代 丰,杨吉忠,杨文茂,蒋 尧

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

引言

我国山地资源丰富多样、生态环境优势明显，实现山地资源可持续利用对构建山地经济体系和带动旅游产业发展具有重要的战略意义[1-3]。伴随旅游轨道交通的蓬勃发展，齿轨铁路因其地形适应能力强、土地资源占用少、载客运量大、能源消耗低和可实现与传统轮轨铁路的互联互通等优势，逐渐被广泛应用于旅游交通和山区支线等大坡度地段[4-9]。作为铁路轨道结构的重要组成部件，轨枕具有固定钢轨位置、传递列车荷载、保持钢轨轨距的功能。齿轨铁路轨枕既应兼顾普通轮轨铁路使用功能，还须为与列车齿轮啮合的齿条提供承力面，考虑到山区铁路服役环境复杂、养护维修困难，这对齿轨铁路轨枕的坚固性、耐久性等提出了更高的要求。

国内针对齿轨铁路轨枕研究尚处于起步阶段，主要包括国外齿轨铁路轨枕应用介绍[10-11]以及齿轨铁路无砟轨枕结构设计[12]。活性粉末混凝土是20世纪90年代法国BOUYGUES实验室研制的一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土材料[13-16]，具有优越的力学性能和高耐久性，在Sherbrooke步行桥、伊利诺伊州圆形屋盖、法国核电站冷却塔及我国青藏铁路冻土区桥梁等应用良好。新材料的应用是工程结构创新和发展的重要驱动力[17-18]，目前尚无活性粉末混凝土用之于铁路轨枕的相关研究。本文结合山地齿轨铁路的工程特点，通过分析齿轨铁路轨枕技术要求和活性粉末混凝土用于轨枕结构的性能特点和设计配比，提出齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构方案，并通过理论计算和室内试验研究了轨枕结构的力学性能，为满足齿轨铁路运营条件的轨枕结构创新提供参考。

1 齿轨铁路轨枕技术需求

齿轨铁路运营线路纵坡大且满足平地铁路与山地铁路无缝对接，对齿轨铁路轨枕提出了更高的技术要求。与普通铁路轨枕相比，齿轨铁路轨枕服役环境更为恶劣、运营条件更为复杂，齿轨铁路轨枕应满足以下技术要求。

1.1 轨排结构稳定性保持能力

当列车在齿轨线路上运行时，列车通过齿轮与齿条的啮合来传递牵引力和制动力，避免普通机车车辆在坡道线路黏着力不足的问题。普通铁路轮轨系统受黏着力限制，坡度最大不超过30‰，齿轨铁路最大运行线路坡度可达480‰[4，8]。大坡道铁路线路易造成道床阻力衰减和轨排稳定性降低，对齿轨铁路的行车安全性和平稳性具有重要影响，因此齿轨铁路轨枕应具有长期保持轨排结构稳定性的能力。

1.2 结构强度

齿轨铁路比普通铁路在轨道中间多设置1条或多条特殊的齿形轨道，通过与齿轨列车配置的1个或多个齿轮间啮合力传动。作为齿形轨道的承力结构，齿轨铁路轨枕结构受荷条件复杂，不仅承受齿形轨道的垂向荷载，且轨枕中部承受的纵向荷载较大，易引起轨枕混凝土纵贯性开裂，轨枕应具有较高的结构强度。

1.3 养护维修

齿轨铁路是一种登山铁路[5-6]，山地区域日温差大、气象多变，轨枕混凝土易承受频繁的冻融循环作用，形成冻融破坏，并伴随渗漏、碳化、土壤离子侵蚀等病害，复杂气候条件下的山地环境缩短了齿轨铁路的养护维修时间，要求轨枕应长期保持其使用功能。齿轨铁路轨枕应具有更高的耐久性，降低轨枕系统日常养护维修工作量。

1.4 抗震性能

山区铁路多位于地震活跃带，在地震力作用下混凝土结构易发生延性破坏，应提高结构构件的弯曲变形能力。齿轨铁路轨枕服役于地形、地质条件复杂的山区，应具有较好的韧性和变形能力，以保证地震荷载作用下轨枕系统的可靠性。

2 活性粉末混凝土性能特点

活性粉末混凝土是一种超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。该材料通过提高组分的细度与活性，最大程度减少材料内部的空隙与微裂纹，以获得超高强度与高耐久性。原材料活性组分由水泥、超细矿物活性粉末、石英砂(粒径小于1 mm)等构成，活性组分粒径在0.1 μm到1 mm之间。活性粉末混凝土研制遵循以下基本原则。

