35～40t軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)方案及試驗(yàn)研究

許良善，郄錄朝，全順喜

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.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；3 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；4.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430063）

在礦石資源豐富的國(guó)家，如美國(guó)、澳大利亞、巴西，均已發(fā)展了35～40 t 軸重重載鐵路。澳大利亞FMG 鐵路軸重已達(dá)40 t，美國(guó)重載鐵路軸重多集中在32.5～35.7 t，巴西淡水河谷重載鐵路軸重已達(dá)32.5 t以上，計(jì)劃將軸重提升到37.5 t。我國(guó)在30 t 軸重新建鐵路技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。2014年，國(guó)內(nèi)首條軸重30 t 重載鐵路——瓦日鐵路開通運(yùn)營(yíng)；蒙華鐵路也是按照30 t 軸重標(biāo)準(zhǔn)修建。但目前我國(guó)尚無成熟的35～40 t 軸重軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。隨著國(guó)家的發(fā)展，鐵路成為“走出去”的重要領(lǐng)域和與周邊國(guó)家互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)設(shè)施，“兩洋鐵路”的提出及國(guó)內(nèi)企業(yè)參與國(guó)際鐵路貨運(yùn)市場(chǎng)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求也對(duì)國(guó)內(nèi)重載鐵路技術(shù)的發(fā)展提出了迫切要求。為了滿足重載鐵路“走出去”的需求，推進(jìn)重載鐵路技術(shù)國(guó)際化，完善軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系，目前我國(guó)開展35～40 t 軸重軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究工作。本文提出35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)方案，鋪設(shè)實(shí)尺軌道模型，并對(duì)實(shí)尺軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

1 國(guó)外重載鐵路軌道現(xiàn)狀

目前重載鐵路運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，重載運(yùn)輸已被國(guó)際公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向［1］。

美國(guó)70%的鐵路為重載鐵路，其聯(lián)運(yùn)線路軸重為32.5 t，而美國(guó)聯(lián)合太平洋鐵路UP公司的1條線路軸重為35.7 t，主要采用列車編組為108輛的重載單元列車運(yùn)輸方式，車輛為263K、286K、315K 型貨車。UP 公司的鋼軌一般采用美國(guó)CF ＆ I119 鋼軌，軌枕采用混凝土軌枕或長(zhǎng)2.7 m 的硬質(zhì)木枕，鋪設(shè)至少230 mm 厚的清潔道砟，局部路基軟弱區(qū)段鋪設(shè)300 mm 厚的道床墊層。在UP 公司西部大型試驗(yàn)段，軌道采用68 kg/m 鋼軌、混凝土軌枕、環(huán)氧樹脂墊板、彈條扣件、碎石道床鋪設(shè)，線路為無縫線路，軌距為1 435 mm，軌枕間距為60 cm。

澳大利亞軸重較大的鐵路主要位于以鐵礦石運(yùn)輸為主的皮爾巴拉地區(qū)，在該地區(qū)，BHP 公司的紐曼山鐵路全長(zhǎng)426 km，單線，最小曲線半徑528 m，列車編組192～240 輛，年運(yùn)量超過1 億t，采用多機(jī)車分散動(dòng)力牽引。紐曼山鐵路運(yùn)營(yíng)列車軸重為37.5 t，部分40 t，鋪設(shè)68 kg/m 的軌頭硬化鋼軌，軌枕采用質(zhì)量為309 kg 的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，軌枕間距為60 cm，道床厚度為300 mm。

EFVM 鐵路是巴西運(yùn)量最大的一條鐵路，采用136RE型鋼軌和彈性扣件，軌枕中木枕約占29%，鋼枕約占71%。在木枕上采用分開式扣件，鐵墊板通過螺旋道釘與木枕連接，彈條固定于鐵墊板上的鐵座；在鋼枕上采用彈條扣件，鐵座直接焊接在鋼枕上，彈條固定在鐵座上。EFVM 鐵路使用的道砟材質(zhì)主要為花崗巖或水泥礦渣。在一些復(fù)線地段及計(jì)劃將軸重提升至37.5 t 的區(qū)段進(jìn)行了軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，采取的措施有：更換失效軌枕、扣件，將道床厚度由20 cm 增加至30 cm，將木枕更換為混凝土軌枕。

