CRTSⅠ雙塊式軌枕重力慣性式脫模臺設計

羅麗軍

【摘? 要】論文根據“貴南鐵路（廣西段）河池軌枕場”雙塊式軌枕智能生產線脫模臺的設計思路，通過對重力慣性式脫模臺進行受力分析、荷載計算、配筋計算，對重力慣性式脫模臺作出了深度解析。根據“貴南鐵路（廣西段）河池軌枕場”的生產經驗，此脫模方式有效提高了生產效率、產品外觀質量和產品合格率，使產品充分滿足TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》的相關質量要求。雙塊式重力慣性式脫模臺滿足大產量軌枕預制生產的需求，有效提高了產品合格率，有利于為類似鐵路建設工程提供借鑒。

【Abstract】According to the design idea of the stripper table of the bi-block sleeper intelligent production line of "Guizhou-Nanning Railway （Guangxi Section） Hechi Sleeper Yard"， this paper provides an in-depth analysis of the gravity inertia stripper table through the force analysis， load calculation， and reinforcement calculation of the gravity inertial stripper table. According to the production experience of "Guizhou-Nanning Railway （Guangxi Section） Hechi Sleeper Yard"， this stripper method effectively improves the production efficiency， product appearance quality and product qualification rate， so that the products fully meet the relevant quality requirements of TB/T 3397—2015 "Bi-Block Concrete Sleeper for CRTS Ballastless Track". The bi-block gravity inertia stripper table meets the production demand of high-yield sleeper prefabrication and effectively improves the product qualification rate， and is conducive to providing a reference for similar railway construction projects.

【關鍵詞】CRTSⅠ雙塊式軌枕;結構設計;預制生產;脫模臺

【Keywords】CRTS I bi-block sleeper; structural design; prefabrication production; stripper table

【中圖分類號】U213.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）01-0194-03

1 工程概況

為提高鐵路運營過程中的舒適性及安全性，我國高速鐵路的軌道結構主要采用無砟軌道的結構模式[1]。貴陽至南寧高速鐵路，簡稱貴南高鐵，工程位于貴州省東南部和廣西壯族自治區西北部，北起黔桂省區界，經廣西壯族自治區的環江、金城江、都安、馬山、武鳴等地，止于南寧市，新建正線全長279.747km，橋隧比為90.4%，全部采用CRTSⅠ型雙塊式軌枕，總任務88.9萬根。

2015年，由云南工程建設總承包公司承建的路起自彌勒，經開遠，終至蒙自的鐵路軌枕預制，采用的脫模方式在吊具輔助作用下，行車用力經輔助吊具豎向起吊[2]。河池軌枕場采用全自動智能軌枕生產線，為最大限度提升生產線智能自動化程度，軌枕生產線選用短模法工藝，模型采用4×1形式。短模法工藝方便靈活，節拍快。設計生產節拍為1模/3min。

短模法生產形式中最合理的脫模方式就是重量慣性法脫模，亦稱沖擊式脫模。軌枕沖擊式脫模原理主要是根據慣性原理，軌枕與模具一起做自由落體運動，模具受阻停止下落，軌枕由于慣性繼續下落并與模具脫離[3]。通過軌枕模型抬高后自身重量的自由落體加速度，將軌枕套管與定位錐之間的橡膠螺栓的連接力和軌枕混凝土與模板之間的連接力脫離。脫模時，模型自身重力和慣性重力全部傳遞到脫模臺基礎上，脫模臺自身穩定性、剛度、強度以及地基承載力等都有較高要求。

2 脫模臺適用情況

隨著2021年世界人工智能大會在上海的召開，作為新一代信息技術的代表，人工智能的顛覆性色彩已經顯現[4]。河池軌枕場順應國內發展形勢，采用全智能軌枕預制流水生產線，為適應軌枕生產效率，對生產線各個工藝、設備、廠房基礎進行深度研究。在此基礎上，軌枕脫模臺成為生產線的重中之重，智能軌枕脫模系統亦采用重力式脫模方式，除智能設備外，脫模基礎在生產線中也起到至關重要的作用。基礎設計間接影響了軌枕的脫模成效以及軌枕成品質量，根據智能軌枕脫模系統設計脫模臺基礎，同時，該設計也符合各種重力式脫模方式。