(1)通过采用细骨料代替粗骨料、增大浆体弹性模量、降低骨料与浆体的配比，改进基质的匀质性。

(2)通过优化原材料级配和用量选择，对新拌混凝土施加围压，提高混凝土拌和物的密实度。

(3)通过后凝固的热处理加速混凝土的火山灰效应，改变已形成的水化物的微观结构，改进活性粉末混凝土的微结构。

(4)通过掺入钢纤维，改进活性粉末混凝土的韧性，断裂能可达2×104～4×104J/m2。

(5)保持搅拌和浇筑尽可能与现有习惯做法接近，以利工程应用。

考虑工程实践易操作性和结构设计性能指标，确定最佳活性粉末混凝土的配合比取值范围如表1所示，不同强度等级活性粉末混凝土的主要性能指标如表2所示。

表1 活性粉末混凝土配合比取值 kg/m3

表2 活性粉末混凝土性能指标

3 齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构设计

3.1 设计基本参数

齿轨铁路面向山地旅游轨道交通设计，具有轴重小、速度低的特点，采用米轨铁路轨排结构，齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕设计基本参数如表3所示。

表3 齿轨铁路轨枕设计参数

3.2 轨枕结构设计

齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕按整体式预应力混凝土长轨枕设计，为增大横向抗力，考虑为有挡肩型式。以适应低速、小轴重线路国内应用成熟的Ⅱ型有挡肩轨枕为基础进行轨枕设计，充分利用活性粉末混凝土的材料特点，有效降低轨枕截面高度。设计的齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构包括轨枕、钢轨扣件预埋套管、齿轨扣件预埋套管等主要构件，结构尺寸如图1所示。齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构具有以下特点。

(1)轨枕中部设计平整，预留齿轨安装空间，承齿台侧面与轨枕顶面倒角顺接，倒角顺接角度168°。

(2)为充分发挥活性粉末混凝土的强度性能优势，轨枕混凝土采用RPC140混凝土，沿纵向双层配8根φ7 mm螺旋肋钢丝，总张拉力363 kN。

(3)沿轨枕纵向布13根箍筋，在承轨台挡肩处增设箍筋，以增大挡肩横向承载能力。

(4)钢轨和齿轨扣件预埋套管在轨枕两端及承齿台中部分别对称布置。

(5)轨枕最大截面高度为160 mm，较常规Ⅱ型轨枕截面高度降低约30%。

图1 齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构(单位：mm)

4 齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕力学性能

齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构承载能力达标是保证超高性能混凝土轨枕服役期内安全可靠的基础。经计算，在考虑最大运行线路坡度为120‰条件下，轨枕纵向受荷19 kN，相比垂向荷载小得多[19]，故本文从理论计算和室内试验两个方面，着重对齿轨铁路轨枕结构垂向承载能力进行分析。

4.1 理论分析

4.1.1 轨枕荷载弯矩

齿轨列车荷载通过钢轨作用于轨枕，承轨部分的垂直压力按式(1)计算。

Rd=γ·(1+α)·P0

(1)

式中Rd——轨枕枕上动压力；

γ——重分配系数；

α——综合动载系数。

轨枕轨下截面和枕中截面荷载弯矩计算图示如图2所示。

图2 轨枕荷载弯矩计算图示

轨下截面最大正弯矩由式(2)计算。

(2)

式中Ks——轨枕设计系数；

a1——钢轨中心线至枕端的距离；

e——一股钢轨下轨枕全支承长度；

b′——钢轨底宽。

枕中截面最大负弯矩由式(3)计算。

(3)

式中l——轨枕长度。

4.1.2 钢筋预应力损失

根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定，计算混凝土轨枕的预应力损失。

(1)张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的应力损失σl1由式(4)计算。

(4)

式中α——张拉锚具变形和预应力钢筋内缩值；

l——张拉端至锚固端之间的距离。

(2)对于钢筋与管道的摩擦引起的应力损失σl2，由于设计方案选用无粘结预应力钢丝，则σl2=0；

(3)对于当采用蒸汽或其他方法加热养护，由于钢筋和张拉台座之间的温差引起的应力损失σl3由式(5)计算。

σl3=2Δt

(5)

式中 Δt——混凝土加热养护时，预应力钢筋与承受拉力的设备之间温差。

(4)预应力钢筋松弛引起的预应力损失σl4由式(6)计算。

(6)

