混凝土轨枕

我国混凝土轨枕使用分析1. 前言自 1956 年我国研制出预应力混凝土枕以来截止到 2002 年底，铺设混凝土枕总数已达 1.625亿根，占各类轨枕总数的76%,其中III型枕837万根，占混凝土枕总数的5.2%,11 型混凝土枕9618万根，占混凝土枕总数的59.2%, I型和69型枕仍有4360万根，占混凝 土枕总数的 32.2%，桥岔枕约有 452.3 万根。但由于历史的原因，各型号轨枕的承载能力 与在使用中铺设的线路条件并不完全匹配，产品质量不尽人意，致使一些轨枕提前出现伤 损，有些伤损甚至比较严重，增加了养护维修工作量，对行车安全不利。2002 年秋检资料 统计：111型枕伤损率为0.1%，老II型枕伤损率为0.7%，I型和69型枕伤损率为4.9%。2型混凝土轨枕早在 1953 年铁道部有关部门就开始进行了混凝土轨枕代替木枕的研究工作，于 1954 年开始进行轨枕试制和试铺，铁道部于 1957 年起开始建立预应力混凝土轨枕制造工厂。1961年铁道部有关单位总结现场使用经验，编制了“弦II-61A ”型预应力钢弦混凝土轨枕 的设计图，并开始了批量生产。总的说来，到1984年II型混凝土轨枕鉴定前主要生产和使用的混凝土轨枕有两大类：(1) 69 型混凝土枕69型是按建设型机车，轴重21t、85km/h、1840 根/km进行设计的。该枕1995年约 占铺设总数的 50.0%，以后基本不生产。(2) I 型混凝土枕1979年在69型枕配筋不变的情况下，将轨枕外型尺寸统到与II型枕一样，强度与69 型等强，最后统一为 I 型混凝土枕(弦 79 型和筋 79 型)。与69型枕比较，I型枕中间断面高度由155mm增至165mm，提高了中间断面正弯距 的承载能力，端头由原斜坡改为平坡；在螺栓孔围增设了螺旋筋，在轨枕端头增设了箍筋。结构设计计算结果表明：轨枕截面疲劳承载能力：轨下断面11.1k Nm,中间断面负 弯矩8.03kN m；而按照给定的线路条件，轨枕截面承受的荷载弯矩为:轨下断面11.8kN m, 中间断面负弯矩10.1k Nm。显然，轨枕承载能力不足，特别是中间断面负弯矩承载能力 相差更远。轨枕截面静载抗裂弯矩为：轨下断面15.7kNm,中间断面负弯矩11.3kNm。由于 69 型枕与 I 型枕设计承载能力等强，一般也统称为 I 型混凝土枕。 根据各方面的调查发现 I 型混凝土枕主要问题为： 轨下截面强度不足，调查发现：接头轨枕轨下截面正弯矩裂纹占调查总数的84%, 非接头轨枕轨下截面正弯矩裂纹占调查总数的 42%。 中间截面设计承载力偏低。由于截面强度不足，要求中间道碴掏空，这种要求掏 空过长，过深，造成轨下塌碴，严重影响轨下截面的承载能力和增加中间截面的正弯距； 掏空不足，会使轨枕中间截面负弯距因“垫腰”而开裂，调查发现：接头轨枕中间截面正 弯矩裂纹占调查总数的 40%，非接头轨枕中间截面正弯矩裂纹占调查总数的 9.4%，接头轨 枕中间截面负弯矩裂纹占调查总数的 26%，非接头轨枕中间截面负弯矩裂纹占调查总数的 9.4%，这一结果出现的主要原因是，各养路工区对于轨枕中间掏空长度的掌握按“宁长勿 短“的原则执行。现场普遍要求提高轨枕中间截面设计强度，养路作业不再掏空中间截面 道碴。 没有设置螺旋筋和箍筋的 69型枕以前的轨枕，普遍出现沿两轨下四个螺栓孔方向而 形成的纵向长大裂纹，失效率较高。1990 年对广深线的调查结果表明：69 型枕大部分出 现沿四个螺栓孔的纵向长大裂纹，最大裂纹宽度达45mm，造成螺栓道钉的锚固作用完 全失效，危及行车安全，在某一节轨排的 46 根轨枕中有 36 根出现了纵裂。3. II型枕31 II型枕选型的技术研究分析3.1.1 引言II型混凝土枕的研发开始于1978年，原称“81型”轨枕，1984年2月通过了铁道部 组织的专家技术审查，鉴定以后改称II型混凝土枕，包括S-2型枕和J-2型枕两种，到目 前为止已生产和铺设 1 亿多根。目前，我国已停止生产S-2型枕（图号：TB1877-87），继续生产和使用并且通过铁 道部组织的专家技术审查的II型枕主要有J-2 （图号：专线3227 85）、YII-F （图号：专 线3385-3）、TKG-2 （图号：研线9840）、新II型枕（图号：研线0121 ）和YII-T型（以 下除特殊说明的以外，新II型枕以外的II型枕统称老II型枕）。这些轨枕的长度都是2.5 米, 除新II型枕外，其余都是老II型枕的钢模，它们结构设计性能及使用条件上存在着差别。 这里从技术分析的角度出发，对它们的生产、使用性能、理论计算和试验研究提出看法。