重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道混凝土轨枕的研制

与设计

重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道混凝土轨枕的研制

曹凤洁

(中铁十四局集团北京中铁房山桥梁有限公司，北京102400)

摘要：长枕埋入式无砟轨道在重载铁路上应用优势明显，研制混凝土轨枕产品非常必要。根据长枕使用的

特殊性进行特殊外形设计、配筋计算，特别对长枕截面的静载抗裂能力做了简化计算，确认其抗弯能力的储备 情况，采用两种设计方案对比选出最优方案，通过检验静载试验抗弯能力、观测后期的收缩变形等，确认了设 计产品能够满足重载铁路无砟轨道线路的使用。介绍轨枕生产的工艺流程和关键技术，产品外观质量、静载 抗弯性能满足技术要求，可在重载铁路线路上推广使用。

关键词：重载铁路无砟轨道混凝土长枕配筋设计;静载抗裂能力 DOI： 10. 13219/j. gjgyat. 2017. 04. 004

中图分类号：U213. 34 文献标识码：A 文章编号=1672-3953(2017)04-0011-06

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随着我国国民经济的飞速发展，铁路以其运输 量大、准时、高效，受到广大消费者的青睐，特别是运 距远、运输量大的煤炭采用重载列车运输，效率更 高。而运煤通道多在深山、峡谷中穿行，部分隧道地 质条件差，洞身穿越破碎带，易发生较大变形和初支 侵限，且部分隧道内地下水发育丰富、存在高地应 力，这不仅给隧道及轨道结构施工带来困难，同时也 不利于线路后期运营维护，因此隧道内采用无砟轨 道结构是一个很好的选择。

在线路穿行过程中，通常桥隧紧密相连，为了保 持轨道的一致性，桥上也采用无砟轨道结构，而相对 于其他无砟轨道形式而言，长枕埋人式无砟轨道以 其整体性好、轨距保持能力强、方便适应基本轨、护 轨双重布置等优点[1]，在重载铁路桥上应用优势较 为明显，因此研制此产品十分必要。

粘结，同时施工时要求从长枕的大孔侧浇注混凝土， 确保侧孔内的混凝土灌注密实。另外，轨枕端面预应 力钢丝外露，以进一步增强轨枕与道床板的连接。

1.1 外形设计

根据规范要求，对于桥上长枕埋人式无砟轨道 需要设置护轨，现有标准文件要求桥上长枕中护轨

与基本轨头部间距为500 mm，且护轨顶面不得高 于基本轨顶面5 mm，也不得低于基本轨顶面25 mm。重载铁路使用的基本轨为75 kg/m钢轨，护 轨采用60 kg/m钢轨，由于两种钢轨的高度差别， 为满足线路要求，轨枕设计的外形如图1所示。

1

混凝土轨枕的设计

从图2可以看出，传统的轨枕设计，枕中截面较 低，承轨台部位截面较高，预应力钢丝张拉中心在混 凝土中心的下部，利于轨枕承轨台处承受正弯矩、中 间截面承受负弯矩的线路要求。研制轨枕由于线路 条件的限制，基本轨承轨台部位低于中间截面高度， 与轨枕要求的静载试验承载能力相反，为完成该产 品的研制，设计人员进行了产品承载能力及钢丝位置的计算。

1.2 配筋设计

收稿日期=2017-05-30

作者简介：曹凤洁（1971—），女，教授级高级工程师，主要从事预

长枕埋人式无砟轨道混凝土轨枕通常配套使用

WJ-12型扣件，即在长枕内预埋铁座，作为钢轨扣件 的固定结构。在承轨面范围内设置1 : 40轨底坡，满 足钢轨安装的需要。为满足埋人式长枕与道床的整 体性，长枕侧面设置预留孔，预留侧孔为锥形，一侧直 径为70 mm、另一侧直径为50 mm。道床板施工时， 采用纵向钢筋穿过预留孔的布置来增强新老混凝土

制混凝土轨枕、桥梁及大型混凝土构件研发工作。838499106@qq.

