铁路用塑料轨枕与合成材料轨枕设计方法分析

铁路用塑料轨枕与合成材料轨枕设计方法分析

尤瑞林;rica Andrade Silva;Sakdirat Kaewunruen

【摘要】Sleeper is an important component of ballasted track structure and sleeper materials are mainly wood,steel and concrete at present.In recent years,plastic sleeper and synthetic material sleeper gradually developed and were applied in the field of world railway because of their good durability,corrosion resistance and convenient transportation and laying easily.There are no design specifications for plastic sleepers and synthetic material sleepers,and the design is only on the basis of engineering experience and related technical guidelines.The service and design condition of sleeper with different materials were summarized,the material characteristics,damage types and the main factors producing the damages for sleeper with different materials were compared.The characteristics of two kinds of structural design methods were analyzed emphatically in this paper,which were the allowable stress method and the limit state method.The comparative analysis results shows that the limit state design method has more advantages,which should be applied to the standard design and product optimization for plastic sleeper and synthetic material sleeper.%轨枕是有砟轨道结构中重要的部件,目前轨枕材料主要是木材、钢材和混凝土.近年来,由于耐久性好、不易腐蚀、便于运输铺设等特性,塑料轨枕与合成材料轨枕在世界铁路领域逐渐得到发展和应用.目前尚无塑料轨枕与合成材料

轨枕的设计规范,仅依据工程经验及相关技术指南来设计.本文总结梳理了不同材质

轨枕的使用和设计情况,对比了不同材质轨枕的材料特性、伤损类型及伤损主要影

响因素,重点分析了目前常用的容许应力法和极限状态法2种结构设计方法的特点.对比分析结果表明,极限状态设计法具有更大优势.建议利用该方法对塑料轨枕与合

成材料轨枕开展标准设计和产品优化工作.

【期刊名称】《铁道建筑》

【年(卷),期】2017(057)008

【总页数】6页(P115-120)

【关键词】铁路轨枕;塑料轨枕;合成材料轨枕;容许应力法;极限状态法;分析研究【作者】尤瑞林;rica Andrade Silva;Sakdirat Kaewunruen

【作者单位】中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;伯明翰大学土木工程系,英国伯明翰 B15 2TT;伯明翰大学土木工程系,英国伯明翰 B15 2TT

【正文语种】中文

【中图分类】U213.3

铁路轨枕是有砟轨道结构中重要的轨道部件。轨枕的主要功能是承担列车轮载并将其传递至道床，道床接着将荷载传递至铁路下部基础［1-2］。在有砟轨道结构中，轨枕的另一项重要功能是避免轨道发生横向和纵向位移，提供横向阻力从而保证轨道结构的稳定性［3-4］。当轨枕的横向阻力不足时，轨道结构可能胀轨跑道。

轨枕按照材料类型可以分为木枕、钢枕、混凝土轨枕、塑料轨枕与合成材料轨枕。混凝土轨枕、木枕以及相关国家使用的钢枕是传统材料制作的轨枕。表1为2010年不同类型轨枕在欧洲国家干线铁路中的使用情况［5］。2013年，我国国家铁

路在线轨枕23 899万根。其中:木枕1 383万根，约占 5.8%;混凝土枕20 225万根，约占84.6%;其他轨枕2 291万根，约占9.6%［6-7］。

轨枕的更换维修成本占轨道结构养护维修费用很大一部分。美国和加拿大每年大约有5%的轨枕需要更换［8-9］。德国铁路部门可预期的养护维修工作中有1 100

万根轨枕需要更换［10］。澳大利亚铁路部门每年有25%～35%费用用于养护维修，其中包括更换轨枕［11］。轨枕高昂的维修成本，也显示了该领域研究工作

的重要性和必要性。

塑料轨枕与合成材料轨枕是近几年在世界铁路领域逐渐发展和应用的一种新型轨枕，但目前还未针对其设计方法开展过深入研究。因此本文在分析不同材料轨枕使用情况和设计方法的基础上，对比不同结构设计方法对塑料轨枕与合成材料轨枕的适用性，为下一步产品的标准化和优化设计提供参考。

早期铁路轨枕通常采用的是硬质木材。目前，全世界铁路网中仍有大约25亿根木枕。澳大利亚仅昆士兰州就有800万根铁路木枕［8］。木枕在使用过程中表现出了较好的稳定性和承载能力［12］，但是木材会不断劣化从而降低其使用性能。

木枕可用于不同类型的铁路线路中，由于其具有维修性较好、便于搬运、更换简单、不需要大型维修机械等特性，在各国铁路网中仍在应用。木枕的主要伤损形式包括磨损和断裂。轨下垫板和道砟都会对木枕产生磨损作用，而运营过程中列车荷载产生的应力是导致木枕断裂的主要原因［13］。除了上述伤损之外，由于承受的剪

应力过大，铁路线路中木枕端部劈裂的现象时有发生［14］。木枕还有另外一种

伤损形式是真菌腐蚀，大部分的木枕是由于真菌腐蚀而失效(见图1)。

在19世纪80年代，由于木材缺乏，钢枕开始在铁路网中普遍应用。经过了多年

发展，钢枕最初的设计形状已经被目前Y形所替代［15］。我国铁路钢枕使用较少，仅在岔区的转辙器位置少量使用，而澳大利亚是目前钢枕使用数量最多的国家，其铁路网内13%的轨枕是钢枕［8］。钢枕比木枕承载能力更强，但由于钢枕是倒扣的，所以向枕底填充道砟非常困难，轨道养护维修成本较高。

另外，钢枕的腐蚀率较高、与道砟的结合不紧密、绝缘成本较高等因素也导致其在