蒙华铁路长枕埋入式无砟轨道用桥枕的设计研究

赵 民

(蒙西华中铁路股份有限公司，北京 100073)

蒙西至华中地区铁路煤运通道工程(以下简称“蒙华铁路”)北起鄂尔多斯，南至吉安，是一条便捷大能力煤运通道。它连接蒙陕甘宁“金三角”地区与湘鄂赣等华中地区，是“北煤南运”国家战略运输通道，是衔接多条煤炭集疏运线路、点网结合、铁水联运的高效煤炭运输系统和国家综合交通运输系统的重要组成部分。全线地貌单元多变，地质情况复杂，全线设车站78个，大中桥665座(长340.3 km)，隧道216座(长425.5 km)，全线桥隧比约43.8%。

蒙华铁路1 km及以上隧道内采用弹性支承块式无砟轨道结构，配套采用弹条Ⅶ型扣件。隧道群间的短路基和桥梁地段采用长枕埋入式无砟轨道结构。配套采用WJ-12型扣件。为满足桥上铺设护轨条件，可采用在道床板上植筋现浇混凝土平台作为护轨安装接口，或者在既有长枕埋入式无砟轨道用轨枕(以下简称“埋入式长枕”)上设置护轨安装接口2种方案。考虑到现浇护轨安装接口平台存在施工工艺复杂、精度不高、混凝土结构耐久性受到影响等问题，选择设置护轨安装接口的埋入式长枕(以下简称“埋入式桥枕”)作为蒙华铁路桥上长枕埋入式无砟轨道结构铺设护轨的轨枕设计方案。由于埋入式桥枕目前在我国尚未进行过工程应用，有必要对蒙华铁路埋入式桥枕的结构设计开展系统研究。

1 蒙华铁路埋入式桥枕结构设计

1.1 结构选型

我国既有长枕埋入式轨枕主要在区间和道岔区使用[1]。区间埋入式长枕采用预应力钢筋混凝土轨枕结构，侧面设置预留孔，制造方便，经济性好，在我国既有客货共线铁路(秦沈线、渝怀线等)及新建重载铁路(瓦日线)中铺设。道岔区埋入式岔枕底部设置桁架钢筋，生产工艺相对复杂且成本较高，在我国遂渝、武广、郑西、沪杭等多条高速铁路中铺设应用。2种长枕埋入式轨枕现场使用情况良好，未出现伤损情况。

蒙华铁路埋入式长枕主要在区间线路的桥上应用，与区间埋入式长枕和道岔区埋入式岔枕相比，需增加桥上护轨接口，因此，采用侧面设置预留孔的区间埋入式长枕设计理念和生产工艺，增加护轨安装接口作为埋入式桥枕，可以满足重载铁路运营安全性和稳定性要求，而且制造工艺简单，造价合理。

1.2 设计标准和原则

1.2.1 设计标准

根据 TB 10625—2017《重载铁路设计规范》[2]、TB 10082—2005《铁路轨道设计规范》[3]和铁运[2007]243号《铁路桥梁铺设护轨暂行规定》[4]关于桥上护轨设置的相关规定，对于蒙华铁路部分桥上长枕埋入式无砟轨道需要按照规范设置护轨，而在桥上安装护轨区段采用长枕埋入式无砟轨道时不仅要求轨枕提供基本轨扣件接口，还需要在轨枕中间位置预留护轨安装接口。鉴于目前相关文件并未对桥上无砟轨道护轨安装尺寸给出具体规定，本次埋入式桥枕的设计接口参照有砟轨道混凝土桥枕开展设计工作。既有标准主要对桥上安装护轨的埋入式桥枕设计有2点要求:①护轨与基本轨头部间净距为500 mm；②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。

1.2.2 设计原则

①能够满足桥上安装护轨的需要；②尽量考虑轨枕结构及配套扣件系统与正线轨道结构的通用性，减少轨道部件类型；③为配套扣件系统提供良好接口；④基本轨考虑60 kg/m和75 kg/m钢轨通用性。