我國傳統脫模工藝在混凝土達到設計強度的70%進行脫模，可簡稱為“干脫法”，在CRTSⅠ型雙塊式軌枕預制當中，主要有兩種生產形式，分別是4×1模具與2×4模具，根據模具形式，生產線的構造不盡相同，均采用“干脫法”進行脫模[5]。河池軌枕場短模法生產實現了混凝土定量澆筑、強頻振動、噪聲控制三大理想目標，改善了生產環境，同時，短模實現了生產流程的自動控制和養護區作業的全程自動控制，并節省軌枕“蒸養”耗能量[6]。重力慣性式脫模方式在軌枕生產中應用廣泛，主要在4×1模具形式生產線中出現，脫模方式簡便迅速有效，滿足4×1模具形式生產線的快速生產需求。

雙塊式軌枕脫模過程中阻力大，主要表現為軌枕不能靠自重自行脫落。脫模過程實際是使軌枕由倒梯形放置狀態，轉變為正梯形放置狀態，使軌枕下落的作用力僅是自重力，其必須克服各種阻力，否則脫模困難。

3 脫模臺設計

3.1 設計原則

河池軌枕場88.9萬根軌枕在生產預制過程中，需要脫模222 250次（每1模4根軌枕），脫模臺需要受到110萬次以上的重載沖擊。在如此高強度沖擊的過程中，脫模臺下沉不宜超過8mm，側傾角不能大于1°，脫模臺自身不應開裂、變形。在設計、施工過程中，要考慮地基承載力，避免過量下沉或側傾，還要考慮脫模臺在高強度抗沖擊過程中不開裂、不變形，確保全軌枕場生產周期不出問題。

3.2 設計方案

對于脫模臺的基礎設計來說，為確保脫模臺在長期使用過程中，脫模臺基礎不出現開裂、變形等情況，脫模臺基礎設計4m×7m×1m立方體C30混凝土基礎，立柱采用1.2m×1.2m×0.03m預埋鋼板加固，基礎內部鋼筋采用？椎10@200的光圓鋼筋和？椎14@200螺紋鋼筋進行鋼筋籠綁扎，鋼筋采用5cm保護層進行保護（見圖1和圖2）。根據設計圖紙，對脫模臺基礎相關關鍵數據進行計算，通過計算說明，設計合理，能夠應對在使用過程中出現的各種變化情況。

3.3 脫模臺基礎受力檢算

根據基礎設計，對基礎受力進行相關計算。通過基礎設計相關參數，對基礎參數進行計算，具體如下。

3.3.1 基礎基本參數

①幾何參數。柱寬：bc=1 200mm。柱高：hc=1 200mm。高度：h1=1 000mm。一階長度：b1=b2=3 500mm。一階寬度：a1=a2=400mm。②材料信息。基礎混凝土等級：C30，ft=1.43（N·mm2），fc_b=14.3（N·mm2）。柱混凝土等級：C30，ft=1.43（N·mm2），fc=14.3（N·mm2）。鋼筋級別：HPB300，fy=270（N·mm2）。③計算信息。結構重要性系數：γo=1.00。基礎埋深：dh=1.000m。縱筋合力點至近邊距離：as=40mm。基礎及其上覆土的平均容重：γ=20.000（kN·m3）。最小配筋率：ρmin=0.150%。④根據基礎幾何參數，結合相關所用材料信息，對作用在基礎頂部荷載標準組合值進行計算：Fk=F/ks=47.500/1.35=35.185（kN）;Mxk= Mx/ks=166.250/1.35=123.148（kN·m）;Myk=My/ks =95.000/1.35=70.370（kN·m）;Vxk=Vx/ks=32.000/1.35=23.704（kN）;Vyk=Vy/ks=9.520/1.35= 7.052（kN）。Fk為地基頂部豎向力值;Mx、My分別為地基基礎在x、y方向上力矩;Vx、Vy分別為作用在地基基礎x、y方向上的剪力;Mxk、Myk、Vxk、Vyk分別為經過修正后的力矩與剪力。⑤通過修正后，地基承載力特征值為fa=100.000（kPa）。再對基礎總長、基礎總寬、基礎總高以及基礎底面積進行重新修正，確定相關參數，并通過計算出的參數，對基礎底部彎矩值進行計算：第一，基礎總長：Bx=b1+b2+bc=3.500+3.500+1.200=8.200（m）。第二，基礎總寬：By=a1+a2+hc=0.400+0.400+1.200=2.000（m）。A1=a1+hc/2=0.400+1.200/2=1.000（m）。A2=a2+hc/2=0.400+1.200/2=1.000（m）。B1=b1+bc/2=3.500+1.200/2=4.100（m）。B2=b2+bc/2=3.500+1.200/2=4.100（m）。第三，基礎總高：H=h1=1.000（m）。第四，底板配筋計算高度：ho=h1-as=1.000-0.040=0.960（m）。第五，基礎底面積：A=Bx×By=8.200×2.000=16.400（m2）。Gk =γ×Bx×By×dh =328.000（kN），Gk為修正過后基礎自重。G=1.35×Gk=1.35×328.000=442.800（kN）。第六，通過計算出的參數，對基礎底部彎矩值進行計算：Mdxk=Mxk-Vyk×H=116.096（kN·m）;Mdyk=Myk+Vxk×H=

