铁路预应力混凝土竖孔轨枕抗冲击性能研究

铁路预应力混凝土竖孔轨枕抗冲击性能研究
王开杨
（中交第二公路工程有限公司，陕西西安 710065）
［摘要］铁路预应力混凝土轨枕的作用主要是将车轮荷载从轨道传递到下部基础，同时有效保持轨道的轨距，让列车安全运行。

预应力混凝土轨枕在铁路轨道中最为常用，由于其他设施如信号装置、光纤、电缆等经常被镇流器或捣固机损坏，因此有必要对混凝土轨枕进行改造，以便在内部铺设电缆等设施，使其不会受到有害或恶劣环境的影响。

本文从以往的研究扩展到轨枕孔洞和腹板开口的设计标准，基于混凝土轨枕极限强度设计的修正压力场理论（MCFT），着重介绍混凝土轨枕在动力瞬态荷载作用下的结构承载力。

本文的研究结果有助于加深对预应力混凝土竖孔轨枕动力性能的认识，为铁路行业的轨道维护提供建议。

［关键词］铁路；预应力混凝土轨枕；竖孔；修正压力场理论
［中图分类号］U213.3 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）07-0137-04
Research on impact resistance of railway prestressed concrete vertical hole sleepers
WANG Kai-yang
铁路是现代最高效、最有效的运输方式之一，可以用来运输货物、旅客、矿产、粮食等［1］。

铁路预应力混凝土轨枕已经在铁路行业中使用了50多年，是铁路轨道结构的主要组成部分［2］。

轨枕可以由木材、混凝土、钢材或其他工程材料制成［3］。

几十年前，它们已经被系统地引入铁路行业，目前几乎遍及世界上所有的铁路网。

轨枕主要有将荷载从轨底转移和分配到下部基础、通过钢轨扣件系统将钢轨固定在合适的轨距上、保持轨道倾角以及抑制铁轨的纵向、横向和垂直运动等作用，以保证列车的安全通行［4］。

铁路轨枕是铁路轨道系统中有关结构安全的关键部件，因此必须对轨枕进行可靠的设计和分析，以保证公共安全和列车运行的可靠性［5］。

轨枕的关键性能标准，如静态能力、动态强度和极限冲击载荷能力都应进行评估，因为每个属性都是重要的并且是相互联系的。

虽然在设计过程中经常采用准静态能力，但必须了解结构部件的失效模式。

一般来说，现代轨道交通动态冲击荷载的频率范围为0～2000Hz。

冲击荷载的作用形状取决于各种可能的来源，比如车轮不圆顺、焊接和接头、点蚀和剥落等。

车轮或轨道的不规则性导致沿轨道的高动态冲击力可能大大超过车轮的静态荷载，而且冲击力与列车速度密切相关。

在车轮滚动过程中，这些脉冲会反复出现。

如果车轮与轨道的不规则性足够大，或者速度足够快，就会发生车轮与轨道之间失去接触的情况。

典型冲击荷载的大小大致在200～750kN之间，这与各种因素和火车的行驶速度密切相关。

荷载的持续时间在1～10ms之间变化。

但是，由倾斜节理引起的力的第一个峰值的代表性值应该是在400kN左右，持续时间为1～5ms；对于第二个峰值，平均值约为80kN，持续时间5～12ms，因此应考虑到冲击荷载的典型持续时间在1～12ms之间变化很大。

优于标准测试方法通常用于进行基准测试，因此实际加载条件不同于轨枕标准试验方法中规定的加载条件。

目前在建筑工地经常对铁路轨道部件进行改造，以适应信号装置、电缆和额外的列车脱轨保护设施，如护栏、护轨、防震护栏等。

轨枕改造的实用准则还没有建立，尽管轨枕改造在建筑工地是一
DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.07.022
［收稿日期］2022-10-08
［通讯地址］王开杨，陕西省西安市科技六路33号
个常见的现象，但是尚未有文献对混凝土轨枕开孔行为进行深入研究。