本线路运营时列车竖向荷载是设计计算时考虑

的主要荷载，运营列车最大轴重300 kN，竖向设计 荷载标准值朽=3巧=450 kN。式中：A为静轮

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2 500

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p

i-------4^0------;

310

&—

^

f#C>1

425

,275

/6个锥形侧孔，大孔070 mm,小孔 050 mm

图2

普通轨枕立面图（单位：mm)

重，为设计静轴重的一半。根据长枕在线路上运营

时的荷载，通过ANSYS有限元计算（图3)可知，桥上 埋人式长枕轨下截面所受的正弯矩最大值为6. 81 kN • m，枕中截面负弯矩最大值为6. 58 kN • m。

受拉边缘的弹性抵抗矩。

根据《混凝土结构设计规范KGB50010—2010) 由预加力产生的混凝土抗压应力公式10.1. 6-1:办.= NP()/A。士NP。. w/J。. ：v。。式中：JVP。为构件预加 力;A。为换算截面面积。为换算截面重心至预加 力作用点的距离；I。为换算截面惯性矩以。为换算 截面重心至所计算纤维处的距离。

根据截面尺寸计算得到，混凝土截面换算截面

(a)纵向

图3

（b)横向面积A。= 56 460 mm2，换算截面形心至截面下边 缘的距离:y。= 103 mm，则预应力钢筋合力作用点 对截面形心的偏心距^。= 8 mm，截面对形心的惯 性矩7。= 205 709 648 mm4，截面受拉边缘的弹性 抵抗矩 W。= 1 997 210 mm3。

预应力钢丝张拉力为= 348 kN,则预加力 产生的混凝土抗压应力为〜=7. 56 N/mm2;轨枕 拆模时的混凝土标准强度为45 MPa,则厶=2. 51 N/mm2;综合考虑截面形状取y = 1.75,则

=

23. 9 kN • m。根据《混凝土轨枕静载抗裂试验方

桥上长枕埋入式无砟轨道结构有限元模型

初步设计埋人式长枕的配筋采用8根07 mm 螺旋肋钢丝，为研究中间截面高度的增加对桥上埋 人式长枕的影响，特进行了两种结构方案设计。

1.2.1 方案一

方案一产品设计如图4所示。钢丝总张拉力为 348 kN，产品静载试验值设为轨下截面正弯矩170 kN • m、枕中截面负弯矩为110 kN • m时，能够满 足线路要求。

强钢筋卜229

法》(TB/T1879—2002)规定，检验荷载F与检验弯 矩M的关系由下式确定：F= 7.273Mp

折算成静载试验时可承受的检验荷载为174 kN • m。与轨下设计静载试验力比较，安全系数为

〇

|

280

(a)轨下截面

图4

(b)枕中截面

174 kN • m/170 kN • m=l. 02。

(2)枕中截面静载抗裂正弯矩检算。截面顶面 宽229 mm,底面宽280 mm,截面高度为260 mm。 根据截面尺寸计算得到，混凝土截面换算截面面积 A。= 67 616 mm2，换算截面形心至截面下边缘的 距离^ = 125 mm，则预应力钢筋合力作用点对截 面形心的偏心距〜。=30 mm，截面对形心的惯性 矩J。= 372 811 554 mm4，截面受拉边缘的弹性抵 抗矩 W。= 2 982 462 mm3。

预应力钢丝张拉力为N™ = 348 kN，则预加力 产生的混凝土抗压应力为& = 1.65 N/mm2。混凝 土标准强度按45 MPa计算，则/*= 2. 51 N/mm2。 综合考虑截面形状取7 = 1. 75,则

12

方案一预应力钢筋布置（单位：mm)

