米軌鐵路新型混凝土軌枕研究設計

【摘 要】針對某國外米軌鐵路修復項目18 t軸重的線路運營條件，研發了一種新型的預應力混凝土軌枕。采用有限元法研究了輪重分配系數與軌枕鋪設根數的關系；基于極限狀態法檢算了軌枕彎矩，并開展了新型軌枕的廠內試制、室內靜載及疲勞試驗。計算和試驗結果均表明：研發的軌枕鋪設1 440根/km及以上時，均可滿足米軌鐵路18 t軸重運營條件。新型混凝土軌枕擬用于某國外米軌鐵路修復項目，可為其他“一帶一路”米軌鐵路及國內山區旅游鐵路項目設計提供參考。

【關鍵詞】米軌鐵路； 混凝土軌枕； 18 t軸重； 輪載分配系數

【中圖分類號】U213.3+4【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-01-10

［課題項目］中鐵第五勘察設計院集團有限公司課題（課題編號：T5Y2022-C02）

［作者簡介］徐娟娟（1981—），女，碩士，高級工程師，研究方向為軌道工程技術。

0 引言

米軌鐵路主要分布東南亞、南美洲及非洲等40多個國家，里程近10萬km，占世界上鐵路總里程的8%［1］，中國云南省境內有860 km的米軌鐵路［2］。在“一帶一路”倡議政策支持下，利用既有米軌鐵路開行中亞班列、進行路港聯運和國際貨運的需求不斷增大［3-4］，國內某西部山區鐵路擬采用米軌鐵路［5］。某國外米軌鐵路修復項目設計速度60 km/h，車輛軸重18 t。既有軌道主要采用BS80R鋼軌（39.674 kg/m）、BS-80R鋼枕，軌道設備老舊，需對米軌鐵路軌道進行更新。經過技術經濟比選，確定改造后軌道設計標準為43" kg/m鋼軌、混凝土軌枕。云南米軌鐵路設計軸重為15 t，若直接采用既有云南米軌混凝土軌枕，需加密鋪設至1 760根/km及以上，經濟性不高，安全余量不足。因此，有必要研發滿足18 t軸重線路運營條件的米軌鐵路預應力混凝土軌枕。

近年來，國內外學者對米軌鐵路軌枕相關研究主要集中在道床橫向阻力、無縫線路、橋枕設計等方面。韋凱等［6］基于離散元法、并通過單根軌枕測試法研究了米軌鐵路混凝土枕道床道砟堆高、道床肩寬對道床橫向阻力的影響。楊?。?］進行了坦桑尼亞米軌鐵路鋪設無縫線路適應性研究。田春香等［8］基于極限狀態法，研究設計了米軌距橋枕。對于適應較大軸重的米軌鐵路普通預應力混凝土軌枕的研究相對較少。

本文研究設計了一種適用于18 t軸重的米軌鐵路預應力混凝土軌枕，采用有限元法計算了輪重分配系數，進行軌枕軌下截面、中間截面彎矩檢算，并通過廠內軌枕試制、室內靜載和疲勞試驗進行了驗證。

1 米軌鐵路新型軌枕結構方案

研發的米軌鐵路新型預應力混凝土軌枕（圖1）采用C60混凝土，適用于年通過總質量8 Mt及以下、列車設計最高速度不大于80 km/h、軸重18 t及以下米軌線路。配套采用43 kg/m鋼軌，彈條扣件，應用于直線軌道和R≥300m的曲線軌道。該軌枕主要技術參數如表1所示。

2 軌枕結構設計檢算

2.1 輪重分配系數

輪重分配系數與鋼軌類型、軌枕間距及鋼軌支承剛度等參數有關［9］。一般靠近輪載位置的軌枕受力較大，輪載影響范圍為9根軌枕左右［10］。因設計規范中無43 kg/m鋼軌對應的輪重分配系數，本文建立了有限元模型，以歐拉梁模擬鋼軌，以兩層彈簧分別模擬扣件剛度、道床剛度，將車輪作用于鋼軌上的荷載經鋼軌傳遞分配到附近約5根軌枕上，進行輪重分配系數的求解。輪重分配系數有限元計算模型見圖2。

選取60 kg/m、75 kg/m鋼軌，按表2的軌道參數計算，并將模型計算值與規范值［10］進行比較，對計算模型進行校核，模型計算值與規范值對比如圖3所示。經比較，模型計算值與規范值相差在3%以內，模型計算結果可信。

本項目采用43 kg/m鋼軌，90 kN輪重，鋼軌支承剛度取700 kN/cm，將表2中的鋼軌彈性模量及43 kg/m鋼軌截面慣性矩數值代入模型計算，求得輪重分配系數與每公里軌枕鋪設根數的關系如圖4所示?？梢姡S著軌枕每公里鋪設根數的減少，軌枕間距增大，輪重分配系數變大，軌枕將承受更大的荷載。

