预应力钢筋混凝土轨枕的冲击试验
岩土工程师专业辅导：预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性2
2 混凝⼟轨枕裂缝的成因 混凝⼟轨枕裂缝的⽣成可以从结构、⼯艺、材料等⽅⾯探讨，也可从设计、制造、铺设、使⽤等⽅⾯研究。
在此，仅从物理、化学、⼒学的⾓度进⾏分析。
2.1 ⼒学因素 混凝⼟轨枕所受弯矩的⼤⼩不仅与枕上动压⼒有关，⽽且与枕下道碴⽀承状态有关。
原先设计规定铺设和养护时应使轨枕中间部分掏空400rnm，掏空部分道碴顶⾯应低于枕底30mm，避免负弯矩过⼤⽽产⽣枕中上部横裂。
近年来要求中间不掏空，即中间应垫满浮碴。
设计时假设中间部分的⽀承反⼒应为轨下部分的 3/4(掏空时为0)。
与⼀般的预应⼒混凝⼟制品不同的是轨枕的⽀承状态随着列车的运⾏及养护维修条件⽽不断变化，⼀旦当⽀承状态与枕上垂直动压⼒⼒联合作⽤引起的弯矩超过设计限值时，则轨枕的相应部分就会产⽣如图1、图2所⽰的裂缝。
此外当预加应⼒偏⼤⽽脱模时混凝⼟强度⼜不⾜时，轨枕端部就会产⽣如图 5、图6所⽰的纵向裂缝;列车运⾏时对钢轨的⽔平和纵向作⽤⼒和螺旋道钉引起的上拔⼒⼜会使轨枕螺栓道钉孔周围产⽣如图3、图4所⽰的纵向裂缝和横向裂缝。
由于预应⼒混凝⼟轨枕横向裂缝(轨下正弯矩和枕中正、负弯矩)在计算和试验⽅⾯均已有诸多研究，⽽纵向裂缝的计算及试验却很少涉及。
在此，仅对端部纵向裂缝(或称⽔平裂缝)作⼀分析： 根据清华⼤学研究，先张法⾼强钢丝预应⼒混凝⼟梁，当预应⼒值较⾼时，沿梁⾼离开预应⼒筋⼀段距离，靠近中和轴附近，在梁端⾯上出现拉应⼒6Y，常引起端头裂缝，如图8所⽰。
通过20余根梁的模拟试验，建⽴了端⾯拉应⼒计算公式：6Ymax=k6 o 式中：6 o⼀梁端横截⾯上平均压应⼒：6 o=N/A (A为梁端横截⾯积，N为混凝⼟预压⼒); k⼀应⼒系数，其变化规律可近似表达为： k=1/{18(e/h)2⼗0.25} 式中：e⼀集中⼒距底边的距离;h⼀为端部梁⾼; 裂缝发⽣的位置C(裂缝与梁底⾯的距离)：√eh 梁的抗裂性验算必须满⾜下式要求：6Ymax≤rf t 式中：f t⼀混凝⼟的抗拉强度; r⼀塑性系数(⼀般取1.7) 将以上研究结果⽤来验算预应⼒混凝⼟轨枕的端部拉应⼒，得出表l. 由表1可见，预应⼒引起的轨枕端⾯⽔平拉应⼒6Ymax约为混凝⼟设计抗拉强度的75~90%，并为考虑塑性变形后的混凝⼟抗拉强度的50%，单⼀因素，轨枕单⾯是不会产⽣纵向裂缝的。
铁路预应力混凝土竖孔轨枕抗冲击性能研究
铁路预应力混凝土竖孔轨枕抗冲击性能研究王开杨（中交第二公路工程有限公司，陕西西安 710065）［摘要］铁路预应力混凝土轨枕的作用主要是将车轮荷载从轨道传递到下部基础，同时有效保持轨道的轨距，让列车安全运行。
预应力混凝土轨枕在铁路轨道中最为常用，由于其他设施如信号装置、光纤、电缆等经常被镇流器或捣固机损坏，因此有必要对混凝土轨枕进行改造，以便在内部铺设电缆等设施，使其不会受到有害或恶劣环境的影响。
本文从以往的研究扩展到轨枕孔洞和腹板开口的设计标准，基于混凝土轨枕极限强度设计的修正压力场理论（MCFT），着重介绍混凝土轨枕在动力瞬态荷载作用下的结构承载力。
本文的研究结果有助于加深对预应力混凝土竖孔轨枕动力性能的认识，为铁路行业的轨道维护提供建议。