1.3 结构方案

1.3.1 护轨扣件方案

因蒙华铁路隧道内及路基上用埋入式长枕(无护轨)与山西中南部铁路通道(瓦日线)所用的重载埋入式长枕[5-6]相同，配套WJ-12型扣件，长枕内预埋铁座，承轨面设置1∶40轨底坡。长枕侧面设置6个预留孔。预留孔呈锥形，一侧直径 70 mm，另一侧直径50 mm。道床板施工时，纵向钢筋穿过预留孔以增强新老混凝土黏结，同时施工时要求从直径70 mm一侧浇筑混凝土，确保预留孔内的混凝土灌注密实。另外，在轨枕端面预应力钢丝预留一定长度，以进一步增强轨枕与道床板连接性能。

为便于生产制造及后期养护维修，设计中尽可能考虑配套扣件系统的通用性，因此本次埋入式桥枕的总体设计方案与既有隧道内和路基上重载埋入式长枕相同，主要修改内容为护轨安装接口部分。护轨的安装接口根据扣件系统的差异设计了2种方案。方案1，护轨采用既有桥上有砟轨道桥枕所使用的扣板式扣件(专线3448-Ⅱ)；方案2，护轨采用过渡段辅助轨用扣件(研线0607)。2种方案对比见表1。

表1 桥上埋入式桥枕2种方案对比

经方案比选后，确定桥上无砟轨道基本轨采用WJ-12型扣件，护轨采用扣板式扣件(专线3448-Ⅱ)的设计方案。该方案中护轨采用60 kg/m钢轨，对应基本轨可采用60 kg/m钢轨或75 kg/m钢轨，设计的基本轨轨头与护轨轨头净距为500 mm。桥上护轨的安装铺设与现有的新Ⅲ型混凝土桥枕相同。护轨顶面与基本轨顶面高差在正常安装、最大调高和最大调低3种状态下均可满足维修标准[7]的要求。该设计方案中钢轨、扣件及埋入式桥枕组装示意如图1，铺设示意如图2。

图1 钢轨、扣件及埋入式桥枕组装示意

图2 桥上长枕埋入式无砟轨道结构铺设示意

1.3.2 截面和配筋方案

蒙华铁路埋入式桥枕的配筋设计沿用既有重载铁路隧道内埋入式长枕的设计方案，采用8根φ7 mm螺旋肋钢丝。在截面设计过程中，为了保证辅助轨与基本轨顶面高差满足设计规范的要求，在保持轨下截面高度不变的条件下需加高中间截面的尺寸。因此，与既有隧道内埋入式长枕相比，埋入式桥枕主要变化就是中间截面的高度增加，中间截面的预应力偏心值及永存预应力值随之改变。为分析中间截面高度增加对埋入式桥枕的影响，提出了2种结构配筋方案:基准方案是钢筋丝位和总张拉力保持与既有隧道内无护轨区段埋入式长枕相同；对比方案是将钢筋丝位向轨枕顶面方向调整5 mm，同时将总张拉力由原来的348 kN调整为200 kN。对比方案中的丝位调整主要是为了降低中间截面的预应力偏心值；对于总张拉力的调整，主要是考虑到埋入式桥枕在运营阶段埋置于混凝土道床板内，与道床板共同受力，轨枕的强度并非设计控制要点，而降低总张拉力有利于减少脱模和放张过程中桥枕所受到的阻力，便于生产制造。既有隧道内埋入式长枕及桥上埋入式桥枕配筋方案对比见表2。

埋入式桥枕主要材料参数:轨枕生产所用混凝土28 d强度等级为C60；预应力钢丝抗拉极限强度为1 570 kN/mm2、抗拉强度设计值为1 070 N/mm2、抗压强度设计值为400 N/mm2；钢丝松弛率为Ⅱ级松弛。

