1、1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%，其中型枕 837 万根，占混凝土枕总数的5.2%， 型混凝土枕 9618 万根，占混凝土枕总数的 59.2%，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：型枕伤损率为 0.
2、1%，老型枕伤损率为 0.7%，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-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%，
3、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 11.1kNm，中间断面负弯矩 8.03kNm；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11.8kNm，中间断面负弯矩 10.1kNm。显然，轨枕承载能力不足，特别
4、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。2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
5、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
6、一节轨排的 46 根轨枕中有 36 根出现了纵裂。3. 型 枕3.1 型 枕 选 型 的 技 术 研 究 分 析3.1.1 引言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：TB187787） ，继续生产和使用并且通过铁道部组织的专家技术审查的型枕主要有 J-2（图号：专线 322785） 、Y -F（图号：专线 3385-3） 、TKG-2 （图号：研线 9840） 、新型枕（图号：研线
7、 0121）和 Y-T 型（以下除特殊说明的以外，新型枕以外的型枕统称老型枕） 。这些轨枕的长度都是 2.5米，除新型枕外，其余都是老型枕的钢模，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 型枕存在的主要问题尽管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。3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个铁路局
8、对管内铺设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
9、善中间截面的受力状态。 近年内，铁科院对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 8.59.2kN .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 6.87.1kN .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 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。按型枕的铺设要求，枕中道床应不掏空，而根据实测结果，型枕中间截面已处于接近承载水平的受力状态
10、，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，老型枕中间截面的安全贮备有待提高。3.1.3 现行各种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
11、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 Y-F 型枕4Y-F 型枕采用 87.0 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