(1)轨下截面静载抗裂正弯矩检算。由于轨下截 面为变截面，采用支点下截面进行简化计算，截面顶 面宽239 mm、底面宽280 mm，截面高度为212 mm。

根据《混凝土结构设计规范KGB50010—2010) 预应力混凝土构件正截面开裂弯矩计算公式7. 2. 3-6:

=(〜+y/rt)W。。式中：Mtr为预应力混凝

土构件正截面开裂弯矩;为扣除全部预应力损失 后，由预加力在抗裂验算边缘产生的混凝土抗压应 力为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数;h 为混凝土轴心抗拉强度标准值;W。为构件换算截面

= 18. 0 kN . m。

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钢筋网片，以增加混凝土抗裂性能。

为验证上述理论计算的正确性，做了以下有关试验。

折算成静载试验时可承受的检验荷载为131 kN • m。与轨中设计静载试验力比较，安全系数为 131 kN • m/110 kN • m=l. 19。

以上数据显示，轨枕的静载抗弯安全系数均较 小，特别是轨中截面抗弯主要依靠混凝土上部截面 的抗拉力。

1.2.2 方案二

为增加轨中截面的抗弯性能，改善轨中截面抗 弯能力由混凝土抗拉性能承担的情况，特与设计人 员沟通将钢筋丝位向轨枕顶面方向调整5 mm，因 该轨枕用于无砟轨道线路上，承受的弯矩较小，因此 将钢丝的总张拉力调整到200 kN(如图5)。产品静 载试验值设为轨下截面110 kN • m、枕中截面80 kN • m时，能够满足线路要求。

补强钢筋L 229

239

2

试验内容与分析

2.1 静载抗裂强度试验

按照《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》

(TB/T 1879—2002)及《30吨轴重重载铁路隧道内 长枕埋人式无砟轨道用混凝土轨枕技术条件KQ/ CR 509 — 2016)的规定进行静载抗裂强度试验。静 载示意图如图6、图7所示。表1为两种方案针对 不同截面进行静载试验的试验结果。

^

1 o

-图6

^ ~|

'O,

〇

、

I

,280

,

o

Ho

1

,280

静载试验轨下正弯矩加载方式（单位：mm)

(a)轨下截面

图5

(b)枕中截面

◎

〇 '•

方案二预应力钢筋布置（单位：mm)

按照上面的计算方法可计算出，方案二轨下截

面抗裂弯矩Mp = 16. 5 kN • m，折算成静载试验时 可承受的检验荷载为120 kN • m，与设计静载试验 承载力相比为120 kN • m/110 kN • m=l. 09。枕 中截面抗裂弯矩= 16. 9 kN • m，折算成静载试 验时可承受的检验荷载为123 kN，与设计静载试验 值相比安全系数为123 kN • m/80 kN . m=l. 54。

从以上2种方案可以看出，截面的抗弯能力均 能满足设计静载试验值的要求，但安全系数均较小， 轨下截面尤为突出，但轨下截面的抗弯力基本由预 应力钢丝承受，承载力稳定；且在轨枕生产时，随着 混凝土截面的增加，抗裂性能也会增强。轨中截面 的部分抗弯能力是由混凝土的抗拉力承受，受混凝 土强度的影响很大，施工时要严格控制，才能满足产 品的要求。对比两种方案，方案二的安全系数大、施 工方便，因此采用方案二的设计。

方案一中，轨枕中间截面钢丝以上有115 mm 的高度没有钢筋，方案二中110 mm没有钢筋，为素 混凝土，本部分结构在线路上列车荷载通过时承受 负弯矩，混凝土可能出现拉应力，成为受力的薄弱 点，因此在两种方案中护轨承轨台处均增加了补强

13

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f\\图7

静载试验轨中负弯矩加载方式（单位：mm) 表1

方案

类型

静载试验结果kN«m

检验荷载

开裂荷载

备注满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求满足要求

I

截面位置

枕中截面负弯矩

100

方案一

轨下截面正弯矩

170

枕中截面负弯矩

80

力系一•

轨下截面正弯矩

110

125

115109205230240205>17095>80>80185185>110>110>110

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每种类型的桥上长枕埋人式无砟轨道用混凝 土轨枕拱度测量选取3根，自脱模时开始进行跟 踪观测。

