尤瑞林，范 佳，刘伟斌，杜香刚

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

30 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究

尤瑞林，范 佳，刘伟斌，杜香刚

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

结合我国重载铁路的运营特点，在前期研究成果的基础上，开展了30 t轴重重载铁路混凝土轨枕的设计、试验研究工作，并按照北美铁路工程和维修协会(AREMA)的相关规定进行对比分析。研究结果表明:新型重载轨枕能够满足30 t轴重线路的承载性能要求，同Ⅲ型枕相比，轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩承载能力分别提高了18.5%和23.3%;新型重载轨枕能够满足国内标准及AREMA的相关试验要求，且具有较大安全余量，表明其达到北美重载线路用混凝土轨枕的承载水平。

30 t轴重 混凝土轨枕 AREMA 结构设计 试验研究

近年来，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，已被国际上公认为铁路货运发展的方向。重载铁路发展过程中，增加轴重是一个重要的技术方向，世界上部分国家在重载铁路中已开始运营30 t轴重以上的重载列车，取得了一定的经验。我国重载铁路以运营25 t轴重列车为主，尚缺乏30 t轴重以上线路的运营经验。由于重载列车速度的提高、轴重及运量的增加，相应地增大了对线路的作用，使得在大轴重、高密度的运营条件下，轨道结构伤损增加，线路设备病害发生和发展速度加快。近年来多次线路调查结果表明，我国重载线路上铺设的混凝土轨枕出现一定程度的伤损，主要形式包括挡肩破损、轨枕轨下及中间截面横向裂纹等。

目前，我国既有线路上大量铺设的Ⅲ型及Ⅱ型轨枕设计轴重为25 t。随着重载铁路轴重和年运量的增加，轨枕的承载性能及疲劳寿命将有所降低。因此，从铁路技术长期发展的角度考虑，有必要开展适用于30 t及以上轴重的重载轨枕研究设计，从而更好地满足大轴重线路的运营条件。

我国自1956年研制出预应力混凝土轨枕以来，无论是铺设数量、产品系列、质量控制还是技术标准都有长足的发展。在轨枕发展过程中不断积累经验，形成了包括设计、制造、检验、铺设及养护维修等方面的整套技术体系［1-5］。其中，在轨枕研究设计环节，铁科院在总结前期研究成果的基础上编制了《预应力混凝土轨枕设计方法》［6］(以下简称设计方法)，该方法指导了我国Ⅲ型系列轨枕、新Ⅱ型轨枕、Ⅲ型系列桥枕以及客运专线有砟轨道岔枕的研究设计工作，是目前我国混凝土轨枕设计中广泛采用的行业参考方法。

北美铁路工程和维修协会手册是北美铁路工程和维修协会主编的用于指导铁路结构及部件设计、养护、维修的行业标准(以下简称AREMA)［7］。AREMA自1905年第一版发行以来，不断更新完善，成为北美地区乃至全球范围内有影响力的行业标准。在AREMA第30章中规定了混凝土轨枕的设计方法及相关技术要求，依据该方法设计的轨枕在北美重载线路中广泛应用。

本次开展30 t轴重重载轨枕的研究设计，将结合我国重载铁路的运营特点，在前期研究成果的基础上，依据国内成熟的设计方法开展结构设计。为与北美重载铁路轨枕的性能作对比分析，在重载轨枕设计过程中，也将参考AREMA的相关要求进行计算分析和试验研究。

1 轨枕垂直动压力

1.1 中国设计方法

我国设计方法规定轨枕垂直动压力Rd按下式计算

式中:γ为轮重分配系数;P0为静轮重，kN;α为综合动载系数。

对于30 t轴重重载铁路，静轮重P0为150 kN。轮重分配系数与钢轨类型、轨枕间距、车轮轴距以及钢轨基础弹性模量或钢轨支座刚度等参数有关。根据弹性点支座上等截面连续长梁模型的计算结果，同时考虑钢轨及轨枕沿线路纵向支承状态不均匀，偏于安全，按照单根轨枕失效计算出轮重分配系数为0.494。式中综合动载系数α是用以反映轮轨的不平顺状态，轨枕的不均匀支承或失效支承等不确定工况所引起的综合动力效应，设计中取为1.5。将以上各参数取值代入式(1)，得到轨枕垂直动压力为185 kN。

1.2 北美AREMA

AREMA也规定了轮重分配系数及动载系数的取值方法。AREMA认为轮重分配系数虽然也受到车轮轴距、钢轨支座刚度以及钢轨模量等因素的影响，但针对北美铁路实际特点，以上各因素影响较小，因此轮重分配系数仅表示为轨枕间距的函数，偏于保守规定图1所示的取值标准［7-8］。