12、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 Y-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，这也是一种改型枕，使用老型枕的钢模。1998 年由部运输
13、局基础部提出、铁道科学研究院负责研制。其工艺和 Y-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型枕的截面小，钢丝（有专家认为是钢筋）之间净间距为mm，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 新型枕由于对 Y-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型枕（含改型
14、）的专家研讨会，根据各方面所提意见，为了从根本上解决型枕存在的问题，下决心要开展新型枕的研制。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 （
15、GB50090-99）对型枕适用条件的规定如表 3.1.3.4 所5列（道床厚度项略）：表 3.1.3.4-1 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） 2550 1525 815 8客 车 设 计 最 高 速 度（km/h）120 120 100 80钢轨类型（kg/m） 60 50 50 50（43）轨枕铺设根数（根/km） 1840 16801760 16001680 15201640现行铁路线路设备大修规则规定，换轨大修及铺设无缝线路前期工程，应按表3.1.3.4-2 更换和补足轨枕配置根数（道床厚度项略）：表 3.1.3.4-2 大修换枕的配
16、置标准5 年 内 计 划 通 过 总 重（Mt .km/km）50 2550 1525 15钢轨类型（kg/m） 75 60 50 50（43）轨枕配置根数（根/km） 1840 1840 1760 17601680新型枕的设计满足上述规定的运营条件和轨道结构的相应要求，具体归纳如下：适用于年通过总质量 50Mt 及以下各类轨道；旅客列车设计最高速度120km/h；钢轨类型为 60kg/m、50（43）kg/m；道床厚度按现行规范 、 规则的有关规定；适用于 R300m 的曲线、直线轨道。 设计荷载弯矩计算依据根据确定的运营条件和轨道类型，采用设计方法的有关规定计算得出轨下和枕中截面的荷载弯矩
17、值。设计参数设计轴重：25 吨（按 250kN 计）综合动载系数 ：一般轨道 =1.0。轮重分配系数 ：0.48承轨面的枕上动压力 Rd：120kN载弯矩值取整如下：轨下截面正弯矩：M g14.0kN .m枕中截面负弯矩：M z 12.0kN.m 6枕中截面正弯矩：M z 6.0kN.m 现有 型 枕 轨 下 和 枕 中 截 面 正 、 负 荷 载 弯 矩 以 往 的 计 算 值 分 别 为 ： 13.0 kN.m 和10.2kN .m。 新型枕的结构设计特点7.0mm 变形钢丝（压痕、螺旋肋）在型枕、提速岔枕、改型等枕型相继获得成功应用，可使轨枕生产工艺简单、可靠。根据不增加预应力钢丝用量的
18、设计原则，新型枕的配筋仍采用 87.0mm，钢丝净间距和混凝土净保护层厚度均满足规范要求。采用上下两排、每排 4 根钢丝的配筋方案，这种配筋方案有利于提高疲劳强度和使用耐久性。可在既有长模工艺、设备条件下组织生产。混凝土设计的强度等级为 C60；施加预应力时的混凝土立方体强度等级不低于 C45。混凝土强度标准值，设计值和弹性模量等参数均按设计方法的规定。预应力钢丝的抗拉强度不低于 1570MPa；初始张拉力不低于 348kN。当采用级松弛高强度钢丝时，应力总损失值为张拉控制应力的 1617。根据确定的荷载弯矩、配筋方式和数量，混凝土强度等级、预应力钢丝的张拉力和应力总损失值，以及有关截面宽度的
