宋立國(guó)

（中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京102400）

1 引言

河北省唐山市及唐山市周邊存在許多的鐵礦廠，如遷安、遷西，遵化等地區(qū)，包括灤南馬城最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)較大規(guī)模的鐵礦廠，這些鐵礦廠多采用900mm 軌距的非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土枕，但隨著科技的進(jìn)步，采礦能力的提升，這種非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土枕已經(jīng)不能滿足承重要求，發(fā)生了大量的破壞和裂縫，增加了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，并且存在著嚴(yán)重的安全隱患。唐山分公司為了解決這一現(xiàn)狀，并結(jié)合自己混凝土構(gòu)件的豐富預(yù)制經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了這種900mm 預(yù)應(yīng)力混凝土礦用軌枕，通過對(duì)混凝土枕施加預(yù)應(yīng)力，可以增強(qiáng)其抗壓抗折能力，從而提高混凝土軌枕的使用壽命，并且能夠減輕混凝土的質(zhì)量，方便其施工，并能滿足其各方面力學(xué)性能。

2 結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算條件

馬蘭莊礦山鐵路使用的電力機(jī)車的運(yùn)行速度為3m/s，地下礦山鐵路的彎道數(shù)量很多?？紤]到與鐵路線性部分相比彎曲部分的復(fù)雜特性，該設(shè)計(jì)采用了肩枕的形式。此次設(shè)計(jì)的900mm 預(yù)應(yīng)力礦用軌枕各部尺寸如圖1 所示。軌下：高度為129.4mm，上部寬度為157.7mm，下步寬度為190mm；軌中：高度為120mm，上部寬度160mm，下部寬度190mm；承軌部位：長(zhǎng)度為305mm，并采用1∶40 的坡度設(shè)計(jì)，預(yù)留孔上空直徑45mm，預(yù)留孔中心距軌槽板坡底腳間距為45.5mm；軌枕全長(zhǎng)1600mm；總質(zhì)量98kg，設(shè)計(jì)軌距為900mm。采用預(yù)應(yīng)力鋼絲為4φ7mm 高強(qiáng)度螺旋肋鋼絲，為加強(qiáng)其性能，加裝7 個(gè)φ6mm 封閉式箍筋。鋼軌類型為P38 鋼軌，扣件類型為70 型彈條扣件。

圖1 礦用預(yù)應(yīng)力混凝土枕外形尺寸（單位：mm）

唐山分公司目前生產(chǎn)的軌枕產(chǎn)品型號(hào)為XII、IIIA、XIIIQ以及一般線路岔枕，雙塊式軌枕、和重載埋入式長(zhǎng)針等，這些軌枕均采用流水線作業(yè)形式，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，生產(chǎn)效率較高，日產(chǎn)能達(dá)1 500 根，故此次設(shè)計(jì)礦用軌枕也采用C60混凝土，出池強(qiáng)度達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，即45MPa 時(shí)方可出池，從而進(jìn)行下一道工序，重復(fù)生產(chǎn)[1]。

3 設(shè)計(jì)荷載的計(jì)算

3.1 軌下承載部位的垂直壓力

在軌道承重部分之下的垂直壓力開采領(lǐng)域中使用的電力機(jī)車的質(zhì)量為14t，礦車的滿載質(zhì)量為19.7t。計(jì)算負(fù)載在最不利的位置確定。

軌下承載部位的垂直壓力Rd為：

式中，γ 為輪重分配系數(shù)，一般取γ≤0.5，這里取最大值0.5；α為綜合動(dòng)載系數(shù)，重載軌道為1.5，其他軌道為1.0，這里取1.0；P0為靜輪重即 60kN，代入數(shù)據(jù)得 Rd＝60kN。

3.2 軌枕截面的正負(fù)彎矩

根據(jù)枕下與枕中道床支承反力圖（見圖2），計(jì)算礦枕截面的正負(fù)彎矩。

圖2 枕下道床支承反力（單位：mm）

3.2.1 軌下截面的正彎矩

軌下截面道床支承反力見圖2a。

3.2.2 枕中截面負(fù)彎矩

軌中截面道床支承反力見圖2b。

首先計(jì)算枕底反力 q：60kN×2＝（0.625m×2）q＋0.35m（0.75q），則 q＝78.87kN/m。

枕中截面負(fù)彎矩：

另經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，軌枕下面道床頂面受到的壓應(yīng)力為：

式中，σ2為壓應(yīng)力；S底為底面截面積之和。

代入數(shù)據(jù)得 σ2=0.39MPa＜[σ2]=0.5MPa（[σ2]為道床頂面允許壓應(yīng)力）。

4 材料力學(xué)相關(guān)參數(shù)

