國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝分析

尤瑞林

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

軌枕的作用是承受鋼軌傳遞下來(lái)的各向荷載并向下分散至下部基礎(chǔ)，同時(shí)有效保持軌道的軌距、軌向等幾何形態(tài)［1-2］。軌枕有多種分類方法，按外形可以分為整體式軌枕、雙塊式軌枕、梯子形軌枕、Y 形軌枕等；按材質(zhì)可以分為木枕、混凝土枕、鋼枕、復(fù)合材料軌枕等［3-4］；按支承鋼軌的方式可以分為橫向軌枕、縱向軌枕、短軌枕等［5］；按使用特征可以分為普通軌枕、橋枕、岔枕、伸縮調(diào)節(jié)器枕等［6］。

國(guó)內(nèi)有砟軌道主要采用整體式預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度大、穩(wěn)定性高、耐久性好［7］。目前世界鐵路網(wǎng)每年約需5億根混凝土軌枕。除北美地區(qū)由于自身資源條件原因仍普遍采用木枕外，混凝土已成為世界上絕大多數(shù)軌枕生產(chǎn)制造的首選材料［8-9］。

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝有多種分類方法。按施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)間和方式可以分為先張法和后張法，按生產(chǎn)工序的實(shí)施方式可以分為長(zhǎng)線臺(tái)座法和流水機(jī)組法，按預(yù)應(yīng)力的錨固傳遞方式可以分為預(yù)應(yīng)力鋼絲自錨固和錨固板錨固，按軌枕脫模的時(shí)機(jī)可以分為養(yǎng)護(hù)后脫模和即時(shí)脫模。國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕主要采用長(zhǎng)模流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝［10-11］，這種生產(chǎn)工藝方法簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，但存在用工量大、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)環(huán)境較差、軌枕質(zhì)量穩(wěn)定性不高等不足。

本文對(duì)常用的長(zhǎng)線臺(tái)座法、長(zhǎng)模流水機(jī)組法、先張短模流水機(jī)組法、后張短模流水機(jī)組法以及即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法的工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)以及生產(chǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比分析，為預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝的發(fā)展提供參考。

1 長(zhǎng)線臺(tái)座法

長(zhǎng)線臺(tái)座法指在混凝土臺(tái)座上用先張法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)工藝［12］。混凝土臺(tái)座用來(lái)臨時(shí)固定預(yù)應(yīng)力鋼絲并在其上完成構(gòu)件生產(chǎn)全過(guò)程。混凝土臺(tái)座長(zhǎng)度一般不小于50 m，常用的是100 ～120 m，國(guó)外也有長(zhǎng)達(dá)200 m的臺(tái)座。

長(zhǎng)線臺(tái)座法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力鋼絲的張拉通常采取單根張拉或整體加單根部分張拉的方式，張拉后的預(yù)應(yīng)力鋼絲一般先錨固在臺(tái)座兩端的橫梁上，待混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后再將預(yù)應(yīng)力傳遞至混凝土軌枕內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土通過(guò)兩者之間黏結(jié)握裹力來(lái)傳遞預(yù)應(yīng)力。

北美地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)主要采用長(zhǎng)線臺(tái)座法，中國(guó)及歐洲的部分預(yù)應(yīng)力混凝土岔枕也采用該生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)車間如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)線臺(tái)座法生產(chǎn)車間

1.1 工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

工藝流程（圖2）：模型就位→安裝預(yù)埋件→預(yù)應(yīng)力鋼絲入模→預(yù)應(yīng)力鋼絲張拉→混凝土攪拌及灌注→混凝土振動(dòng)密實(shí)→軌枕養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力鋼絲放張→鋼絲切割→軌枕脫模。

圖2 長(zhǎng)線臺(tái)座法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）生產(chǎn)過(guò)程中模型固定，不需要大型動(dòng)力設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程能耗相對(duì)較低；

2）生產(chǎn)臺(tái)位固定，工藝流程簡(jiǎn)單，需要的人工量較小，通常一條生產(chǎn)線需要約20個(gè)工人；

3）由于模型內(nèi)鋼絲的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，單根鋼絲在端部張拉盒中產(chǎn)生的鋼絲損耗料相對(duì)較小，利于節(jié)省材料成本；

4）混凝土振動(dòng)密實(shí)過(guò)程中一般采用插入式振動(dòng)棒和附著式振動(dòng)設(shè)備，振動(dòng)噪聲相對(duì)不高；