计算轨枕48 h内抗裂强度时，混凝土标准强度按不低于45 MPa计，其抗拉标准值、抗拉设计值、轴心抗压设计值、受拉区混凝土塑性影响系数等参数均按相关规范及技术要求确定。在设计中考虑养护时温差、墩头内缩、钢丝松弛等因素对预应力损失的影响。既有隧道内埋入式长枕及埋入式桥枕截面弯矩对比见表3。

表2 既有隧道内埋入式长枕及桥上埋入式桥枕配筋方案对比

表3 既有隧道内埋入式长枕及桥上埋入式桥枕截面弯矩对比 kN·m

2 蒙华铁路埋入式桥枕受力分析

2.1 桥上长枕埋入式无砟轨道计算模型

根据桥上长枕埋入式无砟轨道结构受力情况，采用实体有限元模型(见图3)计算轨道结构在列车荷载作用下的力学行为。模型中钢轨采用欧拉梁单元，两端约束纵向位移；扣件系统采用弹簧单元；道床板和底座采用实体单元；道床板底部和底座之间采用接触单元模拟隔离层；桥梁采用壳单元。为消除边界效应的影响，模型长取3块道床板长度，以中间道床板对应的轨道结构作为研究对象。

图3 长枕埋入式无砟轨道结构实体有限元模型及网格划分

长枕埋入式无砟轨道结构的基本轨和护轨均采用60 kg/m钢轨，基本轨采用WJ-12型扣件，护轨采用扣板式扣件，道床板板长6 775 mm，板宽2 800 mm，板厚350 mm，板缝100 mm，桥上混凝土底座宽2 800 mm，设计高度250 mm。道床板和底座间设置隔离层，两限位凹槽尺寸为1 000 mm(长)×700 mm(宽)×130 mm(高)，凹槽周边设置弹性缓冲垫层。

有限元模型计算参数:钢轨弹性模量为2.1×105MPa，泊松比取0.3，线膨胀系数取 1.2×10-5℃-1；道床板混凝土强度等级 C40，弹性模量取 3.4×104MPa，泊松比取0.2，线膨胀系数取 1.0×10-5℃-1；底座混凝土强度等级C40，弹性模量取3.4×104MPa，泊松比取0.2，线膨胀系数取1.0×10-5℃-1；扣件间距为610 mm，扣件节点静刚度为120 kN/mm，动刚度为180 kN/mm；桥梁与底座间的支承面刚度为1 000 MPa/m。

2.2 埋入式桥枕荷载计算结果

2.2.1 列车荷载

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Pk＝3Pj＝450 kN。其中:Pj为静轮重，为设计静轴重的1/2(150 kN)。根据实体有限元模型计算了荷载作用于道床板中间支点时轨枕承受的弯矩值。计算结果:轨下截面的正弯矩为2.05 kN·m，枕中截面负弯矩为0.52 kN·m。

2.2.2 温度荷载

参考TB 10625—2017《重载铁路设计规范》[8]，道床板最大温度梯度按90℃/m取值。温度梯度作用下道床板最大翘曲应力σt计算公式为

式中:Ec为道床板混凝土弹性模量，取3.45×104MPa；αt为混凝土线膨胀系数，取 1.0×10-5℃-1；βh为道床板厚的温度梯度修正系数，取0.69；Tg为温度梯度，取90℃/m；h为道床板厚度，取0.35 m。