［关键词］铁路；预应力混凝土轨枕；竖孔；修正压力场理论［中图分类号］U213.3 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）07-0137-04Research on impact resistance of railway prestressed concrete vertical hole sleepersWANG Kai-yang铁路是现代最高效、最有效的运输方式之一，可以用来运输货物、旅客、矿产、粮食等［1］。
铁路预应力混凝土轨枕已经在铁路行业中使用了50多年，是铁路轨道结构的主要组成部分［2］。
轨枕可以由木材、混凝土、钢材或其他工程材料制成［3］。
几十年前，它们已经被系统地引入铁路行业，目前几乎遍及世界上所有的铁路网。
轨枕主要有将荷载从轨底转移和分配到下部基础、通过钢轨扣件系统将钢轨固定在合适的轨距上、保持轨道倾角以及抑制铁轨的纵向、横向和垂直运动等作用，以保证列车的安全通行［4］。
铁路轨枕是铁路轨道系统中有关结构安全的关键部件，因此必须对轨枕进行可靠的设计和分析，以保证公共安全和列车运行的可靠性［5］。
轨枕的关键性能标准，如静态能力、动态强度和极限冲击载荷能力都应进行评估，因为每个属性都是重要的并且是相互联系的。
铁路工程原材料试验检测及常见问题分析
铁路工程原材料试验检测及常见问题分析一、引言铁路工程是重要的交通运输基础设施，对于国家经济发展和人民生活具有重要的意义。
在铁路建设和维护过程中，原材料的选择和质量是至关重要的。
为了保障铁路工程的安全性和持久性，需要对原材料进行试验检测，并分析常见问题，及时采取措施予以解决。
本文将对铁路工程原材料的试验检测和常见问题进行介绍和分析。
二、铁路工程原材料试验检测铁路轨道是铁路工程的重要部分，其材料的质量直接关系到铁路线路的安全与舒适。
铁路轨道的材料主要有钢轨、混凝土轨枕、轨道圆木等。
钢轨是铁路轨道的主要材料，其试验检测主要包括材质分析、化学成分分析、力学性能检测等。
混凝土轨枕的试验检测主要包括抗压强度、抗冻性、吸水率等指标的检测。
轨道圆木的试验检测主要包括树种鉴别、含水率、力学性能等指标的检测。
铁路路基是支撑铁路轨道的重要部分，其材料的质量直接关系到铁路线路的稳定性和安全性。
铁路路基的主要材料包括碎石、砾石、砂石等。
其试验检测主要包括颗粒级配、强度、含水率等指标的检测。
三、铁路工程原材料常见问题分析1.铁路轨道材料常见问题（1）钢轨的轨面磨耗过大，造成轨道几何形状不合格；（2）混凝土轨枕的抗压强度不达标，导致轨枕的开裂和变形；（3）轨道圆木的含水率偏高，容易发霉和腐烂。
（1）碎石的颗粒级配不合格，影响路基的排水和稳定性；（2）砂石的含泥量偏高，影响路基的抗渗性和抗压强度。
（1）钢筋混凝土的预应力损失过大，影响桥梁的承载能力；（2）焊接接头处存在裂纹和气孔，影响钢结构的受力性能。
Ⅲc 型预应力混凝土枕预埋套管抗拔力检验不合格成因分析及对策
Ⅲc 型预应力混凝土枕预埋套管抗拔力检验不合格成因分析及对策摘要：Ⅲc 型轨枕成品检验项目共29 项，包括外观质量、外形质量和力学性能检验。
预埋套管抗拔力检验是5 项力学性能检验的一种，它是在轨枕脱模养护28 天后，每批轨枕抽检2 根轨枕，每根轨枕检测一个套管抗拔力，只有两根轨枕均合格代表本批轨枕合格，否则判整批轨枕抗拔力不合格。
所以预埋套管抗拔力试验存在检验滞后、代表数量大的特点，并且是直接判定轨枕合格与否的关键性能。