19、设计原则，经计算确定轨下截面和中间截面的高度分别为 205mm 和 175mm，较型枕的相应值分别增加 4mm 和 10mm。其中轨下截面仅增加 4mm，对道床厚度和建筑高度的影响不大。此外，为满足规范规定的混凝土保护层和钢丝净距，轨下截面的侧面坡度采用双坡。由于弹条型和型扣件调距量统一为-12，+8mm，轨枕左右两承轨槽内侧底脚的间距设定为 1208mm，较老型枕的相应尺寸缩小了 4mm。3.1.4 现行各种型枕轨的设计性能对比分析。将 YF、TKG2 和新型这三种主要轨枕进行对比分析，主要性能如表 3.1.4-1所列。由表列值可以得出：与 TGK-2 和 Y-F 枕相比，新型枕的设计承载能
20、力轨下截面下降很小（分别为4.1和 4.2） ，而中间截面则提高较多（分别为 15.0和 15.88） ，达到了加强中间截面的目的，因此承载能力的排座次是：新TGK-2Y -F 。与 TGK-2 和 Y-F 枕相比，新型枕的静载抗裂强度轨下截面下降很小（分别为1.5和 1.3） ，而中间截面则提高较多（分别为 15.2和 18.3） ，达到了加强中间截面的目的，因此设计抗裂强度的排座次是：新TGK-2Y -F 。7新型枕单根轨枕的计算底面积增加 125mm2，在同样列车荷载作用下其道床顶面计算压应力可比其他两种轨枕下降 2左右。单根轨枕重量较型枕增加约 22kg。也是稳定轨道结构的有利因素。据
21、此，在相同的运营条件和轨道结构中铺设新型枕有可能减少每公里的铺设根数。每公里轨枕配置数量直接影响列车荷载的分配以及轨道框架的纵横向稳定性。新型轨枕设计荷载弯表 3.1.4-1 新型枕的主要性能序号 项 目 单 位 新型枕 TGK-2 型枕 Y-F 型枕1 轨枕长度 mm 2500 2500 2500截面尺寸 轨下 枕中 轨下 枕中 轨下 枕中高 度 mm 205 175 201 165 201 165顶面宽度 mm 169 190 165.5 161 165.5 161 2底面宽度 mm 280 250 275 250 275 2503 轨枕重量 kg 273 251 2514 枕底面积 cm
22、2 6700 6575 6575配 筋 87.0 87.0 87.0总张拉力 kN 348 345 345 5用钢量 kg 6.04 6.04 6.046 设计承载弯矩 kN.m 14.00 -12.55 14.57 -10.91 14.59 -10.837 静载抗裂弯矩 kN.m 20.58 -17.21 20.88 -14.94 20.85 -14.558 开裂疲劳钢丝应力增量 MPa 115.8 109.3 114.2 117.0 118.0 145.1矩的计算中，采用了 0.48 的轮重分配系数，对应的轨道配置为：60kg/m 钢轨轨枕间距 600mm； 50kg/m 钢轨轨枕间距 5
23、75mm。较现行铁路线路设计规范和铁路线路大修规则的有关规定在轨枕间距方面已留有余地了。因此，按规范和规则规定的轨枕根数铺设，新型枕的承载能力有足够的安全贮备。一根轨枕的道床横向阻力由三部分组成：相应轨道长度轨枕等部件重量与其底面的摩擦力；轨枕端部道床的被动压力；轨枕侧面道床的主动压力。与其它两种型枕相比，新型枕的单根重量增加了 22kg，按每公里 1760 根（轨枕间距 575mm）铺设的轨枕总重量比按 1840 根（轨枕间距 550mm）铺设的其它两种型枕总重量还多了 18640kg，相当于 74 根老型枕的重量。仅按单根枕重量可提供的枕底摩擦力（道床横向阻力组成之8一）比较，新型枕较其它
24、两种型枕增加约 8.8，而按钢轨方向单位长度枕底摩擦力相比，1760 根/公里铺设的新型枕还比 1840 根/公里铺设的其它两种型枕增加约3.8。以上计算分析是理论值，未考虑侧面和端部的影响值，以及不同道床断面、状态等因素，与实测值会有所出入。但经分析可以说明，在相同的运营条件和轨道结构中，新型枕的每公里铺设根数可以适当减少，而不会影响轨道的稳定性。显然，在不减少每公里铺设根数的情况下，轨道的稳定性将有所提高。主要截面的混凝土最大预压应力值为了防止轨枕混凝土因过大的预压应力导致的内部微细裂缝（特别是纵向裂纹）的产生，对主要截面混凝土的最大预压应力值必须有所控制。 设计方法中规定：全部预应力损失