2.2 軌枕設計荷載

2.2.1 豎向荷載

按Q/CR 9130-2018《鐵路軌道設計規范（極限狀態法）》［11］，豎向荷載根據式（1）計算。

Rd=γPj（1+α）（1）

式中：γ為輪重分配系數，根據計算取值；Pj為靜輪重，取90 kN；α為附加動載系數，取1.0。

2.2.2 設計荷載彎矩

軌下截面正彎矩按式（2）進行計算，間截面負彎矩按式（3）進行計算。

Mg=a212e-bq8Rd（2）

MZ=L-4a14Rd（3）

式中：a1為軌枕承軌槽中心至枕端距離；e為鋼軌下軌枕的支承長度；bq為軌枕壓力分布寬度；L為軌枕長度。

根據上述新型米軌軌枕尺寸參數，a1=0.459 m，e=0.95 m，bq=0.114 m，L=1.995 m。當鋪設1 520根/km軌枕時，γ=0.553，計算所得豎向荷載Rd=99.54 kN，軌下截面正彎矩Mg=9.619 kN·m，枕中截面負彎矩Mz=3.957 kN·m。

2.3 軌枕彎矩檢算

預應力混凝土軌枕正常使用極限狀態按式（4）進行檢算，疲勞極限狀態按式（5）進行檢算［9］。

1.2M≤（σp+1.5ffk）W0（4）

M≤（σp+0.7ffk/1.2）W0（5）

式中：M為正截面設計荷載彎矩值；σp為受拉區混凝土邊緣的法向預壓應力標準值；ftk為混凝土的抗拉強度標準值，C60混凝土取2.85 MPa；W0為換算截面的彎曲截面系數。

按鋪設1 440根/km、1 520根/km、1 600根/km軌枕，對軌枕進行彎矩檢算（表3、表4）。計算結果可知：鋪設1 440根/km及以上時，均能滿足18 t軸重荷載彎矩要求。

3 軌枕室內試驗

在廠內進行了軌枕試制，試制軌枕模具及成品見圖5。

根據TB/T 187-2002《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》［12］，軌枕靜載試驗在脫模后24～48 h之間完成。軌枕試件就位后均勻加載，加載速率不大于1 kN/s，加載至30%～40%的設計檢驗荷載值（軌下截面為125 kN，枕中截面為95 kN）時，對試驗狀態、支距尺寸進行檢查，確認正確后繼續加載；加載至設計檢驗荷載值，保載180 s，試驗結果為各截面均未出現裂縫，靜載試驗結果為合格。

根據TB/T 1878-2002《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》［13］，軌枕疲勞試驗在混凝土28 d齡期后進行；循環加載200萬次后，各截面均未出現裂縫，試驗結果滿足相關要求。

4 結論

研發了一種可用于米軌鐵路的新型的預應力混凝土軌枕，進行了輪重分配系數計算分析，并采用輪重分配系數計算值對軌枕進行了荷載彎矩檢算，并通過廠內試制、室內靜載及疲勞試驗進行了驗證，主要結論：

（1）新型軌枕鋪設1 440根/km及以上時，檢算軌下截面正彎矩和中間截面負彎矩均可滿足18 t軸重荷載彎矩的要求。

（2）對新型混凝土軌枕開展了廠內試制、室內試驗驗證，結果顯示研發的新型軌枕可滿足18 t軸重米軌鐵路運營條件。

（3）新型混凝土軌枕擬用于某國外米軌鐵路修復項目，也可為其他“一帶一路”米軌鐵路及國內山區旅游鐵路項目設計提供參考。

參考文獻

［1］ 喜來.各不相同的鐵路軌距［J］. 交通與運輸，2010（4）：13-14.

［2］ 姚元龍.米軌預應力混凝土軌枕［J］. 鐵道建筑，1983（10）：24-26.

［3］ 張梅. “一帶一路”倡議下米軌鐵路中亞班列發展路徑探析［J］. 對外經貿實務，2019（7）：8-11.

［4］ 孫天. 河口至老街跨國鐵路線路走向方案研究［J］. 鐵道建筑技術，2019（增1）：201-205.

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［7］ 楊俊. 米軌鋼枕鐵路無縫線路適應性分析［J］. 鐵道建筑技術，2020（5）：50-54.

［8］ 田春香，王平，柯文華，等. 基于極限狀態法的米軌距橋枕設計與計算［J］. 鐵道工程學報，2022（4）：43-47.

［9］ 尤瑞林，范佳，劉偉斌，等. 30t軸重重載鐵路預應力混凝土軌枕設計研究［J］. 鐵道建筑，2015（1）：113-118.

［10］ 徐娟娟，劉巍. 預應力混凝土短岔枕強度有限元分析［J］. 鐵道建筑，2008（7）：95-97.

［11］ 中國鐵路總公司. 鐵路軌道設計規范（極限狀態法）：Q/CR 9130—2018［S］. 北京：中國鐵道出版社，2019：43.

［12］ 中華人民共和國鐵道部． 預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法：TB/T 1879—2002［S］. 北京：中國鐵道出版社，2002：1-3.

［13］ 中華人民共和國鐵道部． 預應力混凝土枕疲勞試驗方法：TB/T 1878—2002［S］. 北京：中國鐵道出版社，2002：1-3.