5）生產(chǎn)設(shè)備成本不高且移動(dòng)性好，生產(chǎn)線的投入成本相對(duì)較低；

6）由于軌枕與模型一起在臺(tái)座上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，模型無(wú)法周轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。根據(jù)模型的長(zhǎng)度及臺(tái)位的多少，軌枕的每班日生產(chǎn)量為500 ～800根。

1.2 生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

1）由于張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固在臺(tái)座兩端的橫梁上，因此橫梁須具備足夠的剛度，以免造成鋼絲張拉后的預(yù)應(yīng)力損失。

2）由于模型中預(yù)應(yīng)力鋼絲較長(zhǎng)，模具內(nèi)分隔板設(shè)計(jì)要合理，以免造成鋼絲張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失。

3）由于預(yù)應(yīng)力鋼絲長(zhǎng)度較長(zhǎng)且在臺(tái)座上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，蒸養(yǎng)過(guò)程中溫度的變化會(huì)引起鋼絲變形從而導(dǎo)致鋼絲的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力有所差異。因此在放張過(guò)程中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的情況，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試找到適宜的放張溫度，確保鋼絲的預(yù)應(yīng)力值滿足設(shè)計(jì)要求。

2 長(zhǎng)模流水機(jī)組法

流水機(jī)組法又稱機(jī)組流水法，是指完成各工序的工人和機(jī)組在工位上固定而制品隨同模型沿工藝流水線移動(dòng)的生產(chǎn)工藝。根據(jù)軌枕模型的長(zhǎng)短可分為：①短模流水機(jī)組法，模型長(zhǎng)度為單根軌枕長(zhǎng)度，如2×1（軌枕寬度方向根數(shù)×軌枕長(zhǎng)度方向根數(shù)）模型、4× 1模型、5×1 模型等；②長(zhǎng)模流水機(jī)組法，模型長(zhǎng)度為2根及以上軌枕長(zhǎng)度，如2×4模型、2×5模型等。

長(zhǎng)模流水機(jī)組法通常采用先張法整體張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲，并將預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固至具有一定框架剛度的模型上，待混凝土養(yǎng)護(hù)至足夠強(qiáng)度以后再將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。由于每排模型的軌枕不止一個(gè)，生產(chǎn)中不便于安裝錨固板，預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土只能通過(guò)兩者之間的黏結(jié)握裹力來(lái)傳遞預(yù)應(yīng)力。

中國(guó)、東南亞國(guó)家、俄羅斯等主要采用長(zhǎng)模流水機(jī)組法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。中國(guó)長(zhǎng)模流水機(jī)組法通常采用 2 × 4 模型或 2 × 5 模型，生產(chǎn)線如圖 3所示。

圖3 長(zhǎng)模流水機(jī)組法生產(chǎn)線

2.1 工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

長(zhǎng)模流水機(jī)組法的主要工藝流程與長(zhǎng)線臺(tái)座法相同，主要差異在于長(zhǎng)模流水機(jī)組法工藝中軌枕隨模型在不同工位上流轉(zhuǎn)移動(dòng)，如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)模流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）生產(chǎn)線上軌枕模型流轉(zhuǎn)速率快，生產(chǎn)效率較高；

2）由于采用整體張拉和放張的方式施加預(yù)應(yīng)力，生產(chǎn)線對(duì)不同類型軌枕的適用性好；

3）生產(chǎn)過(guò)程中模型在各工位流轉(zhuǎn)，因此需要一定的動(dòng)力設(shè)備和吊裝設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程能耗相對(duì)較高；

4）雖然工藝流程簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)中自動(dòng)化程度低，需要大量的人工，通常一條生產(chǎn)線需要約60個(gè)工人；

5）為適應(yīng)模型流轉(zhuǎn)且中間設(shè)置分隔板的工藝特點(diǎn)，長(zhǎng)模流水機(jī)組法一般采用干硬性混凝土，要采用大振幅振搗方式來(lái)進(jìn)行密實(shí)，因此生產(chǎn)過(guò)程中振動(dòng)噪聲較大；

6）生產(chǎn)設(shè)備成本不高，生產(chǎn)線投入成本較低；

7）由于軌枕與模型在不同工位上進(jìn)行快速流轉(zhuǎn)，軌枕的生產(chǎn)效率較高，軌枕的每班日生產(chǎn)量為1 000 ～1 500根。

2.2 生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

1）由于長(zhǎng)模流水機(jī)組法在張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固在模型上，模型必須具備足夠的剛度，同時(shí)還要考慮張拉力、自重等對(duì)模型變形造成的影響，以免造成鋼絲的絲位偏差和預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大。

