陳 成，王 威，芮 瑞，李建峰，王曉壯，唐子桉

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

引言

有砟軌道是我國軌道形式之一，在列車循環(huán)荷載作用下軌枕與道床相互作用，道床劣化、不均勻沉降及軌道變形等災(zāi)害頻繁發(fā)生。軌枕-道砟相互作用主要體現(xiàn)在軌枕-道床垂向作用、道床橫向阻力及道床縱向阻力3個方面。道床變形與垂向應(yīng)力三次方成正比；道床橫向阻力主要由3部分組成，軌枕底面提供30%～40%，軌枕側(cè)面與枕心道砟摩擦占比15%～20%，砟肩橫向阻力為30%～50%[1]。因此，對軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化是改變軌枕-道砟相互作用的有效措施。

國內(nèi)外學(xué)者在優(yōu)化軌枕結(jié)構(gòu)、減少道床劣化、提高軌道性能等方面進行了大量研究。杜香剛等[2]對既有Ⅲa型混凝土軌枕進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進行了道床橫向阻力計算、道床壓應(yīng)力計算，分析得到Ⅲa+型混凝土軌枕兩項指標分別提高了35.7%和降低了4%；井國慶等[3]對既有Ⅲc型混凝土軌枕進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計了在軌枕承軌臺兩端加混凝土塊使其截面變寬、在軌枕中間部位加混凝土塊構(gòu)成“十”字形、在軌枕承軌臺底部加混凝土塊使其變厚的3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的框架軌枕；井國慶等[4]對梯形軌枕橫向抗力進行了現(xiàn)場試驗，將梯形軌枕與傳統(tǒng)Ⅲc型軌枕進行對比分析，得到在有砟軌道上應(yīng)用梯形軌枕可大幅度降低道砟用量與軌道占地面積的結(jié)論；KOIKE等[5]對不同型號混凝土軌枕進行了單軌枕拉拔試驗和軌道面板拉拔試驗，拉拔試驗結(jié)果揭示了枕木形狀、枕木間距和枕木數(shù)量對側(cè)阻力的影響，根據(jù)模型試驗結(jié)果，提出了一種評價軌枕側(cè)阻力的新的數(shù)值方法；BECK等[6]對德國自1980年起鋪設(shè)的“Y”形軌枕使用效果進行了分析，發(fā)現(xiàn)使用該軌枕的軌道能夠很好地保持線路幾何形狀，絕大部分軌道在長期荷載作用下沉降均勻，無需維護；GUERRIERI等[7]設(shè)計了一種新型整體式抗側(cè)移軌枕，該軌枕通過在端部下方加設(shè)側(cè)向擋塊，提供了更大的橫向阻力，能夠提供一種“夾緊作用”；ZAKERI等[8]在混凝土軌枕底部設(shè)置摩擦條紋并與未設(shè)置摩擦條紋的軌枕進行橫向抗力試驗對比，軌枕增加摩擦條紋后可大幅提高軌枕的橫向抗力，使軌枕-道砟體系更加穩(wěn)定；HAYANO等[9]對改變軌枕形狀后有砟軌道橫向抗力變化進行了研究，并提出翼形軌枕，不僅增大了軌枕與道砟的接觸面積，也有效利用了枕間道砟，改善了軌枕與道砟的相互作用。目前，國內(nèi)也有異形軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化的專利，侯學(xué)杰等[10]公開了側(cè)面與底面增加凹、凸結(jié)構(gòu)部件或其他防滑塊的防滑軌枕，旨在通過增大道砟與軌枕接觸面的摩擦系數(shù)，達到緩解軌枕在使用過程中的滑移現(xiàn)象；陳成等[11]公開了一種適用于列車轉(zhuǎn)彎處的寬度成階梯變化的異形軌枕，將軌枕沿外軌方向的縱截面加寬使枕下道砟單位面積受力減小，起到保護轉(zhuǎn)彎處道床的效果。

