蒙華鐵路長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道用橋枕的設(shè)計(jì)研究

趙 民

(蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073)

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程(以下簡(jiǎn)稱“蒙華鐵路”)北起鄂爾多斯，南至吉安，是一條便捷大能力煤運(yùn)通道。它連接蒙陜甘寧“金三角”地區(qū)與湘鄂贛等華中地區(qū)，是“北煤南運(yùn)”國(guó)家戰(zhàn)略運(yùn)輸通道，是銜接多條煤炭集疏運(yùn)線路、點(diǎn)網(wǎng)結(jié)合、鐵水聯(lián)運(yùn)的高效煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)和國(guó)家綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分。全線地貌單元多變，地質(zhì)情況復(fù)雜，全線設(shè)車站78個(gè)，大中橋665座(長(zhǎng)340.3 km)，隧道216座(長(zhǎng)425.5 km)，全線橋隧比約43.8%。

蒙華鐵路1 km及以上隧道內(nèi)采用彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，配套采用彈條Ⅶ型扣件。隧道群間的短路基和橋梁地段采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。配套采用WJ-12型扣件。為滿足橋上鋪設(shè)護(hù)軌條件，可采用在道床板上植筋現(xiàn)澆混凝土平臺(tái)作為護(hù)軌安裝接口，或者在既有長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道用軌枕(以下簡(jiǎn)稱“埋入式長(zhǎng)枕”)上設(shè)置護(hù)軌安裝接口2種方案?？紤]到現(xiàn)澆護(hù)軌安裝接口平臺(tái)存在施工工藝復(fù)雜、精度不高、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性受到影響等問(wèn)題，選擇設(shè)置護(hù)軌安裝接口的埋入式長(zhǎng)枕(以下簡(jiǎn)稱“埋入式橋枕”)作為蒙華鐵路橋上長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)護(hù)軌的軌枕設(shè)計(jì)方案。由于埋入式橋枕目前在我國(guó)尚未進(jìn)行過(guò)工程應(yīng)用，有必要對(duì)蒙華鐵路埋入式橋枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展系統(tǒng)研究。

1 蒙華鐵路埋入式橋枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)選型

我國(guó)既有長(zhǎng)枕埋入式軌枕主要在區(qū)間和道岔區(qū)使用[1]。區(qū)間埋入式長(zhǎng)枕采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕結(jié)構(gòu)，側(cè)面設(shè)置預(yù)留孔，制造方便，經(jīng)濟(jì)性好，在我國(guó)既有客貨共線鐵路(秦沈線、渝懷線等)及新建重載鐵路(瓦日線)中鋪設(shè)。道岔區(qū)埋入式岔枕底部設(shè)置桁架鋼筋，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜且成本較高，在我國(guó)遂渝、武廣、鄭西、滬杭等多條高速鐵路中鋪設(shè)應(yīng)用。2種長(zhǎng)枕埋入式軌枕現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，未出現(xiàn)傷損情況。

蒙華鐵路埋入式長(zhǎng)枕主要在區(qū)間線路的橋上應(yīng)用，與區(qū)間埋入式長(zhǎng)枕和道岔區(qū)埋入式岔枕相比，需增加橋上護(hù)軌接口，因此，采用側(cè)面設(shè)置預(yù)留孔的區(qū)間埋入式長(zhǎng)枕設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)工藝，增加護(hù)軌安裝接口作為埋入式橋枕，可以滿足重載鐵路運(yùn)營(yíng)安全性和穩(wěn)定性要求，而且制造工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)合理。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和原則

1.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、TB 10082—2005《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和鐵運(yùn)[2007]243號(hào)《鐵路橋梁鋪設(shè)護(hù)軌暫行規(guī)定》[4]關(guān)于橋上護(hù)軌設(shè)置的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于蒙華鐵路部分橋上長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道需要按照規(guī)范設(shè)置護(hù)軌，而在橋上安裝護(hù)軌區(qū)段采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道時(shí)不僅要求軌枕提供基本軌扣件接口，還需要在軌枕中間位置預(yù)留護(hù)軌安裝接口。鑒于目前相關(guān)文件并未對(duì)橋上無(wú)砟軌道護(hù)軌安裝尺寸給出具體規(guī)定，本次埋入式橋枕的設(shè)計(jì)接口參照有砟軌道混凝土橋枕開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。既有標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)橋上安裝護(hù)軌的埋入式橋枕設(shè)計(jì)有2點(diǎn)要求:①護(hù)軌與基本軌頭部間凈距為500 mm；②護(hù)軌頂面不得高于基本軌頂面5 mm，也不得低于基本軌頂面25 mm。