按照我国轨枕常用的600 mm间距配置，查图得到轮重分配系数为0.493。另外，AREMA规定用于预估车轮和钢轨不平顺动态效应的动载系数为2.0，因此，按照30 t轴重考虑，得到轨枕垂直动压力为222 kN。

图1 轮重分配系数的取值

2 轨枕荷载弯矩计算

2.1 中国设计方法

我国轨枕设计方法对于荷载弯矩计算规定了4种不同的道床反力图式，一般情况下普通线路轨下截面和中间截面荷载弯矩计算图式如图2所示。

图2 轨下和枕中截面荷载弯矩的计算图式

由图2中的道床反力计算图式，轨枕轨下截面正弯矩设计值Mg按下式计算

中间截面负弯矩设计值MZ按下式计算

将Rd=185 kN及其他相关参数代入上式计算，同时考虑轨枕中部底面宽度小于轨下底面实际支承宽度的情况，将Mg的计算值增加约8%，MZ的计算值减小约10%，得到轨下截面正弯矩设计值为22.21 kN·m，中间截面负弯矩设计值为-17.44 kN·m。

另外，根据国外重载轨枕的使用经验及我国重载线路现场调研情况，重载铁路特殊区段，如曲线地段、长大坡道及车辆制动地段，线路受到的横向力较大，导致枕中截面受到的负弯矩荷载增加，枕中横向裂纹出现较多。因此在本次重载轨枕设计时考虑较大横向力的影响，对枕中截面荷载弯矩予以增加。

在特殊区段，通常情况下列车运行时会采取限速等措施，列车垂向动力影响会有所降低，同时考虑垂向力和横向力的工况下，适当降低垂直动压力。本次重载轨枕设计中，轨枕承受较大横向力(70 kN)的同时，垂直动压力取130 kN。经计算，由于横向力导致中间截面产生的负弯矩为-9.45 kN·m;同时垂直动压力产生的中间截面负弯矩为-11.8 kN·m，得到轨枕中间截面负弯矩设计值为-21.25 kN·m。

综合以上计算分析结果，30 t轴重重载轨枕设计时，轨下截面正弯矩设计值为22.21 kN·m，中间截面负弯矩设计值为-21.25 kN·m。

2.2 北美AREMA

北美AREMA中给出长度为2.36，2.44，2.59和2.74 m4种轨枕在不同间距条件下的轨下截面正弯矩基准值(如图3所示)。

需要指出的是，图3中给出的基准值是基于260 kN垂直动压力计算得到的。根据我国30 t轴重线路的运营条件，上文计算得出的垂直动压力为222 kN，因此需依据图3，进行相应换算。对于我国重载轨枕，长度为2.6 m，间距按600 mm配置，按图3所示标准经换算后得到轨下截面正弯矩基准值为28.76 kN·m。

对于上述轨枕荷载弯矩基准值，考虑速度和年运量的影响，应乘以安全系数，按下式计算

式中:M为乘以安全系数后的轨下截面正弯矩，kN·m; B为由图3得出的特定长度轨枕轨下截面正弯矩基准值，kN·m;V为由图4得出的速度系数;T为由图4得出的年运量系数。

图3 轨下截面正弯矩基准值

图4 通过总重系数及速度系数

根据我国重载线路运营特点，按最大运营速度100 km/h、年运量＞75 M t计，取速度系数V为0.9，年运量系数T为1.1。将相关参数取值代入式(4)得轨下截面正弯矩设计值M为28.47 kN·m。

除轨下截面正弯矩设计值外，轨下截面负弯矩、中间截面正弯矩及负弯矩设计值按一定比例计算得到，其中对于长度2.6 m的轨枕按表1计算。另外，AREMA也针对轨下部分底宽大于中间截面的情况，规定轨下截面及中间截面正弯矩提高10%，相应的中间截面负弯矩降低10%。修正后各截面弯矩设计值如表1所示。

表1 AREMA荷载弯矩计算kN·m

对比国内设计方法与AREMA计算结果可以看出:国内设计方法中轨枕荷载弯矩值主要考虑轨下截面正弯矩及中间截面负弯矩，而AREMA对两个关键截面的正负弯矩值都进行了计算。国内设计方法计算得到的轨下截面正弯矩值小于AREMA的计算值，中间截面负弯矩值相对高于AREMA的规定值。

需指出的是，由于世界各国在混凝土轨枕设计时，轨枕荷载弯矩计算都与各自材料强度取值、混凝土结构设计理论以及轨枕设计的约束条件等因素相匹配，仅比较荷载弯矩值是不全面的。如:北美轨枕设计时，承载强度计算采用的混凝土强度为标准强度值，而我国轨枕设计采用的是考虑一定材料分项系数折减后的设计强度值。