本文就莱阳轨枕场Ⅲc 型轨枕预埋套管抗拔力检验的影响因素做出了分析并制定相应的对策，大大提高了预埋套管抗拔力检验合格率，为同类型施工做出了借鉴。
关键词：Ⅲc 型轨枕成品检验预埋套管抗拔力影响因素对策引言混凝土轨枕是一项重要的铁路器材，也是我国产量和用量都大的一项重要水泥制品。
随着我国铁路建设事业的不断发展和高速重载铁路的需要，对铁路轨枕的性能和质量的要求也不断提高，驱使轨枕产品的不断升级换代。
Ⅲc 型预应力混凝土枕主要用于重载、提速的铁路线路。
Ⅲc 型预应力混凝土枕具有结构强度大、纵横向稳定性和整体刚度好、安装方便、配置数量少等优点，是目前有砟轨道使用轨枕中耐久性最好、使用量最大的轨枕，市场需求量大。
Ⅲc 型枕的截面、配筋等和Ⅲa 型枕相同，也为有挡肩，只是预留孔硫磺锚固改为采用 D1 型塑料套管。
我国目前Ⅲa 型枕的机组流水法预制工法较成熟，但年平均产量在 40 万根左右，远不能满足青荣线有效预制工期要求。
所以莱阳轨枕场借鉴其他厂Ⅲa 型枕的预制工法，并在此基础上将每个工位单位效能加以改进、升级，以机械化生产代替人工作业。
从钢筋半成品加工到各工艺流程全部改为最大化机械生产，标准高、效率快；加多工位设置，分散工序操作，缩短流水节拍；增加缓存工位、释放吊车利用率，保证流水作业连续，提高安全系数。
一些列改进后仅在试生产的第四个月就顺利通过了国家铁路部上道技术审查，此工法得以在青荣城际铁路线上推广使用。
预应力钢纤维混凝土铁路轨枕生产检验规定
预应力钢纤维混凝土铁路轨枕生产检验规
定
【学员问题】预应力钢纤维混凝土铁路轨枕生产检验规定？
【解答】一、按现行标准《钢纤维混凝土试验方法》进行钢纤维混凝土抗压强度、抗拉强度检验；
二、按铁道部标准《预应力混凝土轨枕静载抗裂试验方法》进行轨枕静载抗裂强度检验，轨下截面静载抗裂荷载应大于230kN，中间截面静载抗裂荷载应大于180kN；
三、按铁道部标准《预应力混凝土轨枕疲劳试验方法》进行轨枕疲劳强度检验，疲劳荷载的上限值：轨下截面为200kN，中间截面150kN，循环特征值ρ=0.2；
四、进行轨枕外观及外形尺寸检验。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。
混凝土枕产品检验标准
混凝土脱模抗压强度
静载抗裂强度
3
Ⅲa型枕
混凝土枕（TB/T2190—2013）
外观质量和各部尺寸
混凝土脱模抗压强度
静载抗裂强度
4
Ⅲc型枕
TB/T3300-2013 高速铁路有砟轨道预应力混凝土轨枕
外观质量和各部尺寸
混凝土脱模抗压强度
静载抗裂强度
预埋套管抗拔力
5
Ⅲqa型枕
TB/T 2190-2013 混凝土枕
3.每一检验数含两侧2个测量值，其中若有一个测量值未达标，判该检验数未达标。
3
混凝土脱模强度
A
≥45.0MPa
按GB/T50081—2002的规定进行。试压1组混凝土脱模抗压强度试件，核查企业记录。
1.型式检验1/批
2.出厂检验1/池
压力试验机
≥10批
4
混凝土28d强度
A
按TB10425—94进行评定合格
500kN轨枕静载试验机
5倍照明放大镜
1.试验样品为出池后48小时之内的轨枕。
2.每枕3个截面（检验数），6根轨枕共18个检验数。
3.每一个检验数含两侧2个测量值，其中若有一个测量值未达标，判该检验数未达标。
2.