参照《有砟轨道混凝土岔枕》（TB/T3080— 2014)中对岔枕上拱的测量方法，对桥枕的上拱度进 行跟踪观测，测量图式如图8所示。每种类型测量 时间点为：脱模后 〇 h、24 h、48 h、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d。测量时应对每根轨枕做编号和测量位置标 记，每次针对每种轨枕在同一位置测量，详细记录测 量时间及测量结果。为了与既有轨枕的拱度进行直 观对比，本次试验过程中还选取了一组同期生产的 新m型桥枕进行对比观测试验。

测量基准点

结实细尼龙线或钢棒

由试验结果可以看出，方案一中中间截面弯矩

的保险系数最小为9%，方案二中负弯矩的保险系 数最小为（95 — 80) kN . m/80 kN . m = 18. 75%， 验证了方案二更有利于轨枕的受力。

2.2

预应力偏心对轨枕拱度影响试验

由于本次设计的桥枕在中间位置加高了截面， 导致轨枕中间部分的预应力偏心值较大，因此开展 本项试验工作。本项试验通过对桥上长枕埋人式无 砟轨道混凝土轨枕中间截面的上拱度开展跟踪观 测，分析预应力偏心对桥枕中间截面初始拱度和徐 变上拱的影响。2.2.1 试验方法

2.2.2 试验结果

不同类型长枕及新m型桥枕的拱度跟踪测量对 比结果如表2所示。由跟踪测量的结果可以看出：

(1)

(3) 方案二，由于向上调整了预应力的丝位，同

时降低了张拉力，桥上长枕埋人式无砟轨道混凝土 轨枕的中间部分上拱现象明显减小，测量结果中出

现下挠的现象，主要是由于轨枕自重、制造偏差及测 由于模型的加工偏差、轨枕的制造公差、测

量误差等原因导致。量误差等原因，测量结果存在一定的离散性。

(2) 总体来看，桥上长枕埋人式无砟轨道混凝土 (4) 对比测量的新m型桥枕，不同模型制造的产 轨枕的方案一，中间部分有上拱的现象，脱模60 d 后，上拱的最大值为1. 8 mm，后期相对稳定。

表2

枕型

编号

品测量结果有所不同，但总的上拱或下挠的量值在

1. 0 mm以内。

脱模后时间

拱度现场测量结果mm

方案一

方案二

新m型桥枕

1#2甘3#1#2#3#1甘2#3甘

_Oh

01.01.0-0. 10-0. 60-1.00

24 h0. 51.51.0-0. 1_0. 5-0. 60. 25-0.75-0. 2548 h01.01.0-o. 10-o. 60一1.003d01.51.0一 0. 2一 0. 5一 0. 50-1.01.07 d1.01.20一 0. 50一 0. 50一 1. 5014 d1.01.00. 5_0. 5_0. 200-1.01.028 d0. 51.51.0一 0. 5一 0. 2-0.70-1.01.060 d0. 81. 81. 5-0.70-0.70.5-1.00. 5

一

90 d

0. 51.71.4

///

0. 5-0. 70.2

注：正值代表轨枕中间部分相对于两端上拱，负值代表轨枕中间部分相对于两端下挠。

2.3 疲劳试验

对该产品进行了疲劳试验，试验结果符合设计 要求，能够满足线路使用条件。

3

混凝土轨枕生产关键技术

因研制长枕用于重载铁路桥上，具有外形尺寸

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作用在模具上，拆模前放张，将应力导人硬化后的混 凝土轨枕中，放张时轨枕的位移量为模具内裸露部 分钢丝的收缩与混凝土轨枕受压的收缩。在模具设 计时，预埋件固定装置周围预留钢丝放张时轨枕移 动的空间，避免轨枕滑动时预埋件与钢模具磕碰造 成预埋件周围混凝土开裂，影响产品质量。

