截面正彎矩檢驗支承圖式[18](單位：mm)

圖5 中間截面負彎矩檢驗支承圖式[18](單位：mm)

圖6 中間截面正彎矩檢驗支承圖式[18](單位：mm)

歐洲混凝土軌枕強度檢驗過程中，基于上述支承圖式，采用逐級加載的方式，檢驗軌枕的強度，不僅記錄開裂荷載，還記錄殘余裂紋寬度0.05 mm、殘余裂紋寬度0.5 mm及極限破壞對應的荷載值，因此加載程序較為復雜。

3.3 北美標準

AREMA標準規定的軌枕強度加載方法與我國軌枕標準方法相似，均直接加載檢驗，但兩者的支承圖式有所不同，而且AREMA靜載試驗除了要求對軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩檢驗以外，比我國標準中增加要求對軌下截面負彎矩和枕中截面正彎矩的檢驗要求[19]。其中軌下截面正彎矩及負彎矩檢驗支承圖式分別如圖7和圖8所示。另外，對于枕中截面負彎矩及正彎矩檢驗的支承圖式與歐洲標準類似，軌下截面的疲勞檢驗支承圖式與其軌下截面正彎矩靜載檢驗的支承圖式相同。

圖7 軌下截面正彎矩檢驗支承圖式[19](單位：mm)

圖8 軌下截面負彎矩檢驗支承圖式[19](單位：mm)

3.4 日本標準

日本軌枕強度試驗的方法和檢驗荷載彎矩類別與我國標準類似，試驗過程中直接加載至標準規定的荷載值進行檢驗，而且僅檢驗軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩，日本軌枕標準相對于中國標準，試驗時的支承間距有所不同，圖9和圖10分別為軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩檢驗的支承圖式[20-21]。

圖9 軌下截面正彎矩檢驗支承圖式[20-21](單位：mm)

圖10 枕中截面負彎矩檢驗支承圖式[20-21](單位：mm)

4 檢驗荷載的計算方法

在混凝土軌枕強度檢驗過程中，除了確定檢驗項目和支承圖式外，對于檢驗荷載的計算是另一項重要內容。目前，國內外混凝土軌枕標準強度檢驗荷載的確定可以分為基于軌枕設計承載能力檢驗和基于現場承載要求檢驗兩種思路。

基于軌枕設計承載能力檢驗的思路是：根據現場的實際運營條件和相關計算參數完成軌枕設計后，基于軌枕的外形尺寸設計、預應力鋼筋配置、材料特性，可計算得到軌枕關鍵截面的設計承載能力，由此確定檢驗荷載值來對制造廠家生產出軌枕的質量進行檢驗和判定。目前，中國和日本標準中對混凝土軌枕強度檢驗采用這個思路。

基于現場承載要求檢驗的思路是：根據現場運營車輛的軸重、速度及軌道配置等參數，利用相關計算模型和假定參數，計算得到滿足運營安全、可靠所需要的軌枕承載強度，由此確定檢驗荷載值來對制造廠家生產出軌枕的質量進行檢驗和判定。目前，歐洲和北美地區軌枕標準中對混凝土軌枕強度檢驗采用這個思路。

4.1 中國標準

我國混凝土軌枕強度的檢驗荷載基本是依據混凝土結構設計規范的相關規定，對定型后不同類型軌枕按照預應力混凝土梁的受力模式計算得出檢驗荷載值。計算過程中考慮不同類型軌枕的截面參數、原材料力學特征以及預應力損失等因素，靜載抗裂強度計算時考慮混凝土部分抗拉強度值，而疲勞強度計算考慮疲勞后控制殘余裂紋寬度。目前我國常見預應力混凝土軌枕的強度檢驗荷載值見表4。

表4 中國常用預應力混凝土軌枕強度檢驗荷載值

4.2 歐洲標準

歐洲混凝土軌枕標準中檢驗荷載的確定與現場的運營情況直接相關，標準中規定枕上動壓Rd按下式計算

Rd=P0(1+kp×kv)×kd×kr

(1)

式中P0——靜輪重，kN，為設計軸重的1/2；

kv——考慮正常使用狀態由于軌道結構以及車輛不平順引起的動態荷載增量，推薦列車速度V<60 km/h時取0.25，V>200 km/h時取0.75，中間速度對應的系數由線性插值換算得到；

kp——考慮扣件系統的彈性對枕上動壓力沖擊衰減的系數，配套低衰減扣件時取1.0，配套中等衰減扣件時取0.89，配套高衰減扣件時取0.78；

kd——普通線路中列車輪載在軌枕間的分配系數，常見的軌道結構配置推薦取0.5；

kr——由于支承的缺陷導致軌枕在道床內支承反力變化的影響系數，推薦取1.35。

以上是歐洲鐵路用于計算混凝土軌枕的基本動壓力的相關規定。除此之外，歐洲標準中還通過附加沖擊系數的方式，確定軌枕異常荷載以及意外事故沖擊導致的荷載，利用這兩個附加沖擊系數計算得到的彎矩值作為軌枕強度檢驗的指標。