上述關(guān)于軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究存在以下不足：①軌枕結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)條形軌枕基礎(chǔ)上做細小改動，大部分仍為“一”字形；②優(yōu)化后的軌枕仍為一體式結(jié)構(gòu)，不能根據(jù)鋪設(shè)條件靈活改變；③優(yōu)化效果單一，優(yōu)化后的軌枕在改善軌道環(huán)境和減小鋪設(shè)成本方面效果欠佳。鑒于此，為增大軌枕側(cè)摩阻力和端阻力，提高軌枕抗側(cè)移能力和穩(wěn)定性，對傳統(tǒng)條形軌枕進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出一種X形可調(diào)間距混凝土軌枕。對該軌枕的結(jié)構(gòu)特點、軌枕制作、道床維護和材料用量進行分析。同時，通過有限元數(shù)值模擬對比了X形軌枕與傳統(tǒng)軌枕在循環(huán)荷載下的豎向、側(cè)向變形以及軌枕應(yīng)力分布。

1 新型裝配式X形軌枕特點

1.1 可拼裝拆卸結(jié)構(gòu)

本研究自主設(shè)計了一種可調(diào)間距X形抗滑動軌枕發(fā)明專利[12]由4部分組成，分別是上軌枕結(jié)構(gòu)、下軌枕結(jié)構(gòu)、橡膠墊和緊固扣件。上、下軌枕結(jié)構(gòu)接觸圓盤中間設(shè)有橡膠墊，可在裝配時減少上、下軌枕盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦阻力。緊固扣件由螺栓、螺母和保護套組成，安裝時將軌枕預(yù)調(diào)成所需角度，將螺栓穿入圓盤預(yù)留孔后擰緊螺母，以此固定軌枕相對位置，并將保護套扣在螺母上方，防止螺栓在惡劣環(huán)境下被侵蝕，從而影響軌枕整體強度和耐久性?？善囱b拆卸結(jié)構(gòu)使軌枕的運輸、堆放更加便捷，可以在鐵路現(xiàn)場根據(jù)路基狀態(tài)選擇合適的檔位進行現(xiàn)場拼裝鋪設(shè)，降低施工成本。裝配式X形軌枕的各部件如圖1所示。為更加直觀地展示該軌枕，利用打印機打印的上、下部軌枕拼裝后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 裝配式X形軌枕組成

圖2 3D打印軌枕模型

1.2 軌枕間距可調(diào)節(jié)性

軌枕間距大小與每千米鋪設(shè)的軌枕根數(shù)有關(guān)。軌枕每千米的鋪設(shè)標準應(yīng)根據(jù)運量、行車速度及線路設(shè)備條件等綜合考慮，以求在最經(jīng)濟的條件下，軌道具有足夠的強度和穩(wěn)定性[13]。目前，除部分Ⅰ級鐵路及Ⅱ級鐵路采用570 mm軌枕間距外，其余全部采用600 mm間距進行鋪設(shè)[14]。為提高軌枕的抗側(cè)移、穩(wěn)定性以及節(jié)約成本，在以上標準間距基礎(chǔ)上，將X形軌枕設(shè)計成600，700，800 mm三檔。即沿一根鋼軌方向上的相鄰兩個鋼軌安裝槽之間的距離分別為600，700，800 mm，與距離對應(yīng)，沿同一鋼軌方向X形夾角分別為45.4°、52°和58.3°。每種角度對應(yīng)一種標記，調(diào)整軌枕間距時可將上、下部軌枕旋轉(zhuǎn)至所需標記處，并利用緊固件將其固定，不同間距軌枕等軸示意及標記如圖3所示。

圖3 不同間距軌枕安裝示意(單位：mm)

