CN105463948A - 一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其包括两个或两个以上轨枕混凝土块和用于连接轨枕混凝土块的轨枕连接件，轨枕混凝土块呈块状结构，其由混凝土浇筑而成，其内设置有用于固定钢轨的预埋件和连接轨枕连接件的钢筋网片或箍筋；轨枕连接件由多根横向布置在轨枕混凝土块之间的空心钢管构成，在轨枕混凝土块浇筑过程中，同时使空心钢管内灌满混凝土，以此形成钢管混凝土，进而使轨枕连接件和轨枕混凝土块浇筑为一体。本发明将钢管混凝土应用在无砟轨道混凝土轨枕中，用钢管混凝土作为轨枕块连接件，并将钢管混凝土与轨枕混凝土块一体成型，有效增加轨枕几何形位保持能力，减少钢用量，具有制备简单、可施工性强等优点。

Description

一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕

技术领域

本发明属于无砟轨道混凝土轨枕领域，更具体地，涉及一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕。

背景技术

在枕式无砟轨道系统中，轨枕的功能主要是提供无砟轨道道床板施工过程中扣件预埋件定位及轨道几何形位的确定，一方面，为了保证道床板浇筑后轨道几何形位的正确及尽可能减少钢轨精调过程中扣件的调整量，要求轨枕具有良好的形位保持能力，并且在制造、存放、运输及施工过程中其变形量及抗弯、抗扭能力应满足相关要求；另一方面，为了有效控制预制混凝土轨枕和现浇道床板新老混凝土之间产生裂纹的宽度和数量，保证无砟轨道主体结构满足混凝土结构相关耐久性规定要求，传统混凝土长轨枕已经逐步优化设计为通过桁架钢筋连接、定位的混凝土轨枕块。

目前，无砟轨道中混凝土轨枕应用较为广泛的主要包括：(1)法国的Stdedf轨枕，其轨枕连接部件采用角钢；(2)德国雷达2000，其轨枕连接部件采用钢筋桁架或加强杆，如申请公布号CN102277799A，申请公布日2011年12月14日的专利文献公开的一种钢筋焊接网混凝土轨枕；公开号CN101316964A，公开日2008年12月3日的专利文献公开的一种混凝土轨枕；授权公告号CN100443663C，授权公告日2008年12月17日的专利文献公开的一种块式或多块式轨枕及其制造方法，国内目前广泛铺设的CRTSⅠ型块式轨枕就是在雷达2000轨枕基础上消化、吸收、再创新形成的；(3)以钢管作为连接部件的梯形轨枕，如授权公告号CN1135279C，授权公告日2004年1月21日的专利文献公开的一种梯形轨枕和铁路轨道；授权公告号CN1099505C，授权公告日2003年1月22日的专利文献公开的一种铁路路轨之梯架式轨枕额钢管连接件。

然而，进一步研究表明，上述轨枕依然存在以下问题：(1)Stdedf型无砟轨道采用块式混凝土轨枕，轨枕混凝土块间用角钢连接，以增加稳定性，该轨枕生产工艺简单，但轨枕使用角钢较多，成本较高，轨枕抗变形能力差；(2)雷达2000和CRTSⅠ型块式轨枕钢筋桁架为多根直弦杆钢筋和两根波浪形腹杆钢筋的空间焊接结构，其经冷轧、调直、弯曲和焊接等工序生产而成，该钢筋桁架制作需采用专用设备，工艺复杂，设备贵，导致轨枕造价高，其波浪形腹杆波长调整困难，且耗时长，现场适应能力差；(3)以钢管作为连接部件的梯形轨枕，其主要是利用钢管实现两个纵向梁的连接，制备的轨枕适用于有砟轨道，在该轨枕的制备过程中，钢管的端部需进行特殊处理，如端部矫平或利用预应力钢筋及加强杆实现钢管与纵向梁的有效联结及防止回转，其制备工艺复杂，无法实现现场施工。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其中将钢管混凝土应用在无砟轨道混凝土轨枕中，用钢管混凝土作为轨枕块的连接部件，可有效缓解混凝土轨枕在存放、运输等过程中的变形；同时还通过在浇筑轨枕混凝土块的同时实现钢管混凝土的成形，有效增加了轨枕几何形位保持能力，减少了钢筋用量，提高了可施工性，满足轨枕抗弯扭能力的要求；此外，本发明的钢管混凝土端部无需做特殊处理，通过将空心钢管直接置于轨枕混凝土块的制造模具内，即可实现钢管混凝土轨枕的成形，施工方便快捷，因而本发明的钢管混凝土轨枕尤其适用于无砟轨道等场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，包括两个或两个以上轨枕混凝土块和用于连接上述轨枕混凝土块的轨枕连接件，其中：