從國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀看，35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)具有下述特征：

1）從國(guó)外重載鐵路使用的鋼軌類型看，在美國(guó)、澳大利亞、巴西等軸重已達(dá)37.5，40.0 t 的國(guó)家，主要采用136RE型鋼軌，重視鋼軌的打磨以及潤(rùn)滑工作。

2）各國(guó)根據(jù)不同的運(yùn)輸條件及軌枕類型選用適合本國(guó)的強(qiáng)化型扣件，常見的有SAFELOK扣件、e型彈條扣件、FASTCLIP FE 扣件、Vossloh W30 HH 重載扣件?？奂M足35～40 t 軸重的使用條件，大部分結(jié)構(gòu)采用預(yù)埋鐵座抵抗橫向荷載，以減少后期養(yǎng)護(hù)維修工作量。

3）重載鐵路使用的軌枕有木枕、混凝土枕和鋼枕。美國(guó)典型重載軌枕為Pocla 公司生產(chǎn)的混凝土軌枕，德國(guó)RAIL ONE 公司為美國(guó)和巴西研發(fā)了適用于40 t 軸重的重載軌枕?？傮w來看，混凝土軌枕仍然是重載軌枕發(fā)展的主流方向，其能夠提供較高的承載力和軌枕阻力，提高軌道穩(wěn)定性，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量。

4）美國(guó)重載鐵路道砟主要采用優(yōu)質(zhì)花崗巖和深色火成巖，巴西重載鐵路道砟主要采用花崗巖或水泥礦渣。美國(guó)既有4.75～63.50 mm 的寬級(jí)配道砟，又有12.7～50.8 mm 的窄級(jí)配道砟，而13.2～63.0 mm道砟級(jí)配是澳大利亞重載鐵路主要級(jí)配。美國(guó)道床邊坡為1∶2，澳大利亞為1∶1.5。

2 35～40t軸重重載鐵路有砟軌道方案

我國(guó)目前已有成熟的136RE 型PG4 鋼軌生產(chǎn)加工工藝，該型鋼軌出口巴西、澳大利亞等國(guó)，先后通過了澳大利亞FMG 和BHP、巴西CVRD 等公司的可靠性認(rèn)證，具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。考慮到運(yùn)輸?shù)V石的鐵路對(duì)經(jīng)濟(jì)性有一定的要求，在35～40 t 軸重重載鐵路中應(yīng)優(yōu)先采用68 kg/m優(yōu)質(zhì)鋼軌。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的無螺栓扣件為e型彈條系列扣件；我國(guó)適應(yīng)30 t 軸重的有螺栓扣件為彈條Ⅵ型扣件和彈條Ⅶ型扣件。無螺栓扣件零部件少，安裝簡(jiǎn)單，但鋼軌高低位置調(diào)整不便；有螺栓扣件可對(duì)鋼軌高低位置進(jìn)行較大幅度的調(diào)整，零部件相對(duì)較多。為了滿足35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道要求，我國(guó)在現(xiàn)有扣件基礎(chǔ)上對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)出了適應(yīng)40 t 軸重的無螺栓的彈條扣件和有螺栓的彈條扣件。

國(guó)內(nèi)目前承載軸重最大的Ⅳ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕滿足30 t 軸重的運(yùn)輸需求。在Ⅳ型軌枕基礎(chǔ)上，通過對(duì)關(guān)鍵截面尺寸和鋼筋配置的優(yōu)化，研發(fā)了適應(yīng)40 t軸重的重載軌枕，可滿足40 t軸重的運(yùn)輸需求。