25、完成后，计算截面混凝土的最大预压应力应不大于 12 N/mm2，主要截面混凝土的最大预压应力的计算值如表 3.1.4-2 所示，均不超过 12 N/mm2，新型枕采用侧面双坡，略为增加截面高度的设计，轨下截面最大预压应力比其它两种型枕的相应值下降11.1和 19.2；中间截面最大预压应力比其它两种型枕的相应值下降 17.9和7.0。表 3.1.4-2 轨枕截面的最大预压应力计算值 枕 型 轨下截面（N/mm 2）中间截面（N/mm 2）新型 6.21 9.63TKG-2 型 69 11.35Y-F 型 7.4 10.3 混凝土保护层厚度、预应力钢丝净距新型枕各截面尺寸均已考虑了与配筋相关的技术
26、要求。在 87.0mm 的新型枕设计中，枕底的混凝土保护层厚度为 42.5mm，枕中顶面的混凝土保护层厚度为31.5mm，枕中上排钢丝侧面混凝土最小保护层厚度为 28mm；而预应力钢丝的最小净距为 26mm，均满足现行规范的相应规定。解决了其它两种型枕不能满足现行规范相应规定的问题。 从现场调查的情况来看，许多轨枕是在微裂（或开裂）的情况下运营使用的。在我国轨枕疲劳检验的标准中，截面的疲劳检验荷载是采用高于抗裂检验标准荷载值，为开裂疲劳检验，主要是考验钢筋的疲劳性能、混凝土与钢筋的粘结疲劳性能以及混凝土的抗压疲劳性能，此时的疲劳强度主要取决于截面开裂后预应力筋的应力增量等。与TGK-2 和 Y
27、 -F 枕相比，新型枕的开裂疲劳钢丝应力增量均有所下降，轨下截面下降 -1.4和 1.9，中间截面下降分别为 7.0和 32.8，由于新型枕的应力增量小，说明其疲劳性能显著提高，要达到与 TGK-2 或 Y-F 相同的裂纹宽度，必须增加疲劳次数或9加大荷载，达到了加强中间截面的目的，可延长其使用寿命。3.1.5 新型枕的静载抗裂、疲劳和极限强度的检验值的确定3.1.5.1 静载抗裂强度检验值根据表 3.1.4-1 所列，新型枕轨下和中间截面的静载抗裂弯矩分别为 20.58 kN.m 和-17.21kN.m。按设计方法规定的静载抗裂检验值的计算公式，可得出检验值如下：轨下截面 156.40kN1
28、60kNP中间截面 124.78 kN125kN轨下和中间截面静载抗裂弯矩与其设计荷载弯矩的比值分别为 1.47 和 1.44。3.1.5.2 疲劳强度检验的最大荷载值根据设计方法规定的疲劳最大荷载计算公式，并以截面边缘名义拉应力达7N/mm2 为准，计算得出轨下和中间截面的疲劳荷载弯矩为 23.72 kN.m 和 18.90 kN.m，相应的最大荷载值为：轨下截面 180.34 kN180kNmaxP中间截面 137.01 kN135kN轨下和中间截面疲劳最大荷载值与静载抗裂荷载之比值分别为 1.13 和 1.08。3.1.5.3 极限（破坏）强度及检验值按设计方法第 5.4 条公式（5-3
29、）及第 6.4 条公式（6-4）可分别计算出新型枕的极限承载弯矩和检验值如表 3.1.5-1。轨下和中间截面极限承载弯矩分别为抗裂强度的1.35 倍和 1.34 倍。各项检验值汇总于 3.1.5-2。表 3.1.5-1 极限承载弯矩及检验值截面类别 极限承载弯矩 Mu（kN .m）0.8 Mu（kN .m） 检验荷载Pu（kN）轨 下 27.79 22.23 230枕 中 23.00 18.40 190表 3.1.5-2 检验值汇总表截面类别 静载抗裂检验 值 P（kN） 疲劳强度最大荷载 值 Pmax（kN）极限强度检验值 Pu（kN）轨 下 160、170 180 230枕 中 125 1
30、35 190在表 3.1.5-2 中，轨下截面的静载抗裂强度检验值列出了 2 个值，其中 160kN 是按公10式计算的结果，170kN 是不计系数 0.95 的计算结果，而此值与现有 型枕轨下截面的检验值相同。 3.1.6 新型枕的静载抗裂和疲劳强度试验等3.1.6.1 静载抗裂强度试验试制轨枕的静载抗裂强度试验在脱模后 48 小时内进行，由各厂分别在厂内完成。3.1.6.2 疲劳强度试验按疲劳最大荷载 Pmax 轨下为 180kN，枕中为 135kN 在混凝土达到设计强度后进行试验。3.1.6.3 新型枕的其它试验新型枕共铺设了 4 个线路试验段，并且在试验段进行了现场动态测试。这些研究工