軌枕間距改變的同時，預(yù)留道釘插孔位置也相應(yīng)發(fā)生改變。當軌枕從Ⅰ檔位旋轉(zhuǎn)至Ⅲ檔位過程中，軌下墊板也相應(yīng)替換，共設(shè)計3種寬度墊板以滿足不同軌枕間距要求。3種軌枕間距下軌距均為1 435 mm。通過調(diào)節(jié)軌枕間距使軌枕適用范圍更加廣泛，有效增大軌枕與枕間、肩部道砟的接觸面積，使軌枕在行車方向和側(cè)向的抗滑動能力大大提高，減少因軌枕滑動產(chǎn)生的道砟松散、破碎，保證列車安全平穩(wěn)運行，提高道床的穩(wěn)定性和養(yǎng)護維修周期。Ⅱ檔位下扣件安裝示意如圖4所示。

圖4 Ⅱ檔位扣件安裝示意

2 裝配式X形軌枕制作

2.1 鋼筋配置方案

由于現(xiàn)行軌枕的配筋方案均基于靜載試驗和軌道現(xiàn)場試驗確定，垂直動壓力、各截面彎矩計算公式均是在現(xiàn)行混凝土軌枕大量試驗基礎(chǔ)上提出并設(shè)定的參數(shù)，并不一定適用于X形軌枕的計算。依據(jù)現(xiàn)行計算公式對X形軌枕垂直動壓力及設(shè)計彎矩進行計算，得出軌枕最大彎矩在中間圓盤處，參考重載鐵路Ⅳ形軌枕配筋方案，初步提出此配筋方案：受力筋沿X形軌枕每條邊配置12φ7 mm高強度螺旋肋鋼絲，箍筋沿X形軌枕每條邊配置14φ6 mm，圓盤處不配箍筋，如圖5(a)所示。圓盤處受力筋交叉區(qū)域上下錯開布置，其錯動距離按照《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》要求布置，按照布置方案，X形軌枕每條邊有兩層受力筋穿過圓盤，另外兩層在接觸圓盤處切斷。鋼軌下軌枕截面配筋及X形軌枕配筋如圖5所示。

圖5 X形軌枕配筋

2.2 模具制作

為制作該X形軌枕，參考傳統(tǒng)Ⅲa型軌枕的生產(chǎn)模具，提出一種倒置X形軌枕制作模具。該模具采用一模雙腔的設(shè)計，軌枕空腔由中部圓盤槽和兩側(cè)條形槽組成，其中，一組軌枕空腔中部圓盤位置上方開設(shè)有矩形槽，矩形槽兩側(cè)對應(yīng)條形槽位置設(shè)有圓盤擋板，圓盤擋板與模具主體之間通過擋板插槽連接，同時模具兩側(cè)布置有吊環(huán)與翻轉(zhuǎn)卡槽，方便脫模時吊裝翻轉(zhuǎn)。上、下軌枕兩部分分別在模具內(nèi)澆筑成形。

制造準備階段采用SolidWorks軟件按尺寸精細建模，然后導(dǎo)入車床進行精密加工，尤其是反映軌枕表面特征的X模具的四個分支底板處。模具底板選用鋁材，具有易加工、強度高和質(zhì)量輕的特點。利用該模具可同時制作上、下部分軌枕，既提高了X形軌枕的生產(chǎn)效率，又保證了上、下部分軌枕的生產(chǎn)批次和制作質(zhì)量，減少疊拼裝配的誤差。模具示意如圖6所示。

圖6 X形軌枕模具

2.3 軌枕制作

預(yù)應(yīng)力混凝土“流水機組-傳送法”工藝是軌枕生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝，參照此工藝設(shè)定單個裝配式X形軌枕制作工藝，工藝流程如圖7所示。

圖7 軌枕制作流程

3 軌枕鋪設(shè)及材料用量分析

3.1 軌枕鋪設(shè)