根據(jù)世界各國(guó)重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，35～40 t 軸重重載鐵路可采用雙層道床；如果采用單層碎石道床，須設(shè)置基床表層級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)。35～40 t 軸重重載鐵路基床表層采用級(jí)配碎石可大大提高基床表面的承載能力，道砟直接鋪設(shè)在級(jí)配碎石之上可以降低道床厚度。此種情況下，經(jīng)計(jì)算分析，道床厚度取350 mm 即可滿足路基面的容許承載應(yīng)力。隨著軸重增加，道床頂面應(yīng)力增加，軌枕間距為600 mm、軸重為40 t時(shí)，道床頂面應(yīng)力為0.55 MPa，和一級(jí)道砟道床頂面容許應(yīng)力相當(dāng)。而采用優(yōu)質(zhì)道砟可提高道床頂面容許應(yīng)力，一級(jí)材質(zhì)道砟相比二級(jí)材質(zhì)道砟力學(xué)性能至少提高15%以上，特級(jí)材質(zhì)道砟相比二級(jí)材質(zhì)道砟力學(xué)性能至少提高30%以上［2］。因此建議對(duì)于35～40 t軸重的線路，在有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用特級(jí)材質(zhì)道砟；采用特級(jí)材質(zhì)道砟有困難時(shí)，可采用一級(jí)材質(zhì)道砟。我國(guó)道床邊坡為1∶1.75，和美國(guó)1∶2、澳大利亞1∶1.5 相比處于中間位置，且有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此35～40 t 軸重線路道床邊坡仍可采用1∶1.75。道砟的粒徑級(jí)配影響道床的密實(shí)度、振動(dòng)密實(shí)作業(yè)性能、顆粒間接觸面積及接觸點(diǎn)的接觸壓力，通常認(rèn)為軸重大且速度低的線路宜采用寬級(jí)配道砟。我國(guó)重載鐵路采用一級(jí)級(jí)配道砟，與北美、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的重載鐵路所采用的級(jí)配基本相同，建議35～40 t 軸重重載鐵路道砟級(jí)配仍采用一級(jí)道砟級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)綜合考慮，35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道推薦方案見表1。

表1 35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道推薦方案

3 實(shí)尺有砟軌道模型鋪設(shè)及試驗(yàn)

3.1 實(shí)尺有砟軌道模型鋪設(shè)

為了掌握35～40 t軸重有砟軌道結(jié)構(gòu)的彈性、荷載傳遞性能、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鋪設(shè)了35～40 t 軸重有砟軌道實(shí)尺模型［3］，開展35～40 t軸重有砟軌道試驗(yàn)研究。軌道結(jié)構(gòu)配置參照表1，使用了 2 根 7 m 長(zhǎng) 68 kg/m 鋼軌；扣件采用研發(fā)的適應(yīng)40 t 軸重的有螺栓彈條扣件，共使用扣件22 套；軌枕采用適應(yīng)40 t 軸重的混凝土枕，按照軌枕間距600 mm 鋪設(shè)，共鋪設(shè)軌枕11根；采用特級(jí)材質(zhì)一級(jí)級(jí)配道砟，道床頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，邊坡1∶1.75，砟肩寬度400 mm；路基采用高強(qiáng)改良土路基和泡沫輕質(zhì)土路基。鋪設(shè)軌枕時(shí)，道砟采用手工搗固機(jī)進(jìn)行振搗且采用蛤蟆夯進(jìn)行夯實(shí)。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，在實(shí)尺軌道模型鋪設(shè)的各環(huán)節(jié)均進(jìn)行了鋪設(shè)質(zhì)量檢測(cè)。在改良土路基層鋪設(shè)后檢測(cè)動(dòng)態(tài)變形模量Evd為83.5 MPa，級(jí)配碎石表層Evd為51.2 MPa。實(shí)尺軌道模型鋪設(shè)好后，選取6根軌枕測(cè)試了軌枕橫向阻力。測(cè)試時(shí)枕盒及枕端道砟和軌枕頂面齊平，測(cè)試采用的設(shè)備為道床剛度儀，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的設(shè)備一致。測(cè)試時(shí)，拆除待測(cè)試枕的扣件和墊板后，利用鋼軌作用反力，在軌枕的一端用千斤頂拉軌枕，在另一端用固定于橫梁上的位移計(jì)測(cè)試軌枕的橫向位移，道床剛度儀可以同時(shí)記錄軌枕的拉力和橫向位移，當(dāng)軌枕橫向位移為2 mm 時(shí)的拉力即為軌枕的橫向阻力。測(cè)試結(jié)果表明，軌枕橫向阻力最大值為12.4 kN，平均值為11.5 kN，基本滿足重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求。最后用MTS 試驗(yàn)機(jī)測(cè)得道床支承剛度為109.6 kN/mm，基本與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)接近。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）軌道結(jié)構(gòu)剛度試驗(yàn)

