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%，Ⅱ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：Ⅲ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.Ⅰ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11.1kN·m，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10.1kN·m。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15.7kN·m，中间断面负弯矩11.3kN·m。

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：

①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%。

②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。

③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4～5mm，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

3.1 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。

①1991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。

②1994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。

③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8.5～9.2kN.m，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6.8～7.1kN.m，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70～85%。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，Ⅱ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。

3.1.3 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4Φ10.0mm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。

3.1.3.2 YⅡ-F型枕

YⅡ-F型枕采用8Φ7.0规律变形钢丝（有认为是钢筋的），分上下四排布筋，每排2