所述轨枕混凝土块呈块状结构，其由混凝土浇筑而成；每个所述轨枕混凝土块内均设置有用于固定钢轨的预埋件和用于连接所述轨枕连接件的钢筋网片或箍筋，该预埋件用于确保所述轨枕混凝土块与所述钢轨可靠连接；

所述轨枕连接件由多根水平布置在两个彼此相邻的所述轨枕混凝土块之间的空心钢管构成，在所述轨枕混凝土块的现场浇筑过程中，使得所述空心钢管与所述轨枕混凝土块浇筑为一体，并且保证每根空心钢管内均灌满混凝土；以此方式，实现所述钢管混凝土轨枕的现场施工，提高所述钢管混凝土轨枕的可施工性。

作为进一步优选的，所述空心钢管优选为圆形的空心钢管。

作为进一步优选的，所述空心钢管优选为两根，其分布在所述预埋件的两侧。

作为进一步优选的，所述空心钢管优选为三根，上述三根空心钢管优选以下述方式布置：所述三根空心钢管的横截面的圆心连线构成三角形。

作为进一步优选的，所述轨枕混凝土块的侧面设有11:1～7:1的倾角，其上面的边角均进行倒角处理。

作为进一步优选的，所述钢筋网片或箍筋独立的置于所述轨枕混凝土块内，以提高所述轨枕混凝土块的强度。

作为进一步优选的，所述钢管混凝土轨枕的弯曲刚度EI_Z采用如下计算公式获得：

${\mathrm{EI}}_Z=\frac{8{\mathrm{Fl}}^3+5{\mathrm{ql}}^4}{384f};$

其中，F为外界施加在混凝土轨枕中部的集中载荷，l为加载模型中支座间距，q为钢管混凝土轨枕自重产生的均布荷载，f为载荷作用下混凝土轨枕的最大挠曲位移。

作为进一步优选的，所述钢管混凝土轨枕的扭转刚度GI_P采用如下计算公式获得：

其中，T为施加在轨枕混凝土块(2)上的扭矩载荷，为扭矩载荷作用下混凝土轨枕的单位长度扭转角。

作为进一步优选的，所述钢管混凝土轨枕的弯曲刚度为1145.3kN/m²，扭转刚度为61.7kN·m²/rad。

总体而言，本发明在现有无砟轨道混凝土轨枕基础上，针对目前存在的问题，提出了用钢管混凝土取代钢筋桁架的钢管混凝土轨枕，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将钢管混凝土应用在无砟轨道混凝土轨枕中，用钢管混凝土作为轨枕块的连接部件，与一般的组合式钢筋桁架连接相比，整体性更强，可有效缓解混凝土轨枕在存放、运输等过程中的变形；同时通过钢管混凝土与轨枕混凝土块的一体成型，即在浇筑轨枕混凝土块的同时实现钢管混凝土的成形，并将钢管混凝土设计成由多根空心钢管组成，有效的增加了轨枕几何形位保持能力，减少了钢筋用量，提高了可施工性，可在现场直接施工，满足轨枕抗弯扭能力的要求。

2.本发明中的钢管混凝土端部无需做特殊处理，也无需在轨枕混凝土块中设置预应力钢筋，只需将空心钢管直接置于轨枕混凝土块的制造模具内，与轨枕混凝土块浇筑为一体即可，施工方便快捷，无需采用专用的生产设备，工程造价低；且浇筑的轨枕混凝土块基本对称于钢轨竖轴线，与现浇道床板的结合面较小，同时轨枕混凝土块侧面设置成一定坡度的斜面，轨枕混凝土块上面边角均进行倒角处理，便于混凝土轨枕块在制造生产过程中的脱模及减少混凝土的应力集中。

3.通过本发明的钢管混凝土轨枕与现有的钢筋桁架轨枕的抗弯、抗扭对比试验可知，本发明的钢管混凝土轨枕结构的抗弯、抗扭性能良好，保持几何形位能力强，与道床板的结合效果好，轨道的稳定性强；此外，本发明的钢管混凝土轨枕具有制备工艺简单、成本低廉、质量可靠、规格灵活、精度高、误差小等优点，具有高的商业推广和应用前景。