通過試驗(yàn)獲得垂向荷載與鋼軌垂向位移的關(guān)系，得到軌道結(jié)構(gòu)剛度數(shù)據(jù)。

2）荷載傳遞性能試驗(yàn)

對(duì)鋼軌施加一定的垂向荷載，測(cè)試枕上支點(diǎn)壓力、枕下0.55 m 位置基床表層壓應(yīng)力、枕下0.95 m 位置基床壓應(yīng)力，掌握35～40 t軸重荷載作用下支點(diǎn)位置及不同厚度路基處的受力狀態(tài)。

3）鋼軌傾翻試驗(yàn)

對(duì)軌道結(jié)構(gòu)同時(shí)施加垂向、橫向荷載，分析新研發(fā)扣件的防鋼軌傾翻性能，掌握軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4）軌枕荷載彎矩試驗(yàn)

在只施加垂向荷載、垂向和橫向荷載同時(shí)作用、單根軌枕同時(shí)承受垂向和橫向荷載3 種工況下，研究軌枕承受的荷載彎矩，驗(yàn)證軌枕強(qiáng)度及其對(duì)35～40 t軸重軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 軌道結(jié)構(gòu)剛度

軌道整體剛度定義為當(dāng)一個(gè)集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉位移所對(duì)應(yīng)的集中荷載大小。根據(jù)軌道整體剛度定義，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)只需測(cè)出輪重和對(duì)應(yīng)的鋼軌垂向位移即可得到軌道結(jié)構(gòu)整體剛度。軌道結(jié)構(gòu)剛度測(cè)試時(shí)，對(duì)2股鋼軌同時(shí)施加垂向荷載，同時(shí)分別測(cè)試2 股鋼軌內(nèi)外側(cè)的垂向位移，將每股鋼軌的2個(gè)垂向位移分別取平均值作為該股鋼軌最終的垂向位移。軌道結(jié)構(gòu)靜剛度D的計(jì)算式為

式中：P1，P2為垂向荷載，P1取50 kN，P2取400 kN；S1，S2分別為與垂向荷載P1，P2對(duì)應(yīng)的鋼軌垂向位移。

3 個(gè)測(cè)次得到的軌道結(jié)構(gòu)剛度實(shí)測(cè)值分別為160.9，160.6，161.7 kN/mm，平均值為161.0 kN/mm。