1.2.2 設(shè)計(jì)原則

①能夠滿足橋上安裝護(hù)軌的需要；②盡量考慮軌枕結(jié)構(gòu)及配套扣件系統(tǒng)與正線軌道結(jié)構(gòu)的通用性，減少軌道部件類型；③為配套扣件系統(tǒng)提供良好接口；④基本軌考慮60 kg/m和75 kg/m鋼軌通用性。

1.3 結(jié)構(gòu)方案

1.3.1 護(hù)軌扣件方案

因蒙華鐵路隧道內(nèi)及路基上用埋入式長(zhǎng)枕(無(wú)護(hù)軌)與山西中南部鐵路通道(瓦日線)所用的重載埋入式長(zhǎng)枕[5-6]相同，配套WJ-12型扣件，長(zhǎng)枕內(nèi)預(yù)埋鐵座，承軌面設(shè)置1∶40軌底坡。長(zhǎng)枕側(cè)面設(shè)置6個(gè)預(yù)留孔。預(yù)留孔呈錐形，一側(cè)直徑 70 mm，另一側(cè)直徑50 mm。道床板施工時(shí)，縱向鋼筋穿過(guò)預(yù)留孔以增強(qiáng)新老混凝土黏結(jié)，同時(shí)施工時(shí)要求從直徑70 mm一側(cè)澆筑混凝土，確保預(yù)留孔內(nèi)的混凝土灌注密實(shí)。另外，在軌枕端面預(yù)應(yīng)力鋼絲預(yù)留一定長(zhǎng)度，以進(jìn)一步增強(qiáng)軌枕與道床板連接性能。

為便于生產(chǎn)制造及后期養(yǎng)護(hù)維修，設(shè)計(jì)中盡可能考慮配套扣件系統(tǒng)的通用性，因此本次埋入式橋枕的總體設(shè)計(jì)方案與既有隧道內(nèi)和路基上重載埋入式長(zhǎng)枕相同，主要修改內(nèi)容為護(hù)軌安裝接口部分。護(hù)軌的安裝接口根據(jù)扣件系統(tǒng)的差異設(shè)計(jì)了2種方案。方案1，護(hù)軌采用既有橋上有砟軌道橋枕所使用的扣板式扣件(專線3448-Ⅱ)；方案2，護(hù)軌采用過(guò)渡段輔助軌用扣件(研線0607)。2種方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 橋上埋入式橋枕2種方案對(duì)比

經(jīng)方案比選后，確定橋上無(wú)砟軌道基本軌采用WJ-12型扣件，護(hù)軌采用扣板式扣件(專線3448-Ⅱ)的設(shè)計(jì)方案。該方案中護(hù)軌采用60 kg/m鋼軌，對(duì)應(yīng)基本軌可采用60 kg/m鋼軌或75 kg/m鋼軌，設(shè)計(jì)的基本軌軌頭與護(hù)軌軌頭凈距為500 mm。橋上護(hù)軌的安裝鋪設(shè)與現(xiàn)有的新Ⅲ型混凝土橋枕相同。護(hù)軌頂面與基本軌頂面高差在正常安裝、最大調(diào)高和最大調(diào)低3種狀態(tài)下均可滿足維修標(biāo)準(zhǔn)[7]的要求。該設(shè)計(jì)方案中鋼軌、扣件及埋入式橋枕組裝示意如圖1，鋪設(shè)示意如圖2。

圖1 鋼軌、扣件及埋入式橋枕組裝示意

圖2 橋上長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意

1.3.2 截面和配筋方案

蒙華鐵路埋入式橋枕的配筋設(shè)計(jì)沿用既有重載鐵路隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕的設(shè)計(jì)方案，采用8根φ7 mm螺旋肋鋼絲。在截面設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證輔助軌與基本軌頂面高差滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在保持軌下截面高度不變的條件下需加高中間截面的尺寸。因此，與既有隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕相比，埋入式橋枕主要變化就是中間截面的高度增加，中間截面的預(yù)應(yīng)力偏心值及永存預(yù)應(yīng)力值隨之改變。為分析中間截面高度增加對(duì)埋入式橋枕的影響，提出了2種結(jié)構(gòu)配筋方案:基準(zhǔn)方案是鋼筋絲位和總張拉力保持與既有隧道內(nèi)無(wú)護(hù)軌區(qū)段埋入式長(zhǎng)枕相同；對(duì)比方案是將鋼筋絲位向軌枕頂面方向調(diào)整5 mm，同時(shí)將總張拉力由原來(lái)的348 kN調(diào)整為200 kN。對(duì)比方案中的絲位調(diào)整主要是為了降低中間截面的預(yù)應(yīng)力偏心值；對(duì)于總張拉力的調(diào)整，主要是考慮到埋入式橋枕在運(yùn)營(yíng)階段埋置于混凝土道床板內(nèi)，與道床板共同受力，軌枕的強(qiáng)度并非設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)，而降低總張拉力有利于減少脫模和放張過(guò)程中橋枕所受到的阻力，便于生產(chǎn)制造。既有隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕及橋上埋入式橋枕配筋方案對(duì)比見(jiàn)表2。