3.1.2 II型枕存在的主要问题尽管II型枕的承载能力高于I型枕，随着运量和车速的不断提高，铺设上道的轨枕仍 有提前出现各种伤损的现象，有的区段甚至失效率较高，达不到预期的使用年限。而分析 其原因，往往涉及设计、制造、运输、铺设、养护以及与扣件连接方式等各个环节。以下 叙述其存在的几个主要方面问题。 1991年，部原工务局组织全路12个铁路局对管内铺设II型枕线路进行了一次大 调查，调查线路20条，累计长度 112.3公里，近20万根轨枕。结果表明，枕中表面横向 裂缝占各类伤损总数的 38.7%，在某些线路区段，枕中有表面横向裂缝的轨枕占该区段轨 枕铺设总数的 60%80%。调查分析认为，中间截面承载能力不足。 1994年，部物资总公司等单位组成了联合调查组，对9个铁路局管内约25万根II 型枕进行了调查。据调查，枕中横裂是伤损严重的形式之一，有的横裂已形成环裂，导致 轨枕失效。这种伤损在繁忙干线和道碴满铺、板结地段居多。据分析认为，在繁忙干线上 的II型枕超负荷承载，其承载能力不足。为此，建议将枕中600mm范围的道碴掏空，以 改善中间截面的受力状态。 近年内，铁科院对II型枕在列车荷载下的截面弯矩进行过现场测试。在道床中部 为松散满铺的状态下，测得中间截面最大负弯矩值为8.59.2kNm，与其设计的承载负弯 矩10.5 kN.m已很接近；而轨下截面的正弯矩约为6.87.1kNm,为设计承载正弯矩的50% 左右。在道床中部掏空状态下，中间截面只承受正弯矩，此时，轨下截面的正弯矩测值达 设计承截正弯矩的 7085%。需要说明的是，在进行现场动测试验时，轨道及其部件一般 均处于正常的使用状态，所测试结果反映不出最不利的荷载效应。按II型枕的铺设要求， 枕中道床应不掏空，而根据实测结果，11型枕中间截面已处于接近承载水平的受力状态， 如果轨道存在轨面较大的不平顺、轨枕空吊，以及轮、轨面短波不平顺等不利工况，轨枕 就有可能出现裂缝。如果出现小裂缝，虽然不影响正常使用，但使用耐久性肯定会有所下 降。由此分析认为，老II型枕中间截面的安全贮备有待提高。313现行各种II型枕轨枕结构及工艺特点3.1.3.1 J-2 型枕J-2型枕的预应力钢筋为410.0mm高强螺纹钢筋，与混凝土的粘结力很强，生产工 艺较简单，张拉过程的预应力损失较少。故其有静载和疲劳强度容易达标的优点。但是一 方面又由于其预拉力很集中，每根钢筋承受 80kN 的拉力，对于这样大预拉力，放张时就 象一个大钉子一样插入混凝土里，在混凝土的脱模强度在只达到C45的情况下，很容易被 胀开，造成轨枕端部沿钢筋位置的纵裂。一些肉眼不见的微细纵裂可能事实上已经存在于 轨枕当中了。1991年，部原工务局组织的大规模的调查表明：J-2型枕的纵向、水平裂纹也是较严 重的，个别区段达 43.9%。我们认为这种轨枕应该尽快停止上道。3132 YI-F 型枕YII-F型枕采用8 07.0规律变形钢丝（有认为是钢筋的），分上下四排布筋，每排2 根，如图3.1.3.2所示，这是一种改II型枕，99年由部建设司发文推广使用。其工艺特点 是预应力张拉比 S-2 型枕简单，将镦好头的钢筋穿在张拉挂板上，预应力值易于保证。开 始时各厂静载达标困难，经过厂家的努力（不管这些努力是否对轨枕的耐久性十分有 利），许多厂家在静载及疲劳试验方面都达了标。这种YII-F型枕的缺点是布筋不合理。钢筋（以前相当一些专家认为对于轨枕这样的 小截面构件来说，直径为5mm以下的钢丝才称之为钢丝）之间的净间距为21mm，不能满 足规范规定的25mm的要求；由于老II型枕的截面小，沿着竖向4根钢筋的位置有劈裂现 象。另一个的弱点是靠近截面中心处的两根钢筋在承担疲劳荷载（特别是开裂疲劳荷载） 时不能充分发挥作用。3.1.3.3 TKG2 型枕TKG2型枕也采用87.0规律变形钢丝，分上下两排布筋，每排4根，如图3.1.3.3 所示，这也是一种改II型枕，使用老II型枕的钢模。1998年由部运输局基础部提出、铁道 科学研究院负责研制。其工艺和YII-F型枕一样简单明了，预应力值得以保证。通过技术 审查后已在多个轨枕、桥梁工厂进行生产。这种轨枕的缺点是由于老II型枕的截面小，钢丝（有专家认为是钢筋）之间净间距为 18mm，不能满足规范规定的25mm的要求；沿着横向4根钢筋的位置也有劈裂现象。 其最大的优点是钢筋分上下两排，在承担疲劳荷载（特别是开裂疲劳荷载）时能充分发挥 作用。在静载及疲劳试验方面都较容易达标。3.1.3.4新II型枕由于对 YI -F 型枕和 TKG-2 型枕的保护层和钢丝之间的静间距等是否符合规范和轨 枕技术条件的要求存在着争议，1999年4月，部科教司主持召开有关II型枕（含改II型） 的专家研讨会，根据各方面所提意见，为了从根本上解决II型枕存在的问题，下决心要开 展新II型枕的研制。