在这种情况下，重要的是要确保混凝土轨枕在实践中可以为添加附属装置而进行改造。

本文重点研究了具有竖孔的轨枕的抗冲击能力，对这些性能的深入了解，不仅可以提高铁路基础设施的安全性和可靠性，也可以提高其他混凝土结构的安全性。

1 极限弯矩能力预测
1.1 修正的压力场理论
在本研究中，用弯矩曲率代表预应力混凝土轨枕的承载能力，使用Response -2000基于修正的压力场理论预测弯矩承载力。

该理论能够预测钢筋混凝土在平面剪切和法向应力作用下的行为，在分析中，只考虑混凝土沿预应力钢筋的主方向上轴向应力，混凝土未开裂的部分也将继续承受荷载，1.2 应变和加载速率的影响
应变速率对材料的强度起着重要的作用。

基
于预应力筋与混凝土完全粘合的假设，混凝土与预应力筋的动态材料性能可以确定如下
混凝土[]'2
,1010'
, 1.490.268log 0.035log c dyn c st
f εεf
=++ （1）
预应力筋
0.258
10,0.38log ,100.993y dyn ε
y st
f f -=+ （2）
式中 f y ，dyn 是预应力筋动态屈服点应力；f ′c ，st 是预应力筋静态屈服点应力；ε 是钢筋应变率。

2 材料性能
本研究采用完整截面预应力混凝土轨枕1个，有竖孔轨枕4个。

竖孔的位置位于轨枕端和轨座边缘的中间，竖孔的大小从20～50mm 不等。

2.1 静态
预应力混凝土轨枕的尺寸和形状如图1所示。

采用高强混凝土，设计圆柱体抗压强度为55MPa 。

本研究采用Vechio 和Collin 得到混凝土的应力-应变曲线，如图2所示。

使用的预应力筋具有较高的极
限强度，破坏强度可达1860MPa 。

预应力筋的初始弹性模量为20000MPa 。

a 混凝土轨枕完整截面
250
220
208
22-5MM =6.70mm/m
Δεb 有竖孔轨枕截面
208
m
22-5MM
=6.70mm/m
Δε图1 混凝土轨枕截面
a 混凝土
0102030405060
1
23
4
应变/mm 应力/M P a
b 钢筋
20
40
600
25050075010001250150017502000应变/mm 应力/M P a 图2 应力-应变曲线
2.2 动态
利用前人试验所得数据进行了弯矩承载力的预测，冲击力的平均总持续时间约为4ms 。

在本研究中，混凝土的应变速率从2～8ms 不等，预应力筋的动态极限应变约为20000，而冲击作用对钢纤维的总持续时间约为6～12ms 。

这是由于冲击应力波在应力传播过程中发生延迟，通过混凝土时会受到阻碍。

使用公式（1）和公式（2）可以得到材料
的动态强度作为截面分析的输入。

本研究采用了4对不同的应变速率案例，如表1所示。

表1 冲击载荷下应变速率的变化
材料A B C D 混凝土2468预应力筋
6
8
10
12
3 结果与讨论
3.1 静态分析
一般来说，当材料没有损伤，所施加的外力小于比例极限时，材料变形的第一阶段是弹性阶段。

当弯矩达到比例屈服点时，构件发生非线性行为，直至构件达到极限承载力之后，由于混凝土的破碎和剥落，曲线迅速下降。

以预应力混凝土轨枕
的弯矩承载力来评价竖孔对混凝土轨枕的影响，结果表明，由于断面面积的减小，预应力混凝土轨枕的竖孔会影响其弯矩承载能力。

图3说明了预应力混凝土轨枕的弯矩-曲率关系。

可见，无竖孔预应力混凝土轨枕的极限弯矩承载力约为60kN·m ，大于所有有竖孔的轨枕的极限弯矩承载力。

0102030405060708020
20mm 30mm 40mm 50mm
完整截面406080
100
曲率/（rad/km）
弯矩/（k N ·m ）图3 5种预应力混凝土轨枕的弯矩-曲率比较
表2为有和无竖孔预应力混凝土轨枕的弯矩承载力比较。

