地鐵用連塊式軌枕結構檢算及試制試驗研究

劉啟賓

（陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院） 陜西西安 710043）

1 概述

地鐵通常采用的軌枕型式有短軌枕和長軌枕兩種［1-2］。短軌枕具有結構輕巧、水溝設置靈活（中心水溝或側溝）、造價較低等優點，但存在施工時精調工作量大、軌道幾何形位保持不易等缺點［3-5］；長軌枕具有施工調整工作量少、道床結構整體性強等優點，但存在只能設置雙側水溝、穿孔鋼筋壓漿困難、枕下易出現孔洞等缺點［6-8］。

針對上述問題，借鑒雙塊式軌枕在高速鐵路上的成功應用經驗，國內各設計院均開始研究適用于地鐵用的雙塊式軌枕［9-10］。本院借鑒雙塊式軌枕的設計理念，設計了一種地鐵用連塊式軌枕，該軌枕保留了短軌枕結構簡單、輕巧的特點，避免了長軌枕整體道床鋼筋孔壓漿和枕下局部容易出現空洞等現象，且增強了道床混凝土與軌枕之間連接的可靠性，減小了軌枕與道床之間新舊混凝土界面出現離縫、脫層等現象的可能。

為確保地鐵用連塊式軌枕的耗損率在施工中處于較低水平，本文結合施工中軌枕可能承受的最不利受力情況對連塊式軌枕進行了結構檢算，并通過試制試驗對仿真分析結果進行了測試驗證，為連塊式軌枕在地鐵中的推廣應用提供技術支撐。

2 連塊式軌枕設計

連塊式軌枕是將兩個獨立的軌枕塊用鋼筋桁架連接起來的一種軌枕型式［11］，鋼筋桁架有2根上弦桿和1根下弦桿，2根上弦桿為直徑14 mm的鋼筋，1根下弦桿為直徑18 mm鋼筋，三根主筋通過直徑8 mm波紋筋焊連，以提高桁架鋼筋系統整體穩定性。在軌枕塊端部設置門型支撐鋼筋，便于軌枕塊的存放與軌排組裝。連塊式軌枕設計如圖1～圖3所示。

圖1 連塊式軌枕立面

圖2 連塊式軌枕平面

3 連塊式軌枕結構檢算

鋼筋桁架是連塊式軌枕在施工過程中的薄弱環節［12］，在施工過程中可能出現鋼筋變形過大導致其發生永久變形并造成連塊式軌枕失效的現象。本節根據施工過程中連塊式軌枕可能出現的最不利受力情況，采用有限元分析方法對連塊式軌枕進行了結構檢算，并對其在施工過程中的可靠性進行了評估。

圖3 連塊式軌枕側視圖

3.1 有限元模型

有限元模型按照連塊式軌枕的設計建立，上層鋼筋為2根φ14HRB400級鋼筋，下層鋼筋為1根φ18HRB400級鋼筋；桁架鋼筋采用φ8HPB235級鋼筋，桁架鋼筋與箍筋之間采用固結。鋼筋均采用空間梁單元模擬，梁單元的截面特性按照鋼筋的實際截面特性賦值。HRB400級鋼筋彈性模量取2.1×105MPa；HPB235級鋼筋的彈性模量取2.0×105MPa。鋼筋密度取 7.9×103kg／m3，泊松比取0.3。

門型支撐鋼筋及扣件預埋套筒等細部結構對連塊式軌枕的結構受力無影響，在模型中不予考慮。

根據以上參數及簡化原則，建立的連塊式軌枕有限元模型如圖4所示。

圖4 連塊式軌枕有限元模型

3.2 模擬工況及荷載

連塊式軌枕在施工期間可能出現的最不利荷載常見的有以下兩種:

（1）未按設計的起吊方式起吊。連塊式軌枕設計的起吊方式及施工期最不利的起吊方式分別如圖5～圖6所示。

圖5 連塊式軌枕設計起吊方式

圖6 連塊式軌枕施工期最不利起吊方式

此種工況下，在有限元模型中，將桁架鋼筋中間全部約束，軌枕塊施加重力荷載。

（2）軌排組裝完成后進行道床鋼筋綁扎、焊接、道床底板清理等作業時工人直接踩踏在桁架鋼筋上進行作業，其模擬效果如圖7所示。

此種工況下，在有限元模型中，將軌枕塊全約束，在桁架鋼筋中部施加1 kN（人的體重按100 kg計算）的垂向荷載，如圖8所示。

圖7 軌排組裝后工人踩踏工況

3.3 計算結果

（1）最不利起吊方式模擬結果

最不利起吊方式時有限元模擬結果如圖9～圖10所示，鋼筋最大應力見表1。

圖8 軌排組裝后工人踩踏有限元模擬

圖9 最不利起吊方式鋼筋變形模擬

圖10 最不利起吊時鋼筋桁架垂向位移

表1 最不利起吊方式時鋼筋最大應力計算表

根據以上結果可以看出:在最不利起吊時，桁架鋼筋的最大垂向位移為0.12 mm，最大應力為103 MPa，遠小于HRB400級鋼筋的屈服強度。

綜合以上分析，連塊式軌枕的鋼筋桁架在最不利起吊方式下的變形很小、應力水平很低，桁架鋼筋的變形在彈性變形范圍之內。

（2）工人踩踏在鋼筋桁架上作業模擬結果

工人踩踏在鋼筋桁架上作業時有限元模擬結果如圖11～圖12所示，鋼筋最大應力見表2。

圖11 工人踩踏在鋼筋桁架上變形模擬

圖12 工人踩踏時鋼筋桁架上的垂向位移

表2 工人踩踏在桁架鋼筋上時鋼筋最大應力計算表

根據以上結果可以看出:在軌排組裝完成后，工人踩踏在連塊式軌枕鋼筋桁架上時，鋼筋桁架的最大垂向位移為0.209 mm，最大應力為48.7 MPa，遠小于HRB400級鋼筋的屈服強度。