因此，各国轨枕设计过程中都遵循各自设计经验性和连续性原则，不同时期设计不同类型的轨枕，均是在总结前期应用情况的基础上进行优化提高，而相关计算方法和计算条件不会做较大的变动。这样有助于有针对性地优化轨枕设计，更准确地把握新型轨枕的设计参数和承载能力，也有利于各类型轨枕在基本一致的基础上进行对比分析。

本次30 t轴重重载轨枕荷载弯矩值仍按我国设计方法计算确定。同时，对于设计完成的轨枕也按照AREMA进行相关试验研究，从而更加直观地了解与国外重载轨枕性能之间的差异。

3 重载轨枕设计方案

重载轨枕混凝土强度等级为C60，预应力钢丝极限抗拉强度σb=1 570 kN/mm2，其余设计参数如预应力钢丝松弛率、抗拉强度设计值以及混凝土抗压强度设计值、48 h强度等级、抗拉标准值、抗拉设计值、受拉区混凝土塑性影响系数等参数均按我国设计方法的规定取值。另外，在设计计算中考虑养护时温差、墩头内缩、钢丝松弛等因素对钢丝预应力损失的影响。

设计完成的重载轨枕的型式尺寸及配筋如表2及图5所示。

表2 重载轨枕型式尺寸及配筋

图5 重载轨枕型式尺寸及配筋(单位:mm)

根据轨枕外形尺寸及配筋设计，计算出轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩承载能力分别为22.57 kN·m和-21.33 kN·m，承载能力满足荷载弯矩的要求。同Ⅲ型枕相比，重载轨枕的轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩承载能力分别提高了18.5%和23.3%。

4 室内试验研究

4.1 中国铁路标准

我国铁路行业标准中对轨枕的技术要求、试验方法、检验规则、标志及储运等方面作了规定。我国轨枕静载抗裂及疲劳强度试验项目包括轨下截面正弯矩及中间截面负弯矩两个力学参数，试验方法按照《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》［9］及《预应力混凝土枕疲劳试验方法》［10］两个铁道行业标准执行。标准中规定的静载和疲劳试验的加载图式基本相同，其中轨下截面及中间截面静载试验图式见图6和图7。

图6 轨下截面正弯矩静载试验图式(单位:mm)

图7 中间截面负弯矩静载试验图式(单位:mm)

目前，我国轨枕类型可划分为Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型系列，各种类型轨枕的检验荷载值根据其自身的设计特征计算确定，目前Ⅲ型轨枕检验荷载值最大。将本次设计的重载轨枕与Ⅲ型轨枕的检验荷载值对比如表3所示。

表3 中国标准规定的检验荷载值kN

针对重载轨枕的设计方案进行产品试制，并依据上述铁道行业标准开展了室内力学性能试验，试验结果表明重载轨枕能够满足检验标准的要求，且有较大安全余量。

4.2 北美AREM A

AREMA中对轨枕的力学性能也规定了相关室内试验项目，但与我国铁路标准有所不同。AREMA除要求对轨下截面的正弯矩和中间截面的负弯矩进行静载试验外，还要求对轨下截面的负弯矩及中间截面的正弯矩进行静载试验;但疲劳试验仅针对轨下截面正弯矩进行检验。按照AREMA的规定，在静载抗裂试验中，轨下截面负弯矩、正弯矩以及中间截面负弯矩、正弯矩的加载图式分别如图8至图11所示。

图8 轨下截面负弯矩静载试验图式

图9 轨下截面正弯矩静载试验图式

图10 中间截面负弯矩静载试验图式

AREMA规定力学试验的荷载值根据荷载弯矩的计算值换算获得。对于本次设计的重载轨枕，结合上节计算得到的荷载弯矩值，按AREMA的规定得出的荷载检验值如表4所示。

图11 中间截面正弯矩静载试验图式

表4 AREM A规定的检验荷载值kN

由于中国铁路标准与AREMA所规定力学性能试验的加载图式有所不同，无法通过检验值的大小直接进行对比。因此，统一将两种标准的检验荷载值换算为弯矩值(见表5)。

表5 中国及AREM A检验弯矩值对比kN·m

通过表5的对比可以看出，本次重载轨枕轨下截面正弯矩检验值稍高于AREMA，而中间截面负弯矩检验值提高更为显著。这与设计初衷是相符的，通过国内外使用情况调研以及与美国铁路相关领域交流了解，中间截面负弯矩荷载是导致重载铁路中混凝土轨枕出现伤损的重要原因，其中北美地区这种伤损类型更为明显。因此，重载铁路轨枕设计适当提高中间截面负弯矩的承载能力是合理的。