94.074（kN·m）;Mdx=Mx-Vy×H=156.730（kN·m）;Mdy=My+Vx×H=127.000（kN·m）。

3.3.2 驗算軸心荷載作用下地基承載力

得出以上參數后，地基承載力也進行修正，pk=22.145（kPa），對修正完成后的地基承載力進行分析，確定在軸心荷載作用下的地基承載力滿足要求。pk=（Fk+Gk）/A=22.145（kPa），因γo×pk= 22.145（kPa）≤fa=100.000（kPa）。軸心荷載作用下地基承載力滿足要求。

3.3.3 驗算偏心荷載作用下的地基承載力

確定以上參數滿足要求，繼續對在偏心荷載作用下的地基承載力按照相應公式進行驗算，從而確定軸心荷載作用下與偏心荷載作用下的地基承載力均符合設計要求。

exk=Mdyk/（Fk+Gk）=0.259（m），exk為偏心作用下的x值。

因|exk|≤Bx/6=1.367（m）;x方向小偏心，由公式推導：

Pkmax_x=（Fk+Gk）/A+6×|Mdyk|/（B×By）=26.343（kPa）;Pkmin_x=（Fk+Gk）/A-6×|Mdyk|/（B×By）=17.948（kPa）;Pkmin_x、Pkmax_x分別為偏心作用下x方向的地基荷載力。

eyk= Mdxk/（Fk +Gk）=0.320（m）。

eyk為偏心作用下的y值。

因|eyk|≤By/6=0.333（m），y方向小偏心：

Pkmax_y=（Fk+Gk）/A+6×|Mdxk|/（B×Bx）=43.383（kPa）

Pkmin_y=（Fk+Gk）/A-6×|Mdxk|/（B×Bx）=0.908（kPa）。

Pkmin_y、Pkmax_y分別為偏心作用下y方向的地基荷載力。

3.3.4 確定基礎底面反力設計值

Pkmax=（Pkmax_x-pk）+（Pkmax_y-pk）+pk=47.580（kPa）;γo×Pkmax= 47.580（kPa）≤1.2×fa=120.000（kPa）。因此，偏心荷載作用下地基承載力滿足要求。

3.4 脫模臺結構計算

3.4.1 計算基礎底面反力設計值

完成基礎驗算后，對脫模臺結構進行計算，根據相關規定以及文獻，確定x、y方向基礎底面反力設計值：①計算x方向反力設計值。ex=Mdy/（F+G）=10.259（m），因ex≤Bx/6.0=1.367（m），x方向小偏心。Pmax_x=（F+G）/A+6×|Mdy|/（B×By）=35.563（kPa）;Pmin_x=（F+G）/A- 6×|Mdy|/（B×By）=24.230（kPa）。②計算y方向反力設計值。ey=Mdx/（F+G）=0.320（m），因ey≤By/6=0.333，y方向小偏心。Pmax_y=（F+G）/A+6×|Mdx|（B×Bx）=58.566（kPa）;Pmin_y=（F+G）/A-6×|Mdx|/（B×Bx）=1.226（kPa）。③因Mdx≠0，Mdy≠0;Pmax=Pmax_x+Pmax_y-（F+G）/A=64.233（kPa）。④計算地基凈反力極限值。Pjmax=Pmax-G/A=37.233（kPa）;Pjmax_x=Pmax_x-G/A=8.563（kPa）;Pjmax_y=Pmax_y-G/A=31.566（kPa）。