31、作表明，由于线路状态较好，测出的轨振动荷载均小于设计承载力，而且有一定的安全储备。线路稳定，养护维修工作量少，轨枕使用正常，没有发现损伤等问题。3.1.7 小结和建议通过以上对现行各种型枕的结构型式、生产工艺过程、理论计算和试验研究分析，我们看到：TKG-2 和 Y -F 型枕虽然各有各的优点，但存在难以克服的缺点。在铁道部各司局领导直接支持下研制成功的新型枕，克服了这些缺点，在工艺不变的条件下，即可进行生产。而且与 TKG-2 和 Y-F 型枕相比，有如下的优点： 在轨下截面承载能力变化不大的条件下，中间截面承载能力有较明显的提高（分别提高 15.0和 15.88） 。解决了型枕中间截面承载
32、能力不足的问题。在轨下截面静载抗裂强度几乎相等的条件下，中间截面有较大的提高（分别为15.2和 18.3） ，静载检验标准在轨下截面不变的条件下，中间截面从 110kN 提高到125kN。新型枕单根轨枕的计算底面积增加 125mm2，在同样列车荷载作用下其道床顶面计算压应力可比其他两种轨枕下降 2左右。 单根轨枕重量较型枕增加约 22kg。在相同的运营条件和轨道结构中铺设新型枕有可能减少每公里的铺设根数。新型枕的每公里铺设根数可以适当减少，而不会影响轨道的稳定性。显然，在不减少每公里铺设根数的情况下，轨道的稳定性将有所提高。主要截面的混凝土最大预压应力值轨下截面最大预压应力比其它两种型枕的相应
33、值下降 11.1和 19.2；中间截面11最大预压应力比其它两种型枕的相应值下降 17.9和 7.0。有利于防止轨枕混凝土因过大的预压应力导致的内部微细裂缝（特别是纵向裂纹）的产生。截面的加大，解决了其它两种型枕混凝土保护层厚度、预应力钢丝净间距不能满足现行规范的相应规定的问题，可防止钢丝涨裂轨枕端部现象的发生。开裂疲劳钢丝应力增量轨下截面下降-1.4和 1.9，中间截面下降分别为 7.0和32.8，由于新型枕的钢丝应力增量小，其疲劳性能显著提高，要达相同的裂纹宽度，必须增加疲劳次数或加大荷载，达到了加强中间截面的目的，可延长其使用寿命。所以这几种型枕的性能排座次是：新型枕TKG-2 型枕Y
34、-F 型枕。因此建议尽快推广应用新型枕，达到强化轨道，减少养护维修工作量的目的。另一个建议是，用户最有发言权，在检验机构对工厂进行质量监督的同时，应建立用户对混凝土枕质量的验收制度。3.2 新型枕对于快速路 160km/h 以下速度的适应性分析3.2.1 前言 研究成果和鉴定意见表明：新型枕的设计速度为 120km/h，本节是就新型枕否适用于客车最高运行速度 160km/h 的问题从理论计算和动测试验结果两方面进行论述分析。3.2.2 荷载弯矩和结构承载能力的理论计算分析根据确定的运营条件和轨道类型，采用设计方法的有关规定计算得出轨下和枕中截面的荷载弯矩值。设计轴重：25 吨（按 250kN
35、计） ；轮重分配系数 ：0.48综合动载系数 ：在设计方法中，综合动载系数分两级，对于重载轨道=1.5 ，对于一般轨道 =1.0，老型枕设计采用一般轨道 =1.0 。设计方法研究报告认为，轮轨的不平顺状态、轨枕的不均匀支承或支承失效（即空吊）将会引起很大的动力效应，在平顺的轨道上，仅仅由速度增加的因素引起的动力附加作用不是很大的，只有存在诸不平顺因素的情况下加上速度的因素就会产生不利的动力作用。由现行铁路线路维修规则对于轨道动态几何尺寸容许偏差值可以看出：快速路（客车速度为 121160km/h）的轨道动态几何尺寸容许偏差值较普通线路（速度为121km/h）的要求要严格得多，也就是说其动态不平
36、顺更小，因此其动力增长应该与普通线路基本相同。1994 年，铁科院在沪宁线进行了提速条件下轨枕动力参数现场测试。弯矩综合动载系数 M d/Mj1，M d 为提速列车通过时实测所得轨枕动弯矩值 ， Mj 为提速列车以准静12态 5km/h 通过时实测所得轨枕准静态弯矩值，图 3.2.2 是中间截面荷载弯矩综合动载系数与速度关系点图，可见测试所得到的综合动载系数 在 01.03 之间，随列车速度的提高， 值呈增加趋势，大部分点值落在 00.7 范围内，个别速度下， 值有最大值 1.03出现。因此一般轨道，客车提速到 160km/h，在维修标准较高的快速路综合动载系数 采用 1.0是合理的。根据各已