疲劳强度
A
1.轨枕在疲劳荷载下，循环加载2×106次，卸荷回零后3分钟，受拉区下缘钢丝处的残余裂缝宽度不得大于0.05mm。
6
500mm游标卡尺
枕中
165
17
轨底凹形花纹深度
C
10
在轨枕一端选3个典型凹花（深、中、浅）测量。用150mm钢直尺竖放于凹花壁上，用另一150mm钢直尺置于凹花底部，读取两尺相交的凹花深度值。
16轨枕静载试验操作指导书(作业指导书)
混凝土轨枕静载试验操作指导书1适用范围本作业指导书适用于公司生产的预应力混凝土枕(含宽枕、桥枕、岔枕)产品的静载抗裂试验。
2引用标准预应力混凝土枕静载抗裂试验方法TB/T1879预应力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型TB/T2190混凝土岔枕技术条件TB/T30803试验条件预应力混凝土枕（以下简称轨枕）静载抗裂试验条件应满足要求：3.1采用轨枕静载抗裂试验机进行,并在检验有效期内使用；3.2轨枕应从长度为2.5m至3.0m产品中抽取；3.3轨枕应从外观及及各部尺寸合格的产品中抽取；3.4试验用量测仪表应预先进行标定或校准;3.5观察裂缝采用5倍放大镜并有照明装置。
4准备工作试验前的准备工作应符合下列规定：4.1首先，试验前应对电气、油路各方面进行检查，确认传感器及各种阀门与电气控制框已连接好；4.2开启电源等待显示正常，预热15分钟；4.3轨枕支承的中心位置应符合标准或设计的要求。
5荷载布置试验轨枕的荷载布置应符合下列规定：5.1轨枕的试验荷载布置应符合标准或设计的要求；6加载方法加载方法应根据标准或设计的加载要求进行。
6.1 将轨枕吊放于小车，轨枕两端应在小车标尺零线的±50mm 范围内。
移动小车，使待试验样品的截面在试验机中心，利用靠尺使轨枕试验截面与试验机加载支座对位，然后垫上橡胶垫板。
6.2选择相应的轨下或轨中键，其上方指示灯亮,并顺序完成空行程快速接近和慢进加初始荷载,产生大于5.0kN的荷载后再按加载键,使荷载以设定的速度匀速上升到规定恒载值，恒载值保持到设置好的时间(180秒)。
恒载阶段后，是自动卸载还是手动卸载或继续加载由设置的内容决定。
并在整个加载过程中用照明加放大镜观测轨枕两侧受拉区，如在试验中发现轨枕产生裂纹，按开裂键，面板相应方框中将显示左侧当前开裂荷载值、右侧当前开裂荷载值、保载过程中产生裂纹的时间值及显示开裂时间。
6.3若按住开裂键，则停止加载，松开开裂键，继续加载，对设置状态出现裂纹后不欲继续加载，则按暂停键即可卸载，试验完毕按复位键。
预应力混凝土轨枕裂缝的成因及防治
预应力混凝土轨枕裂缝的成因及防治摘要：随着科学的发展和进步，火车速度日益提高。
目前我国铁路使用的轨枕已从原来的木制轨枕更新为预应力钢筋混凝土轨枕。
混凝土轨枕质量的好坏，关系到人民的生命财产安全，一旦预应力钢筋混凝土轨枕质量出现问题，将给人民的生命、财产带来严重威胁。
关键词：预应力混凝土；裂缝；防治措施1引起裂缝主要的因素1.1温度变化引起的裂缝。
混凝土从浇筑至硬化过程中，由于水泥的水化作用将产生并释放大量的水化热，造成轨枕内部温度较大，膨胀不一致，轨枕表面产生拉应力，内部产生压应力，当内外应力不均衡时便产生了裂缝；二是轨枕在脱模时，轨枕温度较高，超过了规范规定的环境温度与轨枕表面温度之差，就会产生温度收缩，轨枕表面会产生很大的拉应力，而形成表面裂缝；三是施工过程中人为因素引起的温度变化，如新布的混凝土与剩余混凝土的接触面、布灰不均匀新旧混凝土分层分块不合理等；四是在蒸汽养护过程中升温过快，恒温温度又很高时，由于混凝土中的材料热膨胀系数不同，而混凝土初期结构强度又很低，高温使气、水大大膨胀，造成混凝土内部结构缺陷，容易引起轨枕端部表面的混凝土龟裂疏松，出厂时仅有肉眼不可见的微细裂缝，在运营使用过程中受到外力的不断作用，以及环境的干湿、冻融影响，也会是裂缝的宽度、长度发展。
1.2混凝土的收缩变形引起的裂缝。