4.2 荷載垂向傳遞性能

在荷載垂向傳遞試驗(yàn)中，通過對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加指定垂向荷載，可測(cè)得輪軌作用力、枕上支點(diǎn)壓力、枕下0.55 m位置基床表層壓應(yīng)力、枕下0.95 m位置基床壓應(yīng)力。枕上支點(diǎn)壓力通過測(cè)得的墊板變形量與軌下墊板荷載-位移曲線相比對(duì)得出。通過預(yù)先埋入路基的分布式壓應(yīng)力傳感器可測(cè)得基床壓應(yīng)力數(shù)據(jù)，測(cè)試所取面積為24 cm×24 cm。由于壓應(yīng)力傳感器是在路基施工時(shí)埋入，實(shí)尺軌道模型的路基及道床鋪設(shè)好后未受到擾動(dòng)，因此測(cè)得的數(shù)據(jù)具有較大的參考價(jià)值，可以為軌道結(jié)構(gòu)和路基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)，分2 種工況進(jìn)行加載。第1 種工況下實(shí)尺軌道結(jié)構(gòu)模型施加的垂向荷載為350 kN，此時(shí)作用于單股鋼軌的垂向荷載為175 kN；第2 種工況下施加的垂向荷載為400 kN，此時(shí)作用于單股鋼軌的垂向荷載為200 kN。荷載垂向傳遞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2?？芍?，在垂向荷載為350 kN時(shí)，枕上支點(diǎn)壓力為67.6 kN，枕下0.55 m 位置基床表層壓應(yīng)力為196.0 kPa，枕下0.95 m位置基床壓應(yīng)力為2.5 kPa；在垂向荷載為400 kN時(shí)，枕上支點(diǎn)壓力為76.9 kN，枕下0.55 m位置基床表層壓應(yīng)力為217.0 kPa，枕下0.95 m 位置基床壓應(yīng)力為3.2 kPa。

表2 荷載垂向傳遞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.3 防鋼軌傾翻性能

防鋼軌傾翻性能與扣件扣壓力大小、彈條彈程、軌下墊板彈性等諸多因素有關(guān)［4-6］，在鋼軌橫向位移一定范圍內(nèi)保持軌道橫向彈性也有利于減緩輪對(duì)的橫向沖擊，增強(qiáng)防鋼軌傾翻性能。如果扣件防鋼軌傾翻性能差，最直接的影響就是動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量過大。在鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》［7］中對(duì)軌道動(dòng)態(tài)不平順管理值有明確規(guī)定，其中動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量在Ⅱ級(jí)舒適度標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)不大于8 mm，因此，本試驗(yàn)中將鋼軌傾翻量為4 mm 時(shí)鋼軌不傾覆且能夠保持橫向彈性變形狀態(tài)作為判別扣件能夠通過防鋼軌傾翻性能試驗(yàn)的依據(jù)。

對(duì)35～40 t 軸重軌道結(jié)構(gòu)實(shí)尺模型進(jìn)行防鋼軌傾翻性能試驗(yàn)時(shí)，對(duì)2 股鋼軌先后施加350，400 kN 垂向荷載（由35，40 t軸重引起的荷載），同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)位置鋼軌施加向外的水平荷載。監(jiān)測(cè)施加的水平荷載并同時(shí)測(cè)試相鄰的第1—第3 個(gè)支點(diǎn)處的鋼軌軌頭橫向位移。鋼軌傾翻試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表3?？芍?種工況鋼軌橫向位移達(dá)到4 mm 所需的水平荷載分別為154，165 kN，對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)分別為0.88，0.83，此時(shí)扣件仍保持完好狀態(tài)，軌道結(jié)構(gòu)仍是橫向彈性變形狀態(tài)，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，說明扣件具有良好的防鋼軌傾翻性能。

表3 鋼軌傾翻試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.4 軌枕荷載彎矩

軌枕在現(xiàn)場(chǎng)有多種受力狀態(tài)。在直線區(qū)段，軌道結(jié)構(gòu)所受橫向力較小，此時(shí)軌枕只承受垂向作用力；在曲線地段，軌道結(jié)構(gòu)同時(shí)承受垂向和橫向作用力，此時(shí)軌枕同時(shí)承受垂向和橫向荷載；在軌枕兩側(cè)都有空吊的情況下，此時(shí)相當(dāng)于單根軌枕承受鋼軌傳遞來的作用力［8］。在室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)中，為了模擬這3種工況，設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方案，以驗(yàn)證軌枕所承受的荷載彎矩是否在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。對(duì)于40 t軸重軌枕設(shè)計(jì)軌下正彎矩為29.23 kN·m，枕中負(fù)彎矩為-22.6 kN·m。

