混凝土轨枕

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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。

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