參考普通線路Ⅲ型軌枕鋪設(shè)方案，根據(jù)TB/T 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》[14]，可調(diào)間距X形軌枕的鋪設(shè)配置按表1執(zhí)行。根據(jù)其特殊的X形設(shè)計，其可用于普速鐵路、站內(nèi)軌道以及城市軌道交通等，在高速鐵路中是否合適還有待驗證及優(yōu)化。以下鋪設(shè)方案以普速線路為例，按照每千米鋪設(shè)Ⅲa型軌枕1 680根的標準換算X形軌枕每千米鋪設(shè)根數(shù)。由表1可知，軌枕間距從600 mm增大到700 mm和800 mm時，每千米鋪設(shè)軌枕根數(shù)由840根減少至715根和626根，節(jié)省14.8%和25.5%。鋪設(shè)軌枕時按照間距要求將X形軌枕調(diào)至所對應(yīng)夾角，其他鋪設(shè)要求與Ⅲa型軌枕相同。傳統(tǒng)Ⅲa型軌枕及X形軌枕鋪設(shè)效果如圖8所示。

表1 X形軌枕鋪設(shè)配置

圖8 Ⅲa型軌枕與X形軌枕鋪設(shè)效果

3.2 道床維護

道床維護目前主要有搗固和動力穩(wěn)定兩種方式，前者國內(nèi)外均采用大型動力穩(wěn)定車進行，且國內(nèi)的動力穩(wěn)定車可直接適用于X形軌枕。而對于搗固技術(shù)而言，搗固車是其使用的大型設(shè)備，近年來搗固車不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)出現(xiàn)了DC-32、XCDW-32等多種型號搗固車[15]，但針對傳統(tǒng)條形軌枕的搗固車并不適用于X形軌枕，故設(shè)計了適用于X形軌枕的搗固裝置與方法[16]。X形軌枕道床搗固主要分為鋼軌內(nèi)、外側(cè)兩部分，每步搗固以2個外側(cè)和2個內(nèi)側(cè)為1個單元，搗固時沿著軌道方向連續(xù)進行，搗固鎬布置區(qū)域示意見圖9，具體實施過程本文不贅述。

圖9 X形軌枕搗固鎬布置區(qū)域

3.3 鋼筋混凝土用量分析

隨著碳排放的限制，舊軌枕替換所需的鋼筋混凝土材料消耗逐年增加，不利于2030年碳達峰及2060年碳中和目標的實現(xiàn)。按照X形軌枕鋪設(shè)方案，同里程線路理論上可有效減少材料用量，下面分別對單根軌枕與每千米軌枕的鋼筋混凝土用量進行計算。其中，Ⅲa型軌枕預(yù)應(yīng)力鋼筋配置10φ7 mm高強度螺旋肋鋼絲，箍筋配置13φ6 mm，預(yù)應(yīng)力筋每根長度暫取軌枕長2 600 mm，箍筋每根長度取610 mm，X形軌枕受力筋每根長度取X方向長度2 472 mm，箍筋長度暫與Ⅲa型軌枕相同。計算混凝土用量時采用SolidWorks建模對Ⅲa型軌枕與X形軌枕進行體積評估。材料用量計算情況如表2所示。

表2 相同間距下Ⅲa軌枕與X形軌枕材料用量對比

由表2可知，當軌枕間距為600 mm時，單根X形軌枕的混凝土及鋼筋用量多于Ⅲa型軌枕。但由于X形軌枕特殊的結(jié)構(gòu)形式，每鋪設(shè)1根X形軌枕等同于鋪設(shè)2根Ⅲa型軌枕，相較于Ⅲa型軌枕而言，每千米線路X形軌枕混凝土用量減少16.7%，鋼筋用量減少2.6%。

由計算結(jié)果可知，相較于Ⅲa型軌枕，相同里程的線路鋪設(shè)X形軌枕可以節(jié)省較多的鋼筋混凝土用量，不僅降低軌枕制作成本，而且減少生產(chǎn)鋼筋混凝土所排放的二氧化碳含量，符合新時代碳減排的要求，營造綠色低碳的鐵路運輸環(huán)境。