4.3 北美標準

北美標準中規定鐵路軌枕的強度檢驗荷載值也是基于現場運營所需的承載能力得到，AREMA標準中給出了動載系數、輪重分配系數的取值方法及軌下截面正彎矩的檢驗基準值。對于軌枕所受的動荷載，考慮車輪和鋼軌不平順動態效應，附加動載系數為2.0，即動載系數為3.0。對于輪重分配系數，AREMA將輪重分配系數表示為軌枕間距的函數，并給出推薦取值。對于軌下截面正彎矩基準值，AREMA在標準中規定長度為2.36，2.44，2.59 m和2.74 m四種軌枕在不同間距條件下的取值如圖11所示[19]。設計人員根據軌枕的長度以及軌枕間距查圖得到軌下截面彎矩的基準值，然后考慮速度和年運量的影響，乘以安全系數后可得到軌下截面正彎矩檢驗值。對于不同長度軌枕其他位置強度的檢驗值，采用表5中規定的關系式計算得到。另外，對于軌下正彎矩疲勞荷載，AREMA規定疲勞檢驗荷載值為靜載檢驗值的1.1倍。

圖11 軌下截面正彎矩基準值[19]

軌枕長度/m軌下截面正彎矩軌下截面負彎矩枕中截面負彎矩枕中截面正彎矩2.36M0.72M1.13M0.61M2.44M0.64M0.92M0.56M2.59M0.53M0.67M0.47M2.74M0.46M0.57M0.40M

4.4 日本標準

日本混凝土軌枕標準中規定的強度檢驗荷載值的確定方法與我國標準相似，其總體思路是對定型后不同類型軌枕按照預應力混凝土梁的受力模式計算得出檢驗荷載值。在強度檢驗過程中，日本混凝土軌枕標準規定常見預應力混凝土軌枕軌下截面和中間截面靜載檢驗的開裂荷載和破壞荷載如表6所示[20-21]。

5 結論

通過以上對世界典型國家和地區混凝土軌枕標準的對比分析，得出以下結論。

(1)各國軌枕標準體系劃分有所不同，中國軌枕標準除了將軌枕的試驗方法單獨編制標準外，再按照軌枕適用運營速度、軌枕類型等來具體劃分；歐洲的EN標準是按照一般要求和具體不同類型軌枕具體要求來編制系列標準；北美的AREMA標準涵蓋內容較廣泛，它將整體式預應力混凝土軌枕、雙塊式軌枕、混凝土岔枕的要求均納入一個標準中，而且將扣件系統的技術要求也納入到軌枕的標準內；日本軌枕的標準是按照預應力混凝土軌枕的生產工藝，將混凝土軌枕劃分為先張法和后張法兩個標準體系。

表6 日本混凝土軌枕標準規定的檢驗荷載值[20-21]

(2)不同國家和地區混凝土軌枕標準中規定的強度檢驗項目有所不同，其中歐洲標準中規定檢驗項目較多，其規定的動載試驗在其他標準中均未要求。日本混凝土軌枕標準中規定的強度檢驗項目最少，僅針對軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩進行靜載試驗。

(3)國內外混凝土軌枕標準強度檢驗荷載的確定可以分為基于軌枕設計承載能力檢驗和基于現場承載要求檢驗兩種思路：中國和日本標準中對混凝土軌枕強度檢驗是基于軌枕設計承載能力檢驗的思路；歐洲和北美地區軌枕標準中對混凝土軌枕強度檢驗是基于現場承載要求檢驗的思路。

綜上所述，由于各國的實際情況有所差異，因此，目前各國軌枕標準體系和檢驗方法的特點不同，在編制ISO標準過程中，從國際標準的高度通用性和概括性來考慮，可以借鑒目前EN標準體系來開展工作，但標準的具體內容仍需要詳細討論研究，使其能夠涵蓋各國的實際情況。通過國內外標準的對比分析，可以看出目前我國鐵路混凝土軌枕標準對于各型產品檢驗要求規定比較詳細具體，但在標準的系統性和概括性方面仍存在不足，不利于向國外推廣。隨著全球化的推進，鐵路的互聯互通是未來的發展趨勢，因此在鐵路技術的發展過程中，我國鐵路軌枕從業者還需要從軌枕設計方法、原材料耐久性指標控制、生產制造工藝、產品檢驗和現場維修等各個方面與國外標準進行詳細對比分析，積極參與國際標準的制訂研究，為我國鐵路混凝土軌枕走出去提供技術支撐。