附图说明

图1是本发明采用三根钢管混凝土连接的钢管混凝土轨枕示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的侧面剖视图；

图4是本发明的采用两根钢管混凝土连接钢管混凝土轨枕示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的侧面剖视图；

图7是双钢管混凝土轨枕弯曲刚度加载方式；

图8是双钢管混凝土轨枕扭转刚度加载方式；

图9是多钢管混凝土轨枕示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-6所示，一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，包括两个轨枕混凝土块2和用于连接两个轨枕混凝土块2的轨枕连接件3(即钢管混凝土)，两个轨枕混凝土块2呈块状结构，其用混凝土浇筑而成；两个轨枕混凝土块2内均设置有用于固定钢轨1的预埋件5，该预埋件5使得每个轨枕混凝土块2均对称于安装在其上的钢轨1的竖轴线，并确保轨枕混凝土块2与钢轨1通过扣件可靠连接；钢管混凝土位于两个彼此相邻的轨枕混凝土块2之间，以用于将两个轨枕混凝土块2连接为一个整体，其中，钢管混凝土利用多根空心钢管水平横向布置于彼此相邻的两个轨枕混凝土块2的制造模具内，与轨枕混凝土块2浇筑为一体，在浇筑过程中，同时在每根空心钢管内均灌满混凝土，上述横向与钢轨1的布置方向垂直，其中，钢管混凝土中的空心钢管优选为圆形的空心钢管，其也可为方形空心钢管，数量优选为两根或三根，并采用如下方式布置(如图3和6所示)：两根空心钢管位于预埋管件5左右两侧；三根空心钢管的横截面的圆心连线构成三角形，该横截面与钢轨1的布置方向垂直。通过采用上述结构的钢管混凝土，可有效增加轨枕几何形位保持能力，减少钢筋用量，提高可施工性，便于其在现场直接施工，但本发明中对空心钢管的数量不限于上述实施例的具体值，可以根据实际需要进行具体选择。轨枕混凝土块2上表面不设内、外侧挡肩，方便施工人员踩踏；轨枕混凝土块2的侧面设11:1～7:1的倾角，以便于制造时脱模，轨枕混凝土块上面的边角均进行倒角处理，不仅方便脱模，而且可防止或减小周围道床板混凝土的应力集中，减小道床板混凝土的裂纹；轨枕混凝土块2内设置钢筋网片或箍筋4，该钢筋网片或箍筋4独立的置于轨枕混凝土块2内，以提高轨枕混凝土块的强度。上述钢管混凝土轨枕预制后埋入现场浇筑的混凝土道床板中，是枕式无砟轨道系统的重要组成部分之一。

此外，通过本发明还可获得具有三个及以上轨枕混凝土块的钢管混凝土轨枕(如图9所示)，以便于适用于各种多轨路段。另外，根据实际强度试验及强度需求，也可采用塑料空心管等任何形式的空心管替代本发明中的空心钢管，只需保证其强度、抗弯、抗扭性能满足要求即可。

为了获得本发明钢筋混凝土轨枕的力学性能，本实施例进行钢管混凝土轨枕与现有钢筋桁架轨枕的抗弯、抗扭对比试验。

弯曲刚度对比试验如图7所示，模型中钢筋桁架轨枕和钢筋混凝土轨枕的加载方式相同，都是左右两端线状简支约束，通过对比试验得出如下试验结果：

(1)钢筋桁架轨枕弯曲刚度

①结构自重产生的均布荷载q＝938.1N/m

②集中荷载：F＝1000N

③挠曲位移：f＝0.283mm

④模型中支座间距：l＝1.8m

弯曲刚度： ${\mathrm{EI}}_Z=\frac{8{\mathrm{Fl}}^3+5{\mathrm{ql}}^4}{384f}=\frac{8\×1000\×{1.8}^3+5\×938.1\×{1.8}^4}{384\×0.283\×{10}^{-3}}=882.4kN/m^2.$

(2)钢管混凝土轨枕弯曲刚度

①结构自重产生的均布荷载q＝1140N/m

②集中荷载：F＝1000N

③挠曲位移：f＝0.172mm

④模型中支座间距：l＝1.5m

弯曲刚度： ${\mathrm{EI}}_Z=\frac{8{\mathrm{Fl}}^3+5{\mathrm{ql}}^4}{384f}=\frac{8\×1000\×{1.5}^3+5\×1140\×{1.8}^4}{384\×0.127\×{10}^{-3}}=1145.3kN/m^2.$