将以上数值代入式(1)，计算得道床板最大翘曲应力为3.75 MPa。

温度梯度作用下，轨枕宽度范围内道床板所受的弯矩Mt计算公式为

式中:b为轨枕等效宽度，取0.26 m。

经计算，Mt为 19.9 kN·m。

由于轨枕与道床板浇筑为一体，轨枕承受的弯矩由其抗弯刚度决定。其弯矩分配系数μ计算公式为

式中:Es为轨枕混凝土弹性模量，取3.60×104MPa；h1为轨枕埋入道床板内的等效高度，取0.15 m；h2为轨枕的枕底道床板厚度，取0.2 m。

经计算弯矩分配系数为0.31，即荷载引起的弯矩的31%由轨枕承担。因此，在温度梯度作用下轨枕承受的弯矩为6.08 kN·m。

2.2.3 横向荷载

在横向力作用下，道床板在横向产生的弯矩Mq为

式中:kq为横向力沿轨道纵向的分配系数，取0.3；Q为横向力，按100 kN计；L为横向力作用点距道床板顶面的高度，为0.214 m。

经计算，Mq为6.42 kN·m/m。

横向荷载在道床板的上下侧产生的弯矩值均为Mq/2，即每米宽度范围内最大弯矩Mqa为3.21 kN·m/m。在轨枕宽度范围内，考虑轨枕的等效宽度以及荷载引起的弯矩的分配系数，可以得出轨枕自身所受到的横向荷载引起的弯矩为0.42 kN·m/m。

综合以上分析，可得到埋入式桥枕轨下截面所受的正弯矩最大值为8.55 kN·m，枕中截面负弯矩最大值为7.02 kN·m。结合表3可知，2种配筋方案的承载能力均能够满足运营阶段使用要求。

3 蒙华铁路埋入式桥枕室内试验

3.1 静载抗裂强度试验

针对设计提出的基准方案(丝位不变，总张拉力为348 kN)和对比方案(丝位上调5 mm，总张拉力为200 kN)，试制了2种方案的平直段桥枕，并按照TB/T 1879—2002《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》[9]及Q/CR 509—2016《30 t轴重重载铁路隧道内长枕埋入式无砟轨道用混凝土轨枕技术条件》[10]的规定进行静载抗裂强度试验，见图4。基准方案轨下截面静载检验值为170 kN，中间截面静载检验值为100 kN；对比方案轨下截面静载检验值为110 kN，中间截面静载检验值为80 kN。试验结果表明埋入式桥枕的静载抗裂强度满足设计要求。

图4 埋入式桥枕截面静载抗裂强度试验

3.2 预应力偏心对埋入式桥枕拱度的影响试验

由于本次设计的埋入式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，通过对桥上埋入式桥枕中间截面拱度的跟踪观测，分析预应力偏心对埋入式桥枕中间截面初始预应力偏心产生的上拱和徐变导致的拱度的影响。试验分别选取2种方案的轨枕各3根进行长期监测，试验按照TB/T 3080—2014《有砟轨道混凝土岔枕》[11]中对岔枕拱度的测量方法执行。监测时间分别为脱模时、脱膜后24 h，48 h，3 d，7 d，14 d，28 d，60 d 和 90 d。 试验结果见表4。可见:对比方案由于向上调整了预应力的丝位，同时降低了总张拉力，中间部分上拱现象明显减少。

表4 预应力偏心引起的埋入式桥枕的拱度 mm

4 结论

1)经不同方案比选，确定了蒙华铁路埋入式桥枕方案，该方案桥上无砟轨道基本轨采用WJ-12型扣件，护轨采用扣板式扣件(专线3348-Ⅱ)。

2)因安装扣件接口需要增加中间截面高度。为分析截面高度增加对埋入式桥枕的影响，提出了基准方案(丝位不变，张拉力348 kN)和对比方案(丝位上调5 mm，张拉力200 kN)2种结构配筋方案。

3)经有限元仿真分析，埋入式桥枕轨下截面所受的正弯矩最大值为8.55 kN·m，枕中截面负弯矩最大值为7.02 kN·m。2种方案的承载能力均能够满足运营阶段使用要求。

4)经静载抗裂强度试验和预应力偏心对埋入式桥枕拱度影响试验，试制的埋入式桥枕各项性能均能满足相关技术标准和设计的要求。对比方案更有利于生产，尤其对于产品的放张和脱模更加便利，较基准方案中间部分上拱明显减小。