37、知参数，按设计方法的计算式可计算得出快速路的荷载弯矩：轨下截面荷载正弯矩：M g14.0kN .m枕中截面荷载负弯矩：M z12.0kN .m 枕中截面正弯矩：M z 6.0kN .m由表 3.2.2-2 列值可以得出： 新型枕的轨下和枕中截面荷载弯矩接近或小于其设计承载弯矩和抗裂弯矩，从而满足快速铁路的要求，而且其承载弯矩比 S-2 型枕分别提高了6.9%和 14.1%。表 3.2.2-2 新、老型枕的主要结构性能 kN.m新型枕 S-2 型枕截面 轨下 枕中 轨下 枕中荷载弯矩 14.00 -12.00 14.00 -12.00设计承载弯矩 14.00 -12.55 13.10 -11.0
38、静载抗裂弯矩 20.58 -17.21 19.30 -14.93.2.3 新型枕轨道结构稳定性分析前面章节已经叙述，一根轨枕的道床横向阻力由三部分组成：相应轨道长度轨枕等部件重量与其底面的摩擦力；轨枕端部道床的被动压力；轨枕侧面道床的主动压力。与型枕相比，新型枕的单根重量增加了 22kg，按每公里 1760 根（轨枕间距 575mm）铺设的轨枕总重量比按 1840 根（轨枕间距 550mm）铺设的型枕总重量还多了18640kg，相当于 74 根型枕的重量。仅按单根枕重量可提供的枕底摩擦力（道床横向阻力组成之一）比较，新型枕较型枕增加约 8.8，而按钢轨方向单位长度枕底摩擦力相比，1760 根/
39、公里铺设的新型枕还比 1840 根 /公里铺设的型枕增加约 3.8。以上计算分析是理论值，未考虑侧面和端部的影响值，以及不同道床断面、状态等因素，与实测值会有所出入。但经分析可以说明，在相同的运营条件和轨道结构中，新型枕的每公里铺设根数可以适当减少，而不会影响轨道的稳定性。显然，在不减少每公里铺设根数的情况下，轨道的稳定性比老型枕将有所提高。 133.2.4 现场实测荷载弯矩的对比分析从 1990 年1999 年，我们在广深准高速运行条件下，在铁科院环行线提速到160km/h 的条件下，北京铁路局京原线的试验段上，在大秦线对万吨级单元和组合列车运行条件下，对轨枕荷载弯矩进行了动态测试。结果表明
40、：普通路的荷载弯矩平均值为：轨下截面在 4.416.58kN m 之间，中间截面在-1.3-4.06kN m 之间；荷载弯矩最大的可能值为：轨下截面在 6.7112.57kNm 之间，中间截面在-2.38-6.1kNm 之间。快速路的荷载弯矩平均值为：轨下截面在 2.06.0kN m 之间，中间截面在-3.5-8.7kNm 之间；荷载弯矩最大的可能值为：轨下截面在 6.87.1kN m 之间，中间截面在-8.9-9.2kN m 之间。新型枕的结构承载力（轨下截面 14.0kNm，中间截面在12.55kNm）完全能满足此要求，且有一定的的富裕。从普通路和快速路测试结果的对比分析来看，快速路的荷载
41、弯矩普遍要大一些，但普通路轨下截面荷载弯矩的最大值（大秦线的 11.1kNm 和京原线的 12.57kNm）要比快速路的大。所以总的来说，它们是相当的。3.2.5 小结和建议由以上的理论计算和现场动测分析可以得出如下的结论：在理论计算上，新型枕的综合动载系数 在普通路和快速路的运营条件下取都为 1.0 是合理的，新型枕的结构承载能力满足由此计算得到快速路的（121160km/h）荷载弯矩的要求。新型枕的结构强度和轨道结构的稳定性比老型枕都有所提高，由此将新型枕运用于快速路，其效果肯定比广深线要好。现场动测结果表明：普通路和快速路的荷载弯矩测试结果相当，而且新型枕的结构强度对于在快速路实测得到的
42、荷载弯矩来说，具有一定的富裕量。由以上的分析结果可以看到：新型枕可以在快速路（121160km/h）上使用。3.3 106.25mm 新型枕的试验研究2002 年 12 月的全路工务工作会议后，郑州局、北京局等提出使用截面配筋为106.25mm 新型枕的要求。3.3.1 结构特点分析按照铁道部科研成果预应力混凝土枕设计方法 ，就 106.25mm 新型枕的主要结构性能作一计算，结果如表 3.3.1 所示。14从表 3.3.1 的计算结果来看，106.25mm 和 87.0mm 的这两种新型枕配筋方案总的来说承载能力是相当的。都能满足新型枕的设计荷载弯矩为 14.0kN.m（轨下）和表 3.3.