綜合以上分析，連塊式軌枕在軌排組裝好工人踩踏在桁架鋼筋上時的變形很小、應力水平很低，桁架鋼筋的變形在彈性變形范圍之內。

4 連塊式軌枕試制試驗研究

在連塊式軌枕結構檢算的基礎上，為進一步掌握連塊式軌枕結構生產、儲運及結構功能性能，需要進行連塊式軌枕的試制及力學性能試驗等系列工作。

連塊式軌枕模具按照設計圖紙的要求及外形尺寸偏差，采用精密加工鋼模具，具有足夠的強度、剛度和穩定性，能保證軌枕各部分的形狀、尺寸及預埋件的位置準確，模具的制造允許公差為連塊式軌枕成品允許公差的1／2。

連塊式軌枕材料包括水泥、粗骨料、細骨料、減水劑、水、HRB400鋼筋、HPB300鋼筋、預埋套管等，其中水泥、粗骨料、細骨料、減水劑、水等材料性能指標應滿足《鐵路混凝土》（TB／T 3275-2011）中的相關規定，鋼筋的性能指標應滿足GB／T 1499中的相關規定，預埋套管應滿足彈條Ⅲ型分開式扣件技術標準要求。連塊式軌枕試制效果如圖13所示。

圖13 連塊式軌枕試制試樣

連塊式軌枕制造完成后，對其進行試驗測試。主要試驗項目有:支撐塊正截面靜載抗裂強度性能、最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變試驗、鋼筋桁架承載性能試驗。

4.1 支撐塊正截面靜載抗裂強度性能

為確保支撐塊服役期靜載抗裂特性的可靠性，對軌枕塊靜載抗裂強度進行測試（試件共3組）。靜載抗裂強度檢驗值取75 kN，采用分級加載的方式逐步增加荷載（荷載P≤80 kN，每級5 kN；荷載P＞80 kN，每級2.5 kN），每級持荷 3 min，用放大鏡觀察軌枕截面中部裂縫開展情況。當加載至1.1倍的檢驗荷載（82.5 kN）時，如支撐塊不壓潰且枕底裂縫寬度不大于0.5 mm，則其靜載抗裂性能滿足設計要求。加載試驗見圖14，測試結果見表3。

圖14 支撐塊正截面靜載抗裂強度性能加載試驗

表3 支撐塊正截面靜載抗裂強度性能測試結果

從試驗結果可知，軌枕塊在檢驗荷載作用下，支撐塊未出現壓潰或開裂情況，說明地鐵用連塊式軌枕靜載抗裂性能滿足設計要求，且具有一定的安全富余量。

4.2 最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變試驗

為測定連塊式軌枕鋼筋桁架在最不利起吊狀態的變形特性，進行連塊式軌枕在最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變試驗。試驗將連塊式軌枕中部持續懸吊3 h，每隔1 h量測每個測點的垂向位移變化情況，如圖15所示。

圖15 最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變試驗

表4 最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變試驗結果

由表4可以看出:在吊裝3 h后軌枕垂向位移最大變化量為0.10 mm，與仿真模擬結果相當，表明連塊式軌枕在最不利起吊狀態時鋼筋桁架形變可以滿足軌排吊裝、搬運等實際需求。

4.3 鋼筋桁架承載性能試驗

為驗證連塊式軌枕鋼筋桁架的承載能力，確保軌排組裝后連塊式軌枕在工人踩踏下結構變形在線彈性范圍內，進行連塊式軌枕鋼筋桁架承載性能試驗。鋼筋桁架位移使用百分表測量（精度 0.01 mm），如圖16所示。

試驗共進行3組，采用千斤頂先施加1 kN的力，持荷3 min讀取百分表數值，試驗結果見表5。

圖16 鋼筋桁架承載性能試驗

表5 模擬工人踩踏情況下鋼筋桁架變形值

由表5可知:鋼筋桁架在最不利荷載作用下，垂向最大位移為0.2 mm，與仿真模擬結果相當，表明鋼筋桁架應力在彈性范圍內，工人踩踏不會對連塊式軌枕的軌距、軌底坡及超高等參數造成影響。

5 結論

本文基于有限元分析方法及室內試制試驗，結合連塊式軌枕在施工時可能出現的常見最不利荷載工況，對地鐵用連塊式軌枕結構進行了檢算與測試分析，得出的主要結論如下:

（1）連塊式軌枕在最不利起吊狀態及軌排組裝后工人踩踏在鋼筋桁架上時的變形很小、應力水平較低，桁架鋼筋的變形及應力均處于線彈性范圍。

（2）連塊式軌枕設計可以滿足施工需求，在施工的過程中耗損率能夠保持較低水平，可以在地鐵中推廣使用。