4 軌枕沉降有限元分析

有砟軌道有限元模型的幾何尺寸由TB/T 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》中單線路堤標準橫斷面示意確定。軌枕構(gòu)型分為傳統(tǒng)條形軌枕與自主研發(fā)的異形軌枕[17]，其中，條形軌枕為Ⅲa型混凝土軌枕，尺寸為長2.6 m，扣件處寬170 mm，高230 mm，底面寬280 mm[18]。X形軌枕整體長2.3 m，截面寬250 mm，高210 mm。道砟與路基采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，鋼軌與軌枕采用彈性本構(gòu)模型。整體三維模型中各部分的材料參數(shù)[19]見表3。列車循環(huán)荷載參數(shù)由以下確定：列車速度為100 km/h，軸重15 t。模擬所采用的荷載為90°正弦異相荷載[17，20]。

表3 模型材料參數(shù)

10 000次循環(huán)荷載后道床的豎向與側(cè)向位移云圖如圖10、圖11所示。從圖10中可見，X形軌枕底部道砟的豎向沉降和側(cè)向位移區(qū)域明顯減少，峰值也有所減小。其中，條形軌枕的豎向最大沉降量約為13.7 mm，X形軌枕的豎向最大沉降約為12.9 mm，相對減小了5.8%。條形軌枕模型中最大側(cè)向位移約為28.3 mm，X形軌枕模型中最大側(cè)向位移為25.9 mm，相對減小了8.4%。因此，模擬結(jié)果表明X形軌枕的工作性能略優(yōu)于傳統(tǒng)條形軌枕。

圖10 10 000次循環(huán)加載后道床豎向位移云圖

圖11 10 000次循環(huán)加載后道床側(cè)向位移云圖

X形軌枕與條形軌枕在10 000次循環(huán)荷載作用后的應(yīng)力分布見圖12。由圖12可知，X形軌枕與條形軌枕的中部應(yīng)力較大，其中，X形軌枕最大拉應(yīng)力為6.04 MPa，位于圓盤與枕端連接處，分析為應(yīng)力集中導(dǎo)致。條形軌枕最大拉應(yīng)力為5.22 MPa，位于跨中。意味著軌枕中部處有較大的負彎矩，除扣件正下方道砟提供反力外，軌枕中部道砟也共同提供了較大反力。這與文獻[21]中道砟劣化后，由于中部出現(xiàn)負彎矩使得軌枕中部出現(xiàn)了裂紋的情況相吻合。由應(yīng)力分布可知，在X形軌枕制作中應(yīng)對圓盤處進行適當加強。

圖12 10 000次循環(huán)加載后軌枕應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

(1)為增大軌枕與道砟的接觸面積，提高軌枕的抗滑動能力，在傳統(tǒng)條形軌枕基礎(chǔ)上提出可拼裝、間距可調(diào)節(jié)的X形軌枕。

(2)軌枕間距為600 mm時，相較于Ⅲa型軌枕，鋪設(shè)X形軌枕每千米所需混凝土用量減少16.7%，鋼筋用量減少2.6%，可有效減少生產(chǎn)鋼筋混凝土所排放的二氧化碳含量，符合新時代碳減排的可持續(xù)發(fā)展需求。

(3)X形軌枕間距從600 mm增大到700 mm和800 mm時，每千米鋪設(shè)X形軌枕根數(shù)由840根減少至715根和626根，約節(jié)省14.8%和25.5%。

(4)與傳統(tǒng)軌枕相比，采用X形軌枕的軌道豎向沉降減少了5.8%，道床側(cè)向位移減少了8.4%，具有較好的工作性能，能夠有效保障軌道的平順性。

需要指出的是，該X形軌枕仍處于實驗室研究階段，其實際工程應(yīng)用效果還有待進一步研究。