通过上述模型试验结果可知钢管混凝土轨枕的弯曲刚度优于钢筋桁架轨枕的弯曲刚度。

扭转刚度对比试验如图8所示，模型中钢筋桁架轨枕和钢筋混凝土轨枕的加载方式相同，左侧轨枕块上下表面中间区域用夹板夹住扭转，右侧完全固定，通过对比试验得出如下试验结果：

(1)钢筋桁架轨枕扭转刚度

①扭矩荷载：T＝1000N·m

②单位长度扭转角：

扭转刚度：

(2)钢管混凝土轨枕扭转刚度

①扭矩荷载：T＝1000N·m

②单位长度扭转角：

扭转刚度：

其中，T为当轨枕一侧混凝土块固定时施加在另一侧混凝土块上的扭矩载荷，通过上述模型试验可知双钢管混凝土轨枕扭转刚度略小于双钢筋桁架轨枕扭转刚度。

在本实施例中，还将钢筋桁架轨枕和钢筋混凝土轨枕的单根轨枕用钢量进行了对比，通过计算得出钢筋桁架轨枕的单根轨枕用钢量为18.1kg，钢管混凝土轨枕的单根轨枕用钢量为16.6kg，钢管混凝土轨枕的单根轨枕用钢量小于钢筋桁架轨枕。

综上所述，本发明的钢管混凝土轨枕在弯曲刚度、单根轨枕用钢量上均优于钢筋桁架轨枕，扭转刚度略小于钢筋桁架轨枕，因此具有很高的理论价值和商业推广前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，包括两个或两个以上轨枕混凝土块(2)和用于连接上述轨枕混凝土块(2)的轨枕连接件(3)，其中：

所述轨枕混凝土块(2)呈块状结构，其由混凝土浇筑而成；每个所述轨枕混凝土块(2)内均设置有用于固定钢轨(1)的预埋件(5)和用于连接所述轨枕连接件(3)的钢筋网片或箍筋，该预埋件(5)用于确保所述轨枕混凝土块(2)与所述钢轨(1)可靠连接；

所述轨枕连接件(3)由多根水平布置在两个彼此相邻的所述轨枕混凝土块(2)之间的空心钢管构成，在所述轨枕混凝土块(2)的现场浇筑过程中，使得所述空心钢管与所述轨枕混凝土块(2)浇筑为一体，并且保证每根空心钢管内均灌满混凝土；以此方式，实现所述钢管混凝土轨枕的现场施工，提高所述钢管混凝土轨枕的可施工性。

2.如权利要求1所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述空心钢管优选为圆形的空心钢管。

3.如权利要求1或2所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述空心钢管优选为两根，其分布在所述预埋件(5)的两侧。

4.如权利要求1或2所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述空心钢管优选为三根，上述三根空心钢管优选以下述方式布置：所述三根空心钢管的横截面的圆心连线构成三角形。

5.如权利要求4所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述轨枕混凝土块(2)的侧面设有11:1～7:1的倾角，其上面的边角均进行倒角处理。

6.如权利要求5所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述钢筋网片或箍筋独立的置于所述轨枕混凝土块(2)内，以提高所述轨枕混凝土块(2)的强度。

7.如权利要求6所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述钢管混凝土轨枕的弯曲刚度EI_Z采用如下计算公式获得：

${\mathrm{EI}}_Z=\frac{8{\mathrm{Fl}}^3+5{\mathrm{ql}}^4}{384f};$

其中，F为外界施加在混凝土轨枕中部的集中载荷，l为加载模型中支座间距，q为钢管混凝土轨枕自重产生的均布荷载，f为载荷作用下混凝土轨枕的最大挠曲位移。

8.如权利要求7所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述钢管混凝土轨枕的扭转刚度GI_P采用如下计算公式获得：

其中，T为施加在轨枕混凝土块(2)上的扭矩载荷，为扭矩载荷作用下混凝土轨枕的单位长度扭转角。

9.如权利要求7或8所述的适用于无砟轨道的钢管混凝土轨枕，其特征在于，所述钢管混凝土轨枕的弯曲刚度为1145.3kN/m²，扭转刚度为61.7kN·m²/rad。