根据检验荷载的计算结果，按照AREMA规定的图式进行了室内试验。结果表明，轨下截面及中间截面的正、负弯矩静载试验结果均满足标准要求，轨下截面正弯矩疲劳试验结果也满足标准的要求，且具有较大安全余量。另外，按照AREMA的规定还开展了预应力钢丝黏结力发展及轨枕承轨面磨损试验，试验结果均满足要求。

综合以上试验结果可知，本次设计的30 t轴重重载轨枕能够满足AREMA规定的各项力学性能指标，达到了北美地区重载线路用混凝土轨枕的承载水平。

5 结论

本文结合我国重载铁路的运营特点，分别按照国内相关标准及AREMA的规定对30 t轴重重载铁路用混凝土轨枕开展了设计及试验研究，主要结论如下:

1)通过轨枕垂直动压力以及荷载弯矩的计算结果分析对比可以看出，由于材料强度取值、结构设计理论等方面不同，国内方法与AREMA计算得出的荷载弯矩值不具直接对比意义。

2)按我国设计方法，30 t轴重重载轨枕的设计垂直动压力为185 kN，在设计中考虑横向荷载的影响，确定轨下截面正弯矩设计值为22.21 kN·m，中间截面负弯矩设计值为-21.25 kN·m。

3)新型重载轨枕承载能力满足30 t轴重线路荷载弯矩的要求，同Ⅲ型枕相比，轨下截面正弯矩和中间截面负弯矩承载能力分别提高了18.5%和23.3%。

4)通过国内标准与AREMA中试验要求对比可看出，国内外轨枕检验要求及试验方法有一定的差异，经换算对比，新型重载轨枕轨下截面正弯矩检验值稍高于AREMA，而中间截面负弯矩检验值提高更为显著。

5)分别按照国内标准及AREMA的规定对新型重载轨枕开展了室内试验研究，试验结果均满足相关要求，具有较大安全余量，表明新型轨枕能够满足30 t轴重线路运营条件，且达到北美地区重载线路用混凝土轨枕的承载水平。

［1］卢祖文.我国铁路混凝土轨枕的现状和发展［J］.中国铁路，2006(6):8-11.

［2］陈秀方.轨道工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］蔡小培，曲村，高亮.国内外高速铁路桥上有砟轨道轨枕结构研究现状分析［J］.铁道标准设计，2011(11):5-11.

［4］李斌，刘学毅.混凝土轨枕抗力的影响因素及其计算方法研究［J］.铁道学报，2011(6):94-98.

［5］杨宝峰，于春华.铁路轨枕现状及发展［J］.铁道工程学报，2007(2):36-40.

［6］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.TY-083预应力混凝土轨枕设计方法［R］.北京:中国铁道科学研究院，1994.

［7］American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association(AREMA).AREMA Manual for Railway Engineering［S］.Lanham，Maryland:AREMA，2011.

［8］FREUDENSTEIN S.Concrete Ties Designed for High Dynamic Loads［C］//AREMA 2007 Annual Conference Proceedings.Landover，Maryland:American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association(AREMA)，2007.

［9］中华人民共和国铁道部.TB/T 1879—2002预应力混凝土枕静载抗裂试验方法［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［10］中华人民共和国铁道部.TB/T 1878—2002预应力混凝土枕疲劳试验方法［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

Study on design of prestressed concrete sleeper suitable for 30 t axle load heavy haul railway

YOU Ruilin，FAN Jia，LIU Weibin，DU Xianggang
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Considering of the operation characteristics of heavy haul railway in China，based on previous research，design and test on concrete sleepers for 30 t axle load heavy haul railway were carried out.The performance of this type of concrete sleepers was analyzed according to the relevant requirements of American Railway Engineering and Main tenance-of-Way Association(AREMA).The results show that the concrete sleeper developed is able to ensure the bearing performance of the targeted vehicle，at the same time the bearing capacity of the positive bending moment at the sub-rail cross section and that of the negative bending moment at the mid-rail cross section are improved by 18.5%and23.3%respectively，compared with the type Ⅲ sleeper.Therefore，the sleeper developed-with safety allowance for any possible incidenceis in compliance with China's technical standard and meets the requirement of AREMA.It can be concluded that in terms of its bearing capacity，the piece is on the same par with concrete sleepers current used in the heavy haul railway system in North America.

30 t axle load;Concrete sleeper;AREMA;Structural design;Experimental research

U213.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.25

1003-1995(2015)01-0113-06

(责任审编 赵其文)

2014-09-20;

2014-11-25

尤瑞林(1986—)，男，安徽宿州人，助理研究员，硕士。