混凝土振捣完成后进入预养阶段，在空气中结硬时体积要收缩变形，这种变形不同程度地受到外界的约束作用，如预应力钢筋、箍筋等，对于这些受到约束而不能自由伸缩的轨枕，混凝土的干缩就可能导致细小裂缝的产生，实践表明有挡肩的轨枕要比无挡肩的轨枕裂缝高于很多倍。
另外在施工中要严控配合比，人们往往为了施工方便，对控制用水量有很大的随意性，其施工用水量常常大于试验室提供的配合比用水量，致使混凝土坍落度大，泌水现象明显，这种混凝土往往伴随着较大的塑性收缩，从而出现塑性收缩裂缝。
1.3碱―骨料化学变化引起的裂缝。
如果混凝土中含有碱活性骨料和碱含量高的水泥，或受到含有可溶性硫酸盐的水作用时，反应生成物遇水可产生膨胀，导致混凝土体积的变化而形成裂缝。
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预应力钢筋混凝土轨枕的冲击试验
摘要：伍伦贡大学采用了大功率重锤冲击试验机以评估预应力钢筋混凝土轨枕在冲击荷载下的脉冲应变影响。
本文不仅详细介绍了大功率重锤冲击试验机，试验的仪表化和标准化，还包括故障模型分析、裂纹扩展、弯曲刚度和能量吸收机制。
测试用的预应力轨枕由澳大利亚制造，现场的轨道基床已由实验室模型获得的频率响应函数进行了模拟和校准。
试验主要利用大功率重锤冲击试验机研究了预应力轨枕的能量转移机制。
关键字：预应力钢筋混凝土轨枕，冲击试验，有砟铁轨
Abstract:
The wollongong university high power hammer impact test enginery prestressed concrete sleeper to assess the impact of the load in pulse strain effects. This paper not only introduces detailed high-power hammer impact test enginery, test instrument, and standardization, including failure model analysis, crack propagation, bending stiffness and energy absorption mechanism. Test of prestressed sleeper by Australia manufacturing, the scene of rail and the bed had been obtained by laboratory model frequency response function and calibration of the simulation. Test the main use high power hammer impact test enginery studied energy transfer mechanism of prestressed sleeper.
Key word: prestressed concrete sleeper, impact test track a frantic jumble
1.引言
本文通过对轨道环境的模拟，使用冲击试验方法研究了预应力钢筋混凝土轨枕的能量转移机制，并重点用试验验证了轨枕的极限抗冲击性和破坏模型。
试验所用的预应力钢筋混凝土轨枕基于澳大利亚标准AS1085.14[2]设计制造，轨道的支撑环境由弹性材料模拟，该材料已被现场和实验室震动测定所验证[3]。
本次试验采用的是大功率冲击试验机，以评估柔性支撑环境下预应力钢筋混凝土轨枕的冲击响应，测试结果可用于验证设计的数值模型，和预测其他不同轨道环境下的应力转移机制。
2.试验综述
2.1试样
试验所用的钢筋混凝土轨枕由澳大利亚的一家生产商供应，这也是“澳大利
亚铁路工程与技术合作研究中心（Rail CRC）”下的一项合作研究项目。
我们采用是常用于宽轨的全尺寸预应力钢筋混凝土轨枕，其尺寸规格如表1所示。