3.4.2 柱邊沖切驗算

3.4.3 基礎受剪承載力驗算

①計算剪力。Az=a1+a2+hc=2 000（mm）;Bz=b1+b2+bc=8 200（mm） ;A'=Az ×max（b1，b2）=7.00（m2） ;Vs=A'×p=7.0×2.9=20.3（kN）。②計算截面高度影響系數h。h=（800/ho）=（800/1 000.0）=0.9。③剪切承載力驗算。Ao=Az×h1=2 000 000.00（mm2）;γo×Vs=20.3kN≤0.7hftAo=1 893.4（kN）。故受剪承載力驗算滿足要求。3.4.4 柱下基礎的局部受壓驗算

因為基礎的混凝土強度等級大于等于柱的混凝土強度等級，所以無需驗算柱下擴展基礎頂面的局部受壓承載力。

3.4.5 基礎受彎計算

通過計算基礎剪力、截面高度影響系數以及對剪切承載力的驗算，確定基礎受剪承載力滿足要求。因為基礎的混凝土強度等級大于等于柱的混凝土強度等級，所以無需驗算柱下擴展基礎頂面的局部受壓承載力，進而對基礎進行受彎計算：①因Mdx>0，Mdy>0，此基礎為雙向受彎。②計算I-I截面彎矩。因ex≤Bx/6=1.367（m），x方向小偏心。a=（Bx-bc）/2=3.500（m）。Pj1=（（Bx-a）×（Pmax_x -Pmin_x）/Bx）+Pmin_x-G/A=3.726（kPa）;因ey≤By/6=0.333（m），y方向小偏心。a=（By-hc）/2=0.400（m）;Pj2=（（By-a）×（Pmax_y-Pmin_y）/By）+Pmin_y-G/A=20.098（kPa）;Pj1、Pj2分別為I-I截面承載力。βx=1.184;βy=1.086;MⅠ_1=1/48×βx×（Bx-bc）×（2×By+hc）×（Pj1+ Pjmax_x）=7.26（kN·m）;MⅡ_1=1/48×βy×（By-hc）×（2×Bx+bc）×（Pj2+Pjmax_y）=13.16（kN·m）。MI_1、MII_1分別為I-I截面彎矩值。

3.4.6 計算配筋

完成以上計算后，進行基礎配筋計算。脫模臺基礎配筋情況見圖3。①計算Asx。Asx_1= γo×MⅠ_1/（0.9×（H- as）×fy）=331.2（mm）;Asx1=Asx_1=331.2（mm2）。Asx-Asx1/By=331.2/2=166（mm2/m），因此，選擇鋼筋Φ14@200，實配面積6 769.84mm2。

②計算Asy。Asy_1=γo×MⅡ_1/（0.9×（H-as）× fy）=56.4（mm2），Asy=max（Asy，ρmin×H×1 000）=1 500（mm2/m）。因此，選擇鋼筋Φ10@200，實配面積5 459mm2。Asx、Asy分別為基礎配筋率。

4 結語

通過分析實際施工使用情況，重力慣性式脫模方式具有脫模速度快、成品脫模效果好、脫模臺基礎基本無形變的優點，與CRTSⅠ型雙塊式軌枕短模式生產方式相匹配，有效提高了雙塊式軌枕的生產效率。根據以上對脫模臺基礎的計算，得出以下結論：第一，脫模臺基礎需根據所建位置地基承載力作出相應的尺寸調整，通過本文中的公式計算，重力式慣性脫模臺基礎承載力滿足使用要求。第二，根據脫模臺基礎尺寸情況，鋼筋Φ14@200使用配置面積6 769.84mm2，滿足基礎配筋要求;鋼筋Φ10@200使用配置面積5 459mm2，滿足基礎配筋要求。第三，根據脫模臺使用以及實測情況，脫模臺基礎沉降為4mm，基礎沉降滿足要求不超過8mm;計算脫模臺基礎側傾角度小于1°，滿足使用要求。第四，對脫模臺基礎進行檢測，脫模臺基礎完好，表面無裂紋，滿足強度要求。

綜上所述，脫模臺基礎承載力、震動沉降、抗側傾均滿足要求。脫模臺結構剛度、抗沖擊強度滿足使用要求。

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