3.3

侧孔的定位

要求严、扣件预埋件施工复杂、配件数量多、中间截 面承载力安全系数小等特点，施工工艺复杂、精度控 制困难，所以需要对其生产技术予以重视。

埋人式长枕的生产采用机组流水生产工艺。主 要工艺流程为:模型清理后喷涂脱模剂4钢丝人模 —安装预埋铁座并将专用装置固定—张拉预应力钢 丝—箍筋、螺旋筋、承轨台补强钢筋网片及配件（包 括侧孔成孔器)安装—混凝土灌注及振动成型—拆 卸橡胶隔板、清边、清槽—人养护坑进行养护—养护 完成—钢丝放张—拆模、断筋—长枕成品。

3.1

承轨台补强钢筋网片的安装

侧孔成孔器采用专用装置。安装侧孔成孔器 时，手握定位杆把手，将其从模型两侧预留孔插人， 尾部伸人模型中部的预留孔内，保证挡板紧贴模型， 用螺母将其逐一紧固在模型上。

通过以上关键技术控制，生产出的产品外观质 量、静载抗弯性能满足产品技术要求。

补强钢筋网片对称安装在长枕中部承轨台上部， 纵、横向钢筋用钢丝绑扎牢固，并用补强钢筋网片固 定件将其固定在预应力钢丝上。补强钢筋网片及固 定件不得与橡胶棒、侧孔成孔器相碰，以免破坏轨枕 与外部的绝缘，铺设在线路上时影响线路的信号。

3.2

铁座的安装

4

结束语

两种产品方案的试制和检验结果表明，产品外

形尺寸及外观质量均能满足相关技术标准和设计提 出的要求，生产的关键工序能够满足产品质量的要 求。通过试验分析，方案二更宜控制产品变形，静载 试验、疲劳试验安全系数相对较大，能更好的满足产 品各种性能的需要。考虑到桥上长枕埋人式无砟轨 道混凝土轨枕在运营阶段埋置于混凝土道床板内， 与道床板共同受力，降低张拉力值有利于减少脱模 和放张过程中长枕所受到的阻力，便于生产制造，因 此在线路上采用方案二。该产品在重载铁路桥上应 用效果良好。

参考文献

[1]李明领.重载铁路隧道内无砟轨道结构选型设计与施工

关键技术[J].铁道建筑，2014(07^124-125

为在轨枕模具上方便、快捷安装预埋铁座，专门 设计了模型液压翻转设备。当模具在生产线上运行 到相应工位后，用翻转设备卡住模具边缘，通过翻转

液压装置将模具一侧抬高，当模具翻转45°时，液压 装置停止不动，工人在模型内侧将预埋铁座从模型 内部穿人到定位装置的橡胶垫内并控制预埋铁座的 位置，模型外侧的工人将预埋铁座与定位装置的定 位螺栓连接并安装紧固，防止预埋铁座歪斜下沉，安 装就位后将模具放回到生产线上继续运行。预埋铁 座固定采用专利技术（《重载轨枕预埋件固定装 置》），使轨枕预埋件安拆方便。

轨枕生产采用2X4模具，钢丝总长为11. 01 m，轨枕长度为2. 5 mX4 = l m，钢丝的预应力首先

On the Development of Concrete Sleepers for the Long Sleeper-Buried

Non-Ballasted Track of the Heavy-Load Railway

CAO Fengjie

(Zhongtie Fangshan Bridge Co. Ltd. of the 14th Bureau Group of China Railway,Beijing 102400,China)