礦用預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C60，放張脫模強(qiáng)度45MPa；

預(yù)應(yīng)力鋼絲采用高強(qiáng)螺旋肋鋼絲，直徑φ7mm；

5 靜載抗裂彎矩計(jì)算

在機(jī)車運(yùn)行過程中，軌下直接受力，承受正彎矩，向下彎曲，而軌中截面產(chǎn)生負(fù)彎矩，向上彎曲，因此，應(yīng)對(duì)該軌枕的軌下與軌中分別進(jìn)行正負(fù)彎矩計(jì)算。

5.1 軌下截面靜載抗裂正彎矩

軌下截面尺寸如圖3 所示。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力鋼筋總截面面積：Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構(gòu)件換算截面積構(gòu)件換算截面積（A0）為 23 204.6mm3，截面靜矩（S0）為1 179 617.93mm3。

換算截面形心至截面下邊緣的距離y下=S0/A0=50.83mm。

偏心距 e0＝50.83mm-50mm＝0.83mm（50mm 為型心中心）。計(jì)算得：

慣性矩 I0＝26 440 492.1mm4

有效預(yù)應(yīng)力 σpe＝（1036-100）N/mm2＝936N/mm2

Npe＝936N/mm2×154mm2=144 174.8N

截面下邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力：

軌下截面抗裂彎矩Mcr=（σpc+1.75ftk）W0（ftk為混凝土軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值，截面受檢邊緣的彈性抵抗矩W0＝5 602 284mm3）。計(jì)算得 Mcr=10.17kN·m。

5.2 軌中截面靜載抗裂負(fù)彎矩

軌中截面尺寸如圖4 所示。

圖3 軌下截面（單位：mm）

圖4 枕中截面圖（單位：mm）

預(yù)應(yīng)力鋼筋總截面積：Ag=154mm2。鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值構(gòu)件換算截面積構(gòu)件換算截面積（A0）21 708mm2，截面靜矩（S0）1 019 420mm3。

y下=S0/A0=46.96mm

e0＝46.96mm-50mm＝-3.04mm

I0=21 947 191.91mm4

法向應(yīng)力

5.3 檢驗(yàn)荷載的確定

根據(jù)TB/1879—2002《混凝土軌枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》的規(guī)定，檢驗(yàn)荷載 F 與檢驗(yàn)彎矩 Mcr的關(guān)系為：F＝7．273Mcr。同時(shí)根據(jù)MT/T375.3—1994《礦用菱鎂混凝土制品》考慮靜載支點(diǎn)間距 L軌下=280mm，L軌中=680mm，最終的靜載抗裂檢驗(yàn)值確定為：F軌下＝87.28kN，F(xiàn)枕中＝24kN。

疲勞試驗(yàn)最大荷載值取為：Fmax＝1．05F，經(jīng)計(jì)算，軌下截面疲勞試驗(yàn)最大荷載為91.64kN；枕中截面疲勞試驗(yàn)最大荷載25.2kN，均滿足要求[2]。

6 破壞設(shè)計(jì)承載力計(jì)算

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，在滿足截面疲勞承載力設(shè)計(jì)前提下，其承載力強(qiáng)度安全系數(shù)都在2.0 以上，滿足使用中軌下110kN，軌中25kN。

7 結(jié)語(yǔ)

為了滿足不斷增長(zhǎng)的采礦領(lǐng)域需求，這次設(shè)計(jì)了采礦軌道。重新設(shè)計(jì)了軌枕，并將原來的鋼筋混凝土軌枕更改為預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）可以大大提高軌枕的實(shí)際承載能力，使礦井的運(yùn)輸效率提高50%；

2）和之前的非預(yù)應(yīng)力混凝土礦枕相比，此次設(shè)計(jì)的礦枕截面尺寸更小，質(zhì)量更輕，方便施工，還能節(jié)約成本。

由于對(duì)混凝土枕施加了預(yù)應(yīng)力，其各方面力學(xué)性能均高于前者，使用壽命更長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用更低。