埋入式橋枕主要材料參數(shù):軌枕生產(chǎn)所用混凝土28 d強(qiáng)度等級(jí)為C60；預(yù)應(yīng)力鋼絲抗拉極限強(qiáng)度為1 570 kN/mm2、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 070 N/mm2、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為400 N/mm2；鋼絲松弛率為Ⅱ級(jí)松弛。

計(jì)算軌枕48 h內(nèi)抗裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度按不低于45 MPa計(jì)，其抗拉標(biāo)準(zhǔn)值、抗拉設(shè)計(jì)值、軸心抗壓設(shè)計(jì)值、受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)等參數(shù)均按相關(guān)規(guī)范及技術(shù)要求確定。在設(shè)計(jì)中考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)溫差、墩頭內(nèi)縮、鋼絲松弛等因素對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。既有隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕及埋入式橋枕截面彎矩對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 既有隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕及橋上埋入式橋枕配筋方案對(duì)比

表3 既有隧道內(nèi)埋入式長(zhǎng)枕及橋上埋入式橋枕截面彎矩對(duì)比 kN·m

2 蒙華鐵路埋入式橋枕受力分析

2.1 橋上長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道計(jì)算模型

根據(jù)橋上長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力情況，采用實(shí)體有限元模型(見(jiàn)圖3)計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的力學(xué)行為。模型中鋼軌采用歐拉梁?jiǎn)卧?，兩端約束縱向位移；扣件系統(tǒng)采用彈簧單元；道床板和底座采用實(shí)體單元；道床板底部和底座之間采用接觸單元模擬隔離層；橋梁采用殼單元。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型長(zhǎng)取3塊道床板長(zhǎng)度，以中間道床板對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。

圖3 長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元模型及網(wǎng)格劃分

長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的基本軌和護(hù)軌均采用60 kg/m鋼軌，基本軌采用WJ-12型扣件，護(hù)軌采用扣板式扣件，道床板板長(zhǎng)6 775 mm，板寬2 800 mm，板厚350 mm，板縫100 mm，橋上混凝土底座寬2 800 mm，設(shè)計(jì)高度250 mm。道床板和底座間設(shè)置隔離層，兩限位凹槽尺寸為1 000 mm(長(zhǎng))×700 mm(寬)×130 mm(高)，凹槽周邊設(shè)置彈性緩沖墊層。

有限元模型計(jì)算參數(shù):鋼軌彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取 1.2×10-5℃-1；道床板混凝土強(qiáng)度等級(jí) C40，彈性模量取 3.4×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數(shù)取 1.0×10-5℃-1；底座混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，彈性模量取3.4×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數(shù)取1.0×10-5℃-1；扣件間距為610 mm，扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度為120 kN/mm，動(dòng)剛度為180 kN/mm；橋梁與底座間的支承面剛度為1 000 MPa/m。

2.2 埋入式橋枕荷載計(jì)算結(jié)果

2.2.1 列車荷載

列車豎向荷載是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮的主要荷載。運(yùn)營(yíng)列車最大軸重300 kN，豎向設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk＝3Pj＝450 kN。其中:Pj為靜輪重，為設(shè)計(jì)靜軸重的1/2(150 kN)。根據(jù)實(shí)體有限元模型計(jì)算了荷載作用于道床板中間支點(diǎn)時(shí)軌枕承受的彎矩值。計(jì)算結(jié)果:軌下截面的正彎矩為2.05 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩為0.52 kN·m。

2.2.2 溫度荷載

參考TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，道床板最大溫度梯度按90℃/m取值。溫度梯度作用下道床板最大翹曲應(yīng)力σt計(jì)算公式為

式中:Ec為道床板混凝土彈性模量，取3.45×104MPa；αt為混凝土線膨脹系數(shù)，取 1.0×10-5℃-1；βh為道床板厚的溫度梯度修正系數(shù)，取0.69；Tg為溫度梯度，取90℃/m；h為道床板厚度，取0.35 m。

將以上數(shù)值代入式(1)，計(jì)算得道床板最大翹曲應(yīng)力為3.75 MPa。

溫度梯度作用下，軌枕寬度范圍內(nèi)道床板所受的彎矩Mt計(jì)算公式為

式中:b為軌枕等效寬度，取0.26 m。

經(jīng)計(jì)算，Mt為 19.9 kN·m。

由于軌枕與道床板澆筑為一體，軌枕承受的彎矩由其抗彎剛度決定。其彎矩分配系數(shù)μ計(jì)算公式為

式中:Es為軌枕混凝土彈性模量，取3.60×104MPa；h1為軌枕埋入道床板內(nèi)的等效高度，取0.15 m；h2為軌枕的枕底道床板厚度，取0.2 m。

經(jīng)計(jì)算彎矩分配系數(shù)為0.31，即荷載引起的彎矩的31%由軌枕承擔(dān)。因此，在溫度梯度作用下軌枕承受的彎矩為6.08 kN·m。