根据修正压力场理论，可以确定开裂和失效破坏两种情况。

可以观察到轨枕的第一次开裂是在25～32kN·m ，失效工况约为51～60kN·m 。

可以清楚地看到，当竖孔直径增大，宽度和横截面积减小时，弯矩承载力减小。

3.2 动态分析
图4和表3给出了冲击荷载作用下预应力混凝土轨枕的弯矩-曲率关系。

可以清楚地看到，冲击
表2 静荷载作用下预应力混凝土轨枕的弯矩承载力
截面目标状态弯矩承载力 /（kN·m ）完整截面开裂31.86破坏59.3420mm 孔开裂29.56破坏56.6730mm 孔开裂28.33破坏55.1440mm 孔开裂27.01破坏53.5750mm 孔
开裂25.64破坏
51.90
0102030405060708050a
100150
弯矩/（k N ·m ）
20mm 30mm 40mm 50mm
完整截面曲率/（rad/km）
0102030405060708050
b 100
150
弯矩/（k N ·m ）
20mm 30mm 40mm 50mm
完整截面曲率/（rad/km）
a
c
01020304050607080弯矩/（k N ·m ）
20mm 30mm 40mm 50mm
完整截面0
50100150
曲率/（rad/km）
d
01020304050607080弯矩/（k N ·m ）
b
20mm 30mm 40mm 50mm
完整截面0
50
100
150
曲率/（rad/km）
图4 A 、B 、C 、D4种不同应变率下轨枕的弯矩-曲率关系
荷载作用下弯矩-曲率关系的趋势与静力荷载相似，但极限弯矩承载力更高。

此外，还发现应变率对冲击荷载和弯矩承载力有显著影响。

可以看出，当应变速率增大时，弯矩承载力也随之增大。

表3 冲击荷载作用下预应力混凝土轨枕的弯矩承载力截面
目标 状态弯矩承载力/（kN·m ）A B C D 完整截面
开裂
31.98
32.572
32.92
33.17
破坏69.7970.8971.5072.0220mm 孔
开裂
29.64
30.26
30.59
30.84
破坏67.6368.6969.4969.9630mm 孔
开裂
28.36
28.97
29.33
29.58
破坏66.3267.5968.1768.7840mm 孔
开裂
26.70
27.61
27.97
28.24
破坏65.0366.3067.0467.4850mm 孔
开裂
25.63
26.21
26.56
26.81
破坏
63.61
64.83
65.61
66.20
图5给出了预应力混凝土轨枕极限弯矩承载力减少量百分比与面积减少量百分比的关系。

极限弯矩承载力减少量可由式（3）计算。

(%)()100/M M M =-⨯完整截面有竖孔截面完整截面极限弯矩减小
（3）
1234极限弯矩减小/%
56789105
101520
25
面积减小/%
案例A 案例A（拟合曲线）案例B（拟合曲线）案例C（拟合曲线）案例D（拟合曲线）
案例B 案例C 案例D
图5 极限弯矩承载力减小-面积减小关系
从图中可知，随着横截面面积的减小，弯矩承载力减小量呈线性上升趋势，横截面面积减少约20%，弯矩承载力减少约10%。

此外，值得注意的是，在相同的面积缩减百分比下，应变率低的轨枕的弯矩承载力大于应变率高的轨枕的弯矩承载力。

4 结论
本文研究了竖孔对铁路预应力混凝土轨枕抗冲击能力的影响。

研究表明，竖孔破坏了铁路混凝土轨枕的强度和抗冲击能力，因此确保施工现场混凝土轨枕的改造以适当的方式进行对轨道和铁路工程师来说至关重要。

从研究结果来看，竖孔几乎可以减小轨枕10%的动荷载承载能力，也导致弯矩-曲率面积的显著减少，使得结构延性受损。

深入研究具有竖孔的混凝土轨枕的冲击行为，将为铁路特别是对结构检测难度较大的混凝土轨枕建设提供更安全的环境。

［参考文献］
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