4.4.1 軌道結(jié)構(gòu)只承受垂向荷載

通過MTS 試驗(yàn)機(jī)均勻緩慢地施加分級(jí)荷載，并記錄每一個(gè)荷載等級(jí)下軌枕軌下截面和枕中截面測(cè)試通道的應(yīng)變。通過軌枕彎矩標(biāo)定系數(shù)換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。軌枕彎矩隨垂向荷載變化曲線見圖1。

圖1 軌枕彎矩隨垂向荷載變化曲線

由圖1可知，對(duì)于鋪設(shè)的實(shí)尺軌道結(jié)構(gòu)模型，在支承狀態(tài)不變的情況下只施加垂向荷載，則隨著垂向荷載的增加，軌下截面及枕中截面荷載彎矩基本呈線性增加的趨勢(shì)，且隨軸重增加軌下截面荷載彎矩增加較快。當(dāng)垂向荷載為350 kN 時(shí)，軌下枕頂側(cè)面、軌下枕底側(cè)面、枕中頂面、枕中底部側(cè)面彎矩值分別為10.8，11.5，2.8，4.3 kN·m；當(dāng)垂向荷載為400 kN時(shí)，軌下枕頂側(cè)面、軌下枕底側(cè)面、枕中頂面、枕中底部側(cè)面彎矩值分別為12.5，12.7，3.1，4.7 kN·m。

4.4.2 垂向、橫向荷載同時(shí)作用

試驗(yàn)時(shí)先在軌道結(jié)構(gòu)上施加固定的垂向荷載，然后通過鋼軌軌頭向軌道結(jié)構(gòu)均勻緩慢地施加橫向荷載，直至鋼軌軌頭橫向位移達(dá)到4 mm。記錄同時(shí)施加垂向、橫向荷載時(shí)軌枕軌下截面和枕中截面測(cè)試通道的應(yīng)變。通過軌枕彎矩標(biāo)定系數(shù)換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。

鋼軌橫向位移為4 mm 時(shí)的軌枕彎矩試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表4。垂向荷載為400 kN時(shí)軌枕彎矩隨橫向荷載變化曲線見圖2。

表4 鋼軌橫向位移為4 mm時(shí)的軌枕彎矩試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖2 垂向荷載為400 kN時(shí)彎矩隨橫向荷載變化曲線

由表4和圖2可知，當(dāng)施加一定的垂向荷載時(shí)，軌下截面及枕中截面彎矩均達(dá)到一定數(shù)值；施加橫向荷載小于60 kN 時(shí)，各截面彎矩?cái)?shù)值變化不大；橫向荷載大于60 kN 且逐漸增加時(shí)，軌下截面彎矩開始減小，枕中底部彎矩開始隨橫向荷載增加而增加。

4.4.3 單根軌枕彎矩試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)在單根軌枕上組裝好扣件，放置垂向力與橫向力之比為2∶1 的加力架，對(duì)加力架施加垂向荷載，最大垂向荷載為225 kN，此時(shí)最大橫向荷載為112.5 kN。記錄軌枕軌下截面和枕中截面測(cè)試通道的應(yīng)變，并換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。垂向、橫向荷載作用在單根軌枕時(shí)軌枕彎矩變化曲線見圖3?？芍?，單枕狀態(tài)下，隨荷載增加，軌下、枕中截面彎矩均近似線性增加。當(dāng)垂向荷載為225 kN、橫向荷載為112.5 kN時(shí)，軌下枕頂側(cè)面、軌下枕底側(cè)面、枕中頂面、枕中底部側(cè)面彎矩分別為9.7，9.6，8.2，4.1 kN·m。