式中σcon——控制张拉应力；

fptk——预应力钢筋张拉强度标准值。

(5)混凝土收缩和徐变引起的应力损失σl5由式(7)计算。

(7)

式中σpc——受拉区预应力钢筋合力点处的混凝土法向压应力；

ρ——预应力钢筋和普通钢筋的配筋率。

4.1.3 轨枕静载抗裂弯矩

(1)轨下截面

(8)

其中

(9)

式中σpe——轨下截面下边缘由预应力产生的混凝土法向应力；

Npe——考虑钢筋预应力损失的预应力钢筋合力；

A0——轨下截面换算截面面积；

e0——轨下截面预应力钢筋合力作用点对截面形心的偏心距；

I0——轨下截面惯性矩；

yd——轨下截面换算截面形心至下边缘的距离；

ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值；

W0——轨下截面换算截面抗弯截面系数。

(2)枕中截面

(10)

其中

(11)

h′——枕中截面高度；

4.1.4 轨枕疲劳承载弯矩

(1)轨下截面

(12)

式中ft——混凝土轴心抗拉强度设计值。

(13)

式中h——轨下截面高度。

(2)枕中截面

(14)

(15)

4.1.5 轨枕破坏承载弯矩

由于轨枕截面高度较小，预应力钢筋均匀对称布置，且轨枕截面配筋率偏高，根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定，由式(16)计算轨下截面破坏承载正弯矩和枕中截面破坏承载负弯矩。

fc·bi·x=fpy·Ap

(16)

4.1.6 轨枕试验荷载

轨枕静载抗裂试验荷载F和疲劳试验荷载Fmax，分别依据TB/T 1879—2002《混凝土轨枕静载抗裂试验方法》和TB18778—2002《预应力混凝土轨枕疲劳试验方法》，由式(17)和式(18)计算。

F=7.273Mcr

(17)

Fmax=1.05F

(18)

4.1.7 计算参数及结果

齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕混凝土采用RPC140混凝土，其计算参数如表4所示。预应力钢筋采用高强螺旋肋钢丝，其计算参数如表5所示。

表4 轨枕混凝土计算参数 MPa

表5 预应力钢筋计算参数 MPa

根据前述轨枕承载能力计算方法及计算参数，得到齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕承载力学性能指标如表6所示。

表6 轨枕承载力学性能指标

4.2 室内试验

为对照理论计算结果验证齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕承载力学性能，在满足轨枕疲劳承载能力的条件下，因轨枕轨下截面和枕中截面破坏承载弯矩与疲劳承载弯矩之比均大于2，故在试制齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕后，只进行轨枕静载抗裂和疲劳强度试验[20]。

室内试验环境温度和相对温度分别控制在(10～18) ℃和(41～52)%，3根试验样品用于静裂试验，6根用于疲劳试验。轨枕试验荷载基于理论计算结果适当放大，齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕静裂试验荷载轨下和枕中截面分别取值110 kN和90 kN，疲劳试验荷载轨下和枕中截面分别取值110 kN和85 kN。室内试验过程如图3和图4所示。

图3 轨下截面静载抗裂试验

图4 轨枕裂缝检验

轨枕静载抗裂试验结果显示，在试验荷载持荷3 min后，试验轨枕均未产生裂缝。轨枕疲劳强度试验结果显示，试验轨枕经200万次疲劳循环荷载后卸荷，亦未发生裂缝。可见齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构满足承载能力要求。

5 结论

根据山地齿轨铁路的运营特点，分析了齿轨铁路轨枕的技术需求，研究了活性粉末混凝土用于齿轨铁路轨枕结构的性能特点和配比取值，通过理论计算和试制试验对比分析了齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕结构的力学性能，得到结论如下。

(1)山地齿轨铁路轨枕应满足轨排结构稳定性保持能力、较高的结构强度、易于养护维修、较好抗震性能的技术需求。

(2)活性粉末混凝土具有超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的材料特点，在齿轨铁路领域有着良好的应用前景，设计配比可用于齿轨铁路轨枕结构。

(3)采用RPC140混凝土，8根φ7 mm螺旋肋钢丝双层配筋，截面高度160 mm的齿轨铁路活性粉末混凝土轨枕设计可满足12 t设计轴重、40 km最大时速的齿轨铁路承载能力要求，从技术经济性考虑，轨枕结构还可进一步优化。