用于浇筑预应力轨枕的材料是高强度混凝土，28天的抗压强度达到了55MPa，且其中预应力钢筋的断裂强度也达到了1860MPa。
按照澳大利亚标准AS1012.14 [4]，对轨枕进行钻芯取样，测试发现其2年的平均抗压强度达到了80MPa，我们同样相信那些高强度的钢筋也具有极佳的质量，其强度不会随时间而发生太大的变化。
预应力钢筋混凝土轨枕的试样如图2所示。
表1 试样规格
图2 轨枕试样
2.2支撑环境
在铁路轨道系统中，轨枕下方是一层松散粗糙且具有高摩擦的颗粒材料，也就是我们常说的道砟，它们通常由一个特定粒度分布的碎石组成。
如果采用真实的道砟基床去进行边界条件的试验或者数值模拟，实际操作是非常困难的。
为了均匀分布来自轨枕下部的压力，并且在多次高速冲击后轨枕依然能保持强度，我们根据澳大利亚标准AS1085.19J[3]采用聚合物材料（或者橡胶垫）来代替道砟。
该标准指出，当轨枕两端所受的静态荷载由50kN增大到60kN时，允许轨枕产生0.1mm至0.5mm（含0.1和0.5）的垂直位移。
我们通过测量橡胶垫的静态刚度来选择合适的替代材料，根据静态测试和无损动态测试[5]，发现用于采矿工业的传送带是一个较好的选择，我们还发现不同层数的橡胶垫能模拟不同的轨道支承基床，例如，2-3层橡胶垫能模拟刚性轨道基床。
此次研究的重点是对轨枕形变的测量，虽然还存在道砟的摩擦损耗等不确定因素，但我们会忽略道砟的摩擦，特别是粉状道砟的摩擦因素，只对问题进行简化考虑。
2.3试验方案
在本次研究中，要选择合适的落锤高度和落锤质量以模拟冲击荷载。
这个试验方案是为了确定特定轨枕的能量吸收能力，这样便可以反算出重锤坠落的适宜高度，即先对轨枕进行一系列的预测试，通过单边冲击让其完全破坏[1]，其结果可以用来调整重锤的坠落高度。
为了消除周围噪音和地面震动的影响，我们为混凝土轨枕准备了一个特殊的支撑环境，并把它放置在实验室一块隔离的高强度基座上，该基座由高强度钢筋混凝土制成，尺寸达到了5×3×2.5m，基座下部还铺有一层压实的沙层，并被50mm厚的减震材料所包围。
基座上还有钢拉杆，拉
杆上有螺纹孔，可以用来安装丝杆支撑座。
试样一侧的撞击板用来把荷载转移给整个试样，试样另一端的螺纹钢把轨道固定在基座上。
钢制重锤与滚轴相连，并可以在导向板内滑落，以这种引导方式进行自由坠落的摩擦力很小，重锤先机械升到合适的高度（这也是轨枕所能承受的极限高度），再由电子快速释放系统进行释放[1]。
该冲击试验装置能够满足试样的测试工作，其工作区达到了1800×5000mm。
2.4大功率落锤冲击试验机
该试验机的核心部件就是那个可以自由下落的重锤，它的最大坠落高度为6m，等效冲击速度达10m/s。
冲击荷载能够由连接到计算机的动态测压传感器进行监控和记录，重锤的效能可由高速照相机进行校准。
但是由于导向板存在摩擦，这会使冲击时重锤的速度降到理论速度（Vt）的98%，为了在冲击时能够达到规定的速度，我们还需要根据系数（1/0.982=1/0.96）对坠落高度进行调整。
由能量守恒定律可知，坠落高度（h，m）和坠落速度（V，m/s）满足：
0.98V=（1）
g为重力加速度（=9.81m/s2），我们会在同条件下对混凝土轨枕进行重复冲击试验。
值得注意的是，该装置可以用来研究破坏和能量吸收机制、冲击荷载（通过动态测压传感器）、加速度和工程结构的裂纹扩展，所以对预应力钢筋混凝土轨枕进行不同高度的坠落测试也可以用来进行伤害等级分级。
2.5利用高速照相机对撞击器进行校准
表2展示的是用高速照相机评估冲击试验装置的效能。
自由落体的速度可由能量守恒定律计算出来，而实际速度由物体在相应时间范围内移动的距离而获得。
撞击器和参比柱上都有10mm长的刻度，当撞击器上的标记经过参比柱上的标记时，其时间范围就能够被高速相机所捕获。
从表中可以看出，当坠落高度增加时，试验装置的效能会降低（即实际撞击速度和理论速度的差距会变大），从所有坠落高度的平均效能看来，损失的速度约为2%。