圖3 垂向、橫向荷載作用在單根軌枕時(shí)軌枕彎矩變化曲線

4.4.4 軌枕荷載彎矩試驗(yàn)小結(jié)

從3種工況的試驗(yàn)結(jié)果來看：①軌下枕頂側(cè)面、軌下枕底側(cè)面彎矩最大值分別為12.5，12.7 kN·m，發(fā)生在軌道結(jié)構(gòu)只施加400 kN 垂向荷載的情況下；②枕中頂面彎矩最大值為8.2 kN·m，發(fā)生在單根軌枕彎矩試驗(yàn)中，此時(shí)垂向荷載為225 kN，橫向荷載為112.5 kN；③枕中底部側(cè)面彎矩最大值為11.7 kN·m，此時(shí)軌道結(jié)構(gòu)垂向荷載為400 kN，橫向荷載為165 kN。

由以上結(jié)果可知，對(duì)于重載軌枕在垂向荷載單獨(dú)作用、垂向和橫向荷載耦合作用等不同的荷載組合工況下，軌下截面彎矩以及枕中截面彎矩均有一定的安全余量，軌枕強(qiáng)度能夠滿足35～40 t 軸重鐵路的承載要求。

5 結(jié)論

1）結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)及已有的研究成果，提出了35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)方案：68 kg/m 鋼軌無縫線路，適應(yīng)40 t 軸重的彈條有螺栓扣件或彈條無螺栓扣件，適應(yīng)40 t 軸重的2.6 m 長(zhǎng)混凝土軌枕，特級(jí)或一級(jí)材質(zhì)、一級(jí)級(jí)配道砟，砟肩寬度400～500 mm，無砟肩堆高，道床邊坡1∶1.75，道床厚度350 mm。

2）在35～40 t軸重實(shí)尺軌道模型中，測(cè)得軌道結(jié)構(gòu)剛度為161.0 kN/mm，獲得了35，40 t 軸重荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)及路基不同部位的荷載作用值，在垂向荷載分別為 350，400 kN 時(shí)，枕上支點(diǎn)壓力、枕下 0.55 m 位置基床表層壓應(yīng)力、枕下0.95 m 位置基床壓應(yīng)力分別為 67.6 kN、196 kPa、2.5 kPa 和 76.9 kN、217 kPa、3.2 kPa。

3）依據(jù)鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》中動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量在Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下不大于8 mm 的要求，將鋼軌傾翻量為4 mm 時(shí)鋼軌不傾覆且能夠保持橫向彈性變形狀態(tài)作為判別扣件能夠通過防鋼軌傾翻性能試驗(yàn)的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，施加350，400 kN 垂向荷載時(shí)，鋼軌橫向位移達(dá)到4 mm 所需的水平荷載分別為154，165 kN，此時(shí)軌道結(jié)構(gòu)仍處于橫向彈性變形狀態(tài)，且扣件保持完好狀態(tài)，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，說明扣件具有良好的防鋼軌傾翻性能。

4）在對(duì)軌道結(jié)構(gòu)只施加垂向荷載、垂向和橫向荷載同時(shí)作用、單根軌枕同時(shí)承受垂向和橫向荷載3 種工況下，測(cè)得軌下枕頂側(cè)面、軌下枕底側(cè)面彎矩最大值分別為12.5，12.7 kN·m，枕中頂面彎矩最大值為8.2 kN·m，枕中底部側(cè)面彎矩最大值為11.7 kN·m。對(duì)于重載軌枕在垂向荷載單獨(dú)作用、垂向和橫向荷載耦合作用等不同的荷載組合工況下，軌下截面彎矩以及枕中截面彎矩均有一定的安全余量，軌枕強(qiáng)度能夠滿足35～40 t軸重重載鐵路的承載要求。