Abstract： As the long sleeper-buried non-ballasted track has obvious advantages in its application to heavy-load railways, it is very necessary to develop concrete sleeper products. The special shape of the long sleeper is designed according to the speciality of the use of the long sleeper，the arrangement of the reinforcement of the long sleeper is calculated and especially，the capability of the static anti-cracking of the crosssection of the long sleeper is briefly calculated, with its anti-bending capability reserve tes­tified. Two design schemes are compared»upon the basis of which the optimal scheme is finally chosen. Through the static load tests the anti-bending capability is examined» and the shrinkage deformation at the later stages is observed，upon the basis of which it is testified that the designed product can meet the technical needs of the non-ballasted track of heavy load railways and therefore fit is fully applicable to heavy load railways. The technological process and key techniques of the (下转第 19 觅）

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•研究与设计• 无竖井纵向通风隧道通风效果影响因素研究陈雷

在8:00〜10:00、14:00左右和17:00〜19:00，其变 化见图8,可以发现隧道内C0浓度与车流量具有 一'定正相关关系。

注:

7 000 馨 6 000

5 000 5 4 000 # 3 000 2 000』 10001

4

结论

(1)

无竖井纵向通风隧道内CO浓度沿程线性

-东西线车流量; -西东线车流量；

-全线车流量

8 000

9 000

增大，表明隧道长度是隧道通风效果主要影响因素 之一，无竖井纵向通风隧道越长，隧道末端CO浓度 越大，通风效果越差。

(2)

分析测试结果发现隧道内车流量也是隧道

通风效果影响因素之一。车辆在隧道内行驶会提供 活塞风，但同时也排放污染物，车流量的峰值也是 C0浓度的峰值。由此可见汽车在隧道内行驶所提 供的活塞风对降低隧道内浓度的效果并不明显，在 高峰期需要开启射流风机加强隧道内通风效果，从 而达到降低隧道内CO浓度的目的。

试验测试所得结论与《公路隧道通风照明设计 规范》一致，对今后的隧道设计与运营管理工作具有 一定的参考价值。

参考文献

[1] 陈雷.隧道短道通风效果影响因素CFD模拟研究[J].

洁净与空调技术，2016(02): 17-21

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路隧道通风设计细则:

0

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30

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00\"一00He注：+第1次测试值;|第2次测试值;

00H隧道内车流量随时间变化曲线

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i—H

i—H

i—H

i—H

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JTG/TD70/2-02[S].北京：人民交通出版社，2014

[3] 阮武忠孝.南京市臭氧和PM2. 5浓度的变化特征及其室

内外（I/O)比例关系研究[D].南京：南京大学，2016

时间/h

图8

隧道内CO浓度变化

由此可见隧道在交通压力高峰期间应打开风机 加强通风，从而降低隧道内污染气体浓度。

[4] 胡清华.武汉东湖隧道通风方案研究[J].暖通空调，2016

(05)：22-26

A Study of the Ventilation-Effect-Affecting Factors of

Longitudinal Ventilation Tunnels with No Shaft

CHEN Lei

(The Engineering Design and Research Institution of the Navy of the PLA,Beijing 100071,China)

Abstract： The ventilation-effect-affecting factors of the longitudinal ventilation tunnel with no shaft are studied by means of ex­perimental methods in the paper. With the Xuanwu Lake Tunnel in Nanjing chosen as the object of our test,and the rational test schemes worked out, the distribution law of the concentration of the pollutants in the tunnel is obtained through the analysis of the data?according to the result of which it is concluded that the length of the tunnel and the traffic flow have the greatest effect on the concentration of CO in the tunnel. The result of our reasearch may help guide the design and the management of the oper­ational of other longitudinal ventilation tunnels with no shaft in the future.Key words： longitudinal ventilation tunnel with no shaft；concentration of pollutants；experimental test；distribution law

(上接第 15 瓦）sleeper are introduced in the paper, the quality requirements for its appearance and the requirements for its

static anti-bending performance also dealt with in the paper. It is fully proved that the long sleeper can be popularized in heavy load railways.Key words： heavy-load railway；non-ballasted track；long concrete sleeper；design of reinforcement；static load cracking resistance

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