2）由于長(zhǎng)模流水機(jī)組法通常采用整體張拉和放張的方式施加預(yù)應(yīng)力，因此應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼絲的下料和墩頭的偏差，減小各鋼絲預(yù)應(yīng)力不均勻性。

3）生產(chǎn)過(guò)程中模型多次反復(fù)流轉(zhuǎn)、吊裝，可能產(chǎn)生變形，須加強(qiáng)對(duì)模型的監(jiān)測(cè)，避免模型變形導(dǎo)致的軌枕產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。

3 先張短模流水機(jī)組法

根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加時(shí)間的不同，短模流水機(jī)組法分為先張短模流水機(jī)組法和后張短模流水機(jī)組法。

先張短模流水機(jī)組法采用先張法整體張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲，并將預(yù)應(yīng)力錨固至具有一定框架剛度的模型上，待混凝土養(yǎng)護(hù)至足夠強(qiáng)度以后再將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。預(yù)應(yīng)力可以通過(guò)鋼絲與混凝土之間的黏結(jié)握裹力來(lái)傳遞，也可以通過(guò)錨固板來(lái)傳遞。

歐洲主要采用先張短模流水機(jī)組法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，通常為 4 × 1 模型或 5 × 1 模型。生產(chǎn)線如圖5所示。

圖5 先張短模流水機(jī)組法生產(chǎn)線

3.1 工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

先張短模流水機(jī)組法的生產(chǎn)流程與長(zhǎng)模流水機(jī)組法相同，主要區(qū)別是模型的長(zhǎng)度，如圖6所示。由于采用單根軌枕的模型長(zhǎng)度便于自動(dòng)化設(shè)備的使用，因此短模流水機(jī)組法的自動(dòng)化程度比長(zhǎng)模流水機(jī)組法高。

圖6 先張短模流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）模型短，剛度較大，整體性好，軌枕的外形尺寸控制較好；

2）由于采用單根軌枕長(zhǎng)度的模型，便于使用自動(dòng)化設(shè)備，因此生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度較高；

3）采用帶錨固板的先張法短模流水機(jī)組生產(chǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單根鋼絲的張拉力控制，因此軌枕中各鋼絲預(yù)應(yīng)力的差異較??；

4）生產(chǎn)線上軌枕模型流轉(zhuǎn)速率稍高于長(zhǎng)模流水機(jī)組法，但由于單個(gè)模型中軌枕數(shù)量少，相對(duì)生產(chǎn)效率不高。軌枕的每班日生產(chǎn)量為800 ～1 000根。

3.2 生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

1）預(yù)應(yīng)力通過(guò)鋼絲與混凝土之間黏結(jié)握裹力來(lái)傳遞時(shí)，須重點(diǎn)對(duì)鋼絲的下料、墩頭等帶來(lái)的偏差進(jìn)行控制，避免因鋼絲長(zhǎng)度偏差導(dǎo)致的各鋼絲間預(yù)應(yīng)力不均勻。

2）采用錨固板傳遞預(yù)應(yīng)力時(shí)，在生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮對(duì)不同類型軌枕的適用性。

4 后張短模流水機(jī)組法

后張短模流水機(jī)組法采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，在軌枕內(nèi)設(shè)置鋼絲通道，混凝土養(yǎng)護(hù)至足夠強(qiáng)度后再進(jìn)行鋼絲張拉，并通過(guò)錨固板將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。

歐洲部分混凝土軌枕廠家采用后張短模流水機(jī)組法來(lái)生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，通常采用4×1 模型或5×1模型。生產(chǎn)線如圖7所示。

圖7 后張短模流水機(jī)組法生產(chǎn)線

4.1 工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

后張短模流水機(jī)組法工藝的主要特點(diǎn)是采用短鋼模生產(chǎn)，混凝土養(yǎng)護(hù)至足夠強(qiáng)度后再進(jìn)行鋼絲張拉，并通過(guò)錨固板將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上，其主要工藝流程如圖8所示。

圖8 后張短模流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝

后張短模流水機(jī)組法與先張短模流水機(jī)組的主要技術(shù)特點(diǎn)類似，但由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，軌枕的主筋通常采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材。