同年8月，蔡副部长作出批示：“组织铁科院、专业设计院抓紧进行 新II型混凝土轨枕研究设计。可以几种配筋形式（轨枕外形尺寸要统一），形成系列产品 （要考虑现有生产设备的利用），并借此整顿混凝土轨枕生产企业” 2000年新II型预 应力混凝土轨枕系列的研制列入铁道部科技研究开发计划。铁科院、专业设计院等单位，对轨枕的型式尺寸进行了优化设计、试制、室内试验、 试验段铺设、现场动测和养护维修工作量的跟踪调查等大量的研究工作。于 2001 年 9 月 通过了铁道部组织的专家技术鉴定。 运营条件现行铁路线路设计规范（GB50090-99）对II型枕适用条件的规定如表3.1.3.4所列（道床厚度项略）：表3.134-1II型枕的适用条件轨道类型重型次重型中型轻型年通过总质量（Mt）255015258158客车设计取咼速度km/h）1201201005025 5015 25格合格合格合lr?720G6508MS 间时 停静Nk 载荷 停静5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT1左面截下轨Nk 载荷 裂开6C3NOC3N5M5M8C9N5O0N3r7M00425OTN格合格合格合14_d2OOCTN8C9NS 间时 停静osiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiNk 载荷 停静-071071-071071071-071071071071071071071-071-071号编2356789Qi一二亠213i5i期日验试n,x_ox1COOJN1Xz-m3uo2注备司公限有枕轨怀丰裂压未后格合 厂梁桥溪贵。果结验试 心中验检量质部道铁 司公限 有枕轨路铁畅恒锡无1右面截下轨裂载N开荷NOOJ.2281/5JN11.32格合格合格合6J.426H.D2停间c 静时SQ?Q?Q?Q?Q?Q?停载N静荷k071071071071071071071071071071DT1 一071总汇果结验试载静枕型H新各 323CW面截中枕裂载N5OG!50乙：6C8M格合格合格合7r7M-9,xo4i7n.TlS 间时 停静osiid停静5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT1左面截下轨id 裂开6zzOO03ZZOM5N8C9N格合格合格合3C9N90.523OHNS 间时 停静osiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiNk 载荷 停静OTiOTiOTiOTiOTiOTiOTiOTiOTiOTiOTiOTi号编245678992!期日验试FE注备。果 结验试心中验检量质部道铁 司公限有枕轨路铁畅恒锡无厂枕轨土凝混山顶平厂工梁桥都成1右面截下轨裂载N 开荷k0000528r7JN5C9NOT.U2OM5MOOJ.ZZ8C9N7GMN508N8C9N2BU2停间e 静时Sosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosiosi停载N静荷k071071071071071071071071071071DTI 一071总汇果结验试载静枕 型H新厂各 3233 表续面截中枕裂载N2058000!70620031OS6M50乙：2C69C5000713*S6M-OC92*S6S 间时 停静osiNk 载荷 停静57T57T57T57T57T57T57T57T57T57T57T57T1左面截下轨Nk 载荷 裂开34NOOJ03Z6052on?.26102OC9NOJ2ZOBUZ3Y21C3N2125O0U2S 间时 停静08080808OSI08OSIOSI08080808Nk 载荷 停静071071071071071071071071071071071071号编3i4i710910232Z3242期日验试ON2 C8I2C3ON注备厂工梁桥都成1右面截下轨裂载N开荷k停间c 静时S000000000000停载N静荷k000000000000中面裂载N开荷k18静枕型H新 m 9 厂各 3233表续停间S-OS!Nk 载荷 停静5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT5TT1左面截下轨Nk 载荷 裂开6C3N8C2N6,XO320002251132nS 间时 停静-OS!-OS!-OS!-OS!-OS!Nk 载荷 停静071ooooooooflTl号编52623oozQzJoon期日验试-01090,002表332-4为2001年各厂试制