2.2.3 橫向荷載

在橫向力作用下，道床板在橫向產(chǎn)生的彎矩Mq為

式中:kq為橫向力沿軌道縱向的分配系數(shù)，取0.3；Q為橫向力，按100 kN計(jì)；L為橫向力作用點(diǎn)距道床板頂面的高度，為0.214 m。

經(jīng)計(jì)算，Mq為6.42 kN·m/m。

橫向荷載在道床板的上下側(cè)產(chǎn)生的彎矩值均為Mq/2，即每米寬度范圍內(nèi)最大彎矩Mqa為3.21 kN·m/m。在軌枕寬度范圍內(nèi)，考慮軌枕的等效寬度以及荷載引起的彎矩的分配系數(shù)，可以得出軌枕自身所受到的橫向荷載引起的彎矩為0.42 kN·m/m。

綜合以上分析，可得到埋入式橋枕軌下截面所受的正彎矩最大值為8.55 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩最大值為7.02 kN·m。結(jié)合表3可知，2種配筋方案的承載能力均能夠滿足運(yùn)營(yíng)階段使用要求。

3 蒙華鐵路埋入式橋枕室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)

針對(duì)設(shè)計(jì)提出的基準(zhǔn)方案(絲位不變，總張拉力為348 kN)和對(duì)比方案(絲位上調(diào)5 mm，總張拉力為200 kN)，試制了2種方案的平直段橋枕，并按照TB/T 1879—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》[9]及Q/CR 509—2016《30 t軸重重載鐵路隧道內(nèi)長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道用混凝土軌枕技術(shù)條件》[10]的規(guī)定進(jìn)行靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖4?；鶞?zhǔn)方案軌下截面靜載檢驗(yàn)值為170 kN，中間截面靜載檢驗(yàn)值為100 kN；對(duì)比方案軌下截面靜載檢驗(yàn)值為110 kN，中間截面靜載檢驗(yàn)值為80 kN。試驗(yàn)結(jié)果表明埋入式橋枕的靜載抗裂強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 埋入式橋枕截面靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2 預(yù)應(yīng)力偏心對(duì)埋入式橋枕拱度的影響試驗(yàn)

由于本次設(shè)計(jì)的埋入式橋枕在中間位置加高了截面，導(dǎo)致軌枕中間部分的預(yù)應(yīng)力偏心值較大，通過(guò)對(duì)橋上埋入式橋枕中間截面拱度的跟蹤觀測(cè)，分析預(yù)應(yīng)力偏心對(duì)埋入式橋枕中間截面初始預(yù)應(yīng)力偏心產(chǎn)生的上拱和徐變導(dǎo)致的拱度的影響。試驗(yàn)分別選取2種方案的軌枕各3根進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)按照TB/T 3080—2014《有砟軌道混凝土岔枕》[11]中對(duì)岔枕拱度的測(cè)量方法執(zhí)行。監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為脫模時(shí)、脫膜后24 h，48 h，3 d，7 d，14 d，28 d，60 d 和 90 d。 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn):對(duì)比方案由于向上調(diào)整了預(yù)應(yīng)力的絲位，同時(shí)降低了總張拉力，中間部分上拱現(xiàn)象明顯減少。

表4 預(yù)應(yīng)力偏心引起的埋入式橋枕的拱度 mm

4 結(jié)論

1)經(jīng)不同方案比選，確定了蒙華鐵路埋入式橋枕方案，該方案橋上無(wú)砟軌道基本軌采用WJ-12型扣件，護(hù)軌采用扣板式扣件(專線3348-Ⅱ)。

2)因安裝扣件接口需要增加中間截面高度。為分析截面高度增加對(duì)埋入式橋枕的影響，提出了基準(zhǔn)方案(絲位不變，張拉力348 kN)和對(duì)比方案(絲位上調(diào)5 mm，張拉力200 kN)2種結(jié)構(gòu)配筋方案。

3)經(jīng)有限元仿真分析，埋入式橋枕軌下截面所受的正彎矩最大值為8.55 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩最大值為7.02 kN·m。2種方案的承載能力均能夠滿足運(yùn)營(yíng)階段使用要求。

4)經(jīng)靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)和預(yù)應(yīng)力偏心對(duì)埋入式橋枕拱度影響試驗(yàn)，試制的埋入式橋枕各項(xiàng)性能均能滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的要求。對(duì)比方案更有利于生產(chǎn)，尤其對(duì)于產(chǎn)品的放張和脫模更加便利，較基準(zhǔn)方案中間部分上拱明顯減小。