4.2 生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

1）由于后張法短模流水機(jī)組法在軌枕體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼材與混凝土之間是無(wú)黏結(jié)或者弱黏結(jié)狀態(tài)，因此須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，以免影響軌枕預(yù)應(yīng)力施加效果。

2）嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

5 即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法

即時(shí)脫模的混凝土軌枕生產(chǎn)工藝是在模型中混凝土振搗成形后隨即將軌枕脫模，然后不帶鋼模地進(jìn)行軌枕養(yǎng)護(hù)。一般采用后張法，通過(guò)端部設(shè)置錨固板的方式傳遞預(yù)應(yīng)力，模型長(zhǎng)度一般為單根軌枕長(zhǎng)度的短模。由于該工藝對(duì)軌枕混凝土的性能指標(biāo)要求較高，且脫模后軌枕外觀質(zhì)量控制較難，應(yīng)用范圍不廣。生產(chǎn)線如圖9所示。

圖9 即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法生產(chǎn)線

5.1 工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法軌枕生產(chǎn)工藝流程與后張短模流水機(jī)組法相似，主要區(qū)別在于軌枕脫模的時(shí)間。常見的工藝流程如圖10所示。

圖10 即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）由于即時(shí)脫模后要求軌枕保持外形尺寸，因此一般軌枕塌落度較小，軌枕外觀質(zhì)量一般；

2）由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，通常軌枕的主筋采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材；

3）由于采用單根軌枕長(zhǎng)度的模型，便于使用自動(dòng)化設(shè)備，生產(chǎn)線自動(dòng)化程度較高；

4）采用后張法施加預(yù)應(yīng)力可實(shí)現(xiàn)對(duì)單根鋼絲的張拉力控制，軌枕中各鋼絲之間預(yù)應(yīng)力的差異較小；

5）由于軌枕是不帶模型進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因此軌枕自身在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的溫度和濕度更容易保持。

5.2 生產(chǎn)中注意事項(xiàng)

1）由于軌枕是在振搗完成后隨即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因此須嚴(yán)格控制混凝土的塌落度，確保脫模后軌枕外形尺寸不發(fā)生變化。

2）由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，在軌枕體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼材與混凝土之間是無(wú)黏結(jié)或者弱黏結(jié)狀態(tài)，因此須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，以免影響軌枕預(yù)應(yīng)力施加效果。

3）須嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

6 結(jié)論

1）長(zhǎng)線臺(tái)座法生產(chǎn)能耗相對(duì)較低，生產(chǎn)臺(tái)位固定，設(shè)備成本較低，人工量較少，但生產(chǎn)效率不高。生產(chǎn)過(guò)程中須確保臺(tái)座兩端橫梁的剛度，注意模具內(nèi)分隔板設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲內(nèi)部應(yīng)力的影響。

2）長(zhǎng)模流水機(jī)組法模型流轉(zhuǎn)速率快，生產(chǎn)效率較高，對(duì)不同類型軌枕的適用性好，但生產(chǎn)中自動(dòng)化程度低，需要人工量大，車間生產(chǎn)環(huán)境較差。生產(chǎn)過(guò)程中須確保模型具備足夠的剛度，避免鋼模變形和預(yù)應(yīng)力鋼絲下料、整體張拉等造成的鋼絲內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失和不均勻。

3）先張短模流水機(jī)組法模型短，剛度較大，整體性好，生產(chǎn)自動(dòng)化高，鋼絲內(nèi)預(yù)應(yīng)力控制好，但生產(chǎn)效率一般相對(duì)不高。采用鋼絲自錨固時(shí)須重點(diǎn)控制鋼絲的下料、墩頭等帶來(lái)的偏差，采用錨固板錨固時(shí)須在生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中注意生產(chǎn)線對(duì)不同軌枕的適用性。

4）后張短模流水機(jī)組法技術(shù)特點(diǎn)與先張短模流水機(jī)組法類似，但由于采用后張法，軌枕的主筋通常采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材。在生產(chǎn)過(guò)程中須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，并嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

5）即時(shí)脫模的短模流水機(jī)組法工藝流程與后張短模流水機(jī)組法相似，主要區(qū)別在于軌枕脫模的時(shí)間。由于軌枕是不帶模型進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中軌枕內(nèi)溫度和濕度更容易保持。在生產(chǎn)中須嚴(yán)格控制混凝土的塌落度、錨固板和端部混凝土的狀態(tài)以及鋼材內(nèi)的預(yù)應(yīng)力值。