43、1 106.25mm 新型枕的主要性能对照表配筋方案 87.0mm（X） 10 6.25mm（X）8 7.0mm（YF）总张拉力 kN 348 348 345配筋用钢量 kg 6.04 6.04 6.04截面 轨下 枕中 轨下 枕中 轨下 枕中结构承载能力 kN.m 14.30 -12.55 15.0 -12.0 14.59-10.83静载抗裂弯矩 kN.m20.58 -17.21 21.88 -16.2 20.85 -14.55结构性能 开裂疲劳钢丝应力增量MPa 115.8 109.3 116.7 135.0 118.0 145.112.0kN.m（枕中）的要求。在承载能力和抗裂弯矩方面互
44、有高低，但都很接近。另外，106.25mm 新型枕不仅在强度方面比 Y-F 型枕有明显的提高，而且在开裂疲劳钢丝应力增量方面，比 Y-F 型枕分别下降 1.11（轨下）和 7.48（枕中） ，有利于抑制疲劳裂纹的扩展，或者说，要达到相同的疲劳裂纹宽度，可承受更大的疲劳荷载或增加疲劳荷载作用的次数。106.25mm 新型枕在结构上最大的特点是预应力在轨枕端部截面上的分布更加均匀，和 87.0mm 的配筋方案相比，其单根钢丝的张拉力由 43.5kN 降到 34.8kN，降低了25。对防止枕端混凝土出现裂纹有利。预应力钢丝直径越小，其在混凝土中传递到规定预应力值所需的长度就越短，根据中国建筑科学院
45、1997 年预应力螺旋肋钢丝预应力传递试验的结果，传递长度一般为42D，因此 6.25mm 的传递长度为 263mm，可以有效地将预应力传递到轨枕的控制计算截面（轨下截面） ，而且有更大的安全系数（与 7.0mm 相比） 。在与混凝土握裹面积方面，106.25mm 配筋方案比 87.0mm 的配筋方案增加了11.61。更有利于保证轨枕的结构性能（静载及疲劳强度） ，从而提高轨枕的使用耐久性。在生产工艺方面，每端需要镦头的个数为 10 个，介于 87.0mm 方案和 165.0mm方案之间，不会增加工序的工作量。3.3.2 试验研究分析根据设计图和相关技术条件我们对 106.25mm 新型枕进行
46、了工厂试制、静载抗裂15和疲劳强度试验研究分析。3.3.2.1 静载抗裂试验共有 10 个工厂进行了此种轨枕试制，有 6 个工厂提出了静载试验数据。我们试验所用的 6.25mm 预应力钢丝由天津银龙预应力钢丝有限公司生产。以下对试验数据作出一些分析。在房山桥梁厂的试验中，我们首先把 106.25mm 新型枕和 Y-T 型枕进行了对比试验（如表 3.3.2-1 所示） ，从表可以看出，在首次进行新型枕试制时，由于预应力中心较高（为 93mm） ，中间截面的静载抗裂值很高，致使 2 个轨下截面静载值不合格，在随后的所有试验中，把预应力中心高度调整为 88.5mm（设计图的最终值） ，轨下截面和中间
47、截面静载强度全部合格。试验结果表明：在试制条件基本相同（相同的工厂、相近的生产日期、相同的原材料、相同的配合比、相同的工艺制度和相同的试验机） 、轨下截面静载强度基本相等的前提下，中间截面的静载强度比 TC型枕高 20.1（调整丝位前）23.1（调整丝位后） 。在 2003 年 1 月 5 日2003 年 1 月 22 日在房山桥梁厂进行了多次 106.25mm 新型枕静载试验，结果如表 3.3.2-2 所示。在 2003 年 1 月 5 日的试验中，由于多个丝位偏差超出了规定的偏差限（4，2） ，对中间截面静载强度不利，造成了 3 个中间截面静载强度不合格而相应轨枕的轨下截面静载强度又特别高
48、的的现象，这说明了在生产实践中规范工序、要严格控制丝位偏差的重要性。表 3.3.2-2 中的其余 3 次试验表明，静载强度全部合格，而且有较高的开裂值。除房山桥梁厂外，我们还进行了另外 5 个厂家的试制试验，结果如表 3.3.2-3 所示。试验结果表明：在所有各厂 106.25mm 新型枕丝位合格的轨枕中，除丝位偏差有超限的一批轨枕外，其余静载强度全部合格。各厂之间大范围的统计结果如下：轨下截面的静载开裂强度平均值 X 轨下230.31kN，均方差为 轨下 20.42 kN，有效数据 N70 个，保证率为 95的静载开裂值为 196.7kN；中间截面的静载开裂强度平均值 X 枕中 155.31kN，均方差为 枕中16.0 kN，有效数据 N35 个，保证率为 95的静载开裂值为 128.99kN。可见，轨下
