鋼管混凝土軌枕抗彎試驗研究

李啟航

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063）

0 引言

雙塊式無砟軌道是國內外高速鐵路應用最廣泛的無砟軌道結構形式之一，其專利技術為國外公司所有。為研發具有自主知識產權的新型雙塊式軌枕，我國研究、開發了采用多根鋼管混凝土構件連接兩端的混凝土軌枕塊，形成了一種新型的雙塊式軌枕[1]。

針對混凝土軌枕的研究，吳軍對雙塊式軌枕的吊裝堆放過程進行了受力分析[2]。張岷檢算、分析、論證了新型連塊式軌枕的承載、抗變形能力[3]。林紅松等人對重載鐵路混凝土軌枕開展了承載能力及試驗研究[4]。

鋼管混凝土（CFT）軌枕作為一種新型混凝土軌枕結構，既有鋼筋混凝土結構，又包含了鋼管混凝土連接構件[5]。針對混凝土軌枕的研究，包括理論計算分析、承載能力和疲勞試驗。針對鋼管混凝土結構的研究包括抗彎性能、壓彎性能、彎扭復合性能等：抗彎性能是確保軌枕生產、吊裝、施工過程中抵抗變形的關鍵指標。為清晰、明確地掌握鋼管混凝土軌枕的力學性能，本文針對鋼管混凝土軌枕開展抗彎性能力學性能試驗研究，并與使用廣泛的SK-2 型雙塊式軌枕進行對比。

1 試驗方案

1.1 軌枕方案

無論是采用桁架鋼筋連接的SK-2 型雙塊式軌枕，還是CFT 軌枕，均要求其具有較高的抗彎剛度。為了與原有的SK-2 型雙塊式軌枕進行力學性能對比，驗證采用鋼管混凝土結構的力學性能，設計了由2根和3 根鋼管混凝土構件連接的CFT 軌枕方案，如圖1、圖2 所示。

將采用2 根鋼管混凝土構件連接的CFT 軌枕分為方案A、B（見圖1）。方案A 采用2 根外徑42mm、壁厚3mm、長度2000mm 的鋼管混凝土構件連接軌枕。方案B 采用2 根外徑33mm、壁厚3mm、長度2000mm的鋼管混凝土構件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，鋼管材質、鋼管內灌注的材料以及軌枕的其他設計均相同。

圖1 A、B 組設計方案

將采用3 根鋼管混凝土構件連接的CFT 軌枕分為方案C、D（見圖2）。方案C 采用3 根外徑42mm、壁厚3mm 的鋼管混凝土構件連接軌枕，底部2 根鋼管混凝土構件長度為2000mm，頂部長度為1100mm。方案D 采用底部2 根鋼管混凝土構件外徑為33mm、長度為2000mm，頂部采用1 根外徑42mm、長度1100mm、壁厚均為3mm 的鋼管混凝土構件連接軌枕。鋼管之間間距為160mm，頂部鋼管與下方2 根鋼管之間的高度均為90mm，鋼管材質、鋼管內灌注材料以及軌枕其他尺寸設計均相同。

圖2 C、D 組設計方案

1.2 試驗步驟

抗彎試驗采用軌枕專用試驗平臺進行，試驗平臺通過支承兩端軌枕塊底部，在軌枕中部施加垂向荷載，可同時測量、記錄荷載大小和軌枕彎曲變形的大小。抗彎試驗過程如下：

測量并標記軌枕中點，作為垂向彎曲荷載施加點，測量并標記兩個混凝土軌枕塊中心線，作為支承點；

將軌枕架設在抗彎試驗平臺上，垂向加載頭調整至與軌枕中點接觸，將下部2 個支承點調整至軌枕塊中心線正下方，形成3 點支承抗彎試驗。

啟動試驗機，在軌枕中點施加集中荷載，加載速率為2mm/min，記錄加載過程中軌枕中部的撓度和集中荷載的大小，并觀察軌枕塊的開裂情況。

2 試驗結果分析

2.1 CFT 軌枕抗彎性能

方案A 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖3 所示。可見，當荷載較小時，軌枕中點鋼管混凝土結構的撓曲位移隨荷載增加而增大，當荷載小于14.0KN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關系，并呈直線上升趨勢，表明此時鋼管混凝土構件處于彈性變形階段；當荷載大于14.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構件進入彈塑性階段；當荷載超過17.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖3 方案A CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案B 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖4 所示。當荷載小于5.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關系，表明此時鋼管混凝土構件處于彈性變形階段；當荷載大于5.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構件進入彈塑性階段；當荷載超過6.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖4 方案B CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案C 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖5 所示。當荷載小于21.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關系，表明此時鋼管混凝土構件處于彈性變形階段；當荷載大于21.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構件進入彈塑性階段；當荷載超過25.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖5 方案C CFT 軌枕抗彎試驗曲線

方案D 的CFT 軌枕抗彎性能試驗，其典型曲線如圖6 所示。當荷載小于16.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關系，表明此時鋼管混凝土構件處于彈性變形階段；當荷載大于16.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時構件進入彈塑性階段；當荷載超過20.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載仍可保持緩慢上升的趨勢。

圖6 方案D CFT 軌枕抗彎試驗曲線

2.2 SK-2 軌枕抗彎性能

SK-2 軌枕抗彎試驗曲線如圖7 所示。可見，當荷載較小時，軌枕中間位置桁架鋼筋的撓曲位移隨荷載增加而增大，當荷載低于15.0kN 時，荷載與位移之間具有較強的線性關系，呈直線上升趨勢，表明此時鋼筋桁架處于彈性變形階段；當荷載大于15.0kN 時，曲線上升會變緩慢，荷載增加速率小于撓曲變形速率，此時桁架鋼筋出現塑性變形；當荷載超過19.0kN 時，隨著撓曲變形的增加，荷載逐漸降低。

圖7 SK-2 軌枕抗彎試驗曲線

2.3 軌枕抗彎性能對比分析

CFT 軌枕及SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能試驗，以彈性階段終點作為軌枕抗彎性能所承受的最大荷載。方案A 軌枕承受最大荷載為14.0kN，方案B 軌枕承受最大荷載為5.0kN，方案C 軌枕承受最大荷載為21.0kN，方案D 軌枕承受最大荷載為16.0kN，SK-2軌枕所能承受的最大荷載為15.0kN。

方案A、D 與SK-2 型軌枕抗彎性能基本相當，方案B 弱于SK-2 型軌枕，方案C 的抗彎性能大于SK-2型軌枕。鋼材用量方面，方案A 為11.5kg、方案B 為8.9kg、方案C 為14.7kg、方案D 為12.1kg、SK-2 型為17.3kg。由此可見，四種方案鋼材用量均小于SK-2型軌枕。綜合考慮抗彎性能和材料用量，A 為最優方案。

3 結論

本文通過對鋼管混凝土軌枕、SK-2 型雙塊式軌枕抗彎性能進行對比試驗研究，得出以下結論：

其一，鋼管混凝土軌枕方案A、B、C、D 均滿足承載能力要求，采用2 根外徑42mm 的鋼管混凝土構件的方案A，抗彎性能滿足使用要求，材料用量方面更優，為優選方案。

其二，鋼管混凝土軌枕抗彎性能達到軌枕所能承受的最大荷載后，可繼續保持緩慢上升，從而發揮鋼管混凝土的延性特點；SK-2 軌枕抗彎性能具有直線上升、上升變緩、逐漸下降三個階段，彈性變形階段抗彎性能較強，一旦發生塑性變形，抗彎性能會迅速下降。