工程預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的裂縫及結(jié)構(gòu)耐久性(1)

　　中國預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕從研究、生產(chǎn)到推廣應(yīng)用，歷時四十年，產(chǎn)量逾億根，鋪設(shè)里程累計達(dá)七萬公里，與世界各國采用混凝土軌枕相比，數(shù)量上占有很大比例。使用三十余年來，混凝土軌枕發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，從而經(jīng)?？紤]傷損軌枕是否應(yīng)從運(yùn)營線路上換下。但要換上新的軌枕，除要重新制造外，還要裝卸，運(yùn)輸并到線路上進(jìn)行換枕工作，·不僅需耗費大量人力物力，有時還會影響行車，其耗費往往是一根軌枕本身造價的四到五倍。

　　在使用三十余年來，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。

　　軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫是難避免的，因此研究預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預(yù)防和控制裂縫，對提高混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕的使用壽命，將是十分重要的。

　　l 混凝土軌枕裂縫的類型及表現(xiàn)

　　1.1 混凝土枕裂縫的類型

　　1.1.1 軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)

　　這種裂縫出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)下部，一般情況下，裂縫較小，寬度在0.1mm以下，長度未超過中和軸。1981年對筋69、弦69等軌枕調(diào)查結(jié)果表明，鋼軌接頭處的軌枕，其軌下垂直裂縫比例為60%;而鋼軌大腰處的軌下垂直裂縫比例，筋69和弦69分別為37%和20%。

　　1.1.2 枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負(fù)彎矩裂縫)

　　1981 年調(diào)查的69型軌枕(1971—1976年間生產(chǎn))，筋69軌枕枕中正彎矩裂縫分別為34%和11%(不同區(qū)段)，弦69枕中裂縫分別為36%和13% (不同區(qū)段)。裂縫的寬度及長度均比軌下裂縫嚴(yán)重，有的枕中正負(fù)彎矩裂縫連在一起形成環(huán)向裂縫，個別軌枕有多道環(huán)向裂縫。 1991年調(diào)查的S—2 (1986年生產(chǎn))軌枕，枕中垂直裂縫約占調(diào)查裂縫軌枕的23.7%，其中鋼軌接頭處的軌枕，枕中垂直裂縫比率更高，占63%以上。

　　1.1.3 軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫

　　這種裂縫通常從螺栓孔處為起點逐漸向軌枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，嚴(yán)重者裂縫寬達(dá)3~5mm.1975年及1981年調(diào)查的69型軌枕，沿螺栓孔縱裂的數(shù)量隨不同制造廠家和不同區(qū)段而有所不同。沿釘孔縱裂軌枕占調(diào)查軌枕總數(shù)的比例分別是0%、18%、20%、40%、48%等。 1991年調(diào)查Ⅱ型軌枕共193889根，傷損軌枕有18682根，傷損率為9.6%，頂面沿螺栓孔縱裂占全部傷損軌枕的33.8%?？傊?，軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕最為普遍存在的裂縫，不僅運(yùn)營數(shù)年的軌枕有，存在路邊備用的軌枕有，

　　甚至未出廠的軌枕也有;不僅國內(nèi)軌枕有，就連國外的軌枕也有。例如1975~1976年生產(chǎn)并鋪設(shè)于坦贊鐵路的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，1977年筆者在坦贊鐵路考察時發(fā)現(xiàn)沿頂面螺栓孔縱裂的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕數(shù)量達(dá)20%。

　　1.1. 4軌枕頂面螺栓孔處橫裂(平行于鋼軌方向)

　　69型軌枕和Ⅱ型枕都有這種裂縫出現(xiàn)。從調(diào)查結(jié)果看，大多數(shù)橫裂方向與列車運(yùn)行方向一致，即出現(xiàn)于復(fù)線鐵路的單向運(yùn)行區(qū)段。

　　1.1.5 軌枕端部縱向裂縫

　　這種縱向裂縫有的出現(xiàn)在軌枕端部頂面和底面，也有的出現(xiàn)在端部兩側(cè)，大致與鋼筋(鋼絲)平行。

　　1.1.6 軌枕中部縱向裂縫

　　這種縱向裂縫發(fā)生在軌枕中部的頂面和側(cè)面，平行于鋼筋方向，裂縫長度可達(dá)30~110mm，裂縫寬度約0.5~3mm，最大可達(dá)5mm.

　　1.1.7 龜裂

　　軌枕端部、中部的頂面或側(cè)面出現(xiàn)縱橫交錯、不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。

　　1.2 裂縫的表現(xiàn)

　　(1)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕產(chǎn)生裂縫較難避免。從七十、八十年代調(diào)查的69型軌枕和九十年代調(diào)查的Ⅱ型枕看，軌下及枕中的正負(fù)彎矩裂縫，沿螺栓孔等處出現(xiàn)的各種類型縱向裂縫均有發(fā)生，甚至坦贊鐵路的混凝土軌枕也有沿螺栓孔裂縫。

　　1975 年筆者參加了對滬寧、京廣、東北各線的調(diào)查，被調(diào)查的軌枕共計51117根，縱裂軌枕總數(shù)為5450根，占10.6%。 1981年鐵道部曾組織對東北部分線路進(jìn)行了分段調(diào)查，其縱裂、橫裂軌枕數(shù)量分別占調(diào)查區(qū)段軌構(gòu)數(shù)量的11%、20%、37%、60%、83%不等。1991年鐵道部對20條干線的 112km線路的193888根Ⅱ型軌枕進(jìn)行調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)裂縫軌枕18582根，損傷率為9.6%，其中軌枕頂面沿螺栓孔縱裂，頂面和側(cè)面縱裂、枕中頂面橫裂分別占裂縫軌枕總數(shù)的33.8%、15%、38.1%。

　　(2)包括沿螺栓孔縱裂在內(nèi)的各類型縱向裂縫起初長度和寬度都很小。隨著時間推移，不論是運(yùn)營線路上的軌枕還是未鋪設(shè)的備用軌枕，裂縫均存在不斷發(fā)展的趨勢，裂縫寬度從0.5mm—5mm不等，長度一直縱裂至兩端，直至貫通，造成劈裂。

　　(3)雖不同型號軌枕產(chǎn)生裂縫情況沒有明顯區(qū)別，但不同廠家，不同時間生產(chǎn)的軌枕，包括在同一線路區(qū)段的不同廠家軌枕縱裂縫的表現(xiàn)卻有明顯區(qū)別。例如有一 J—l和S—2型軌枕混鋪地段，在同樣的鋪設(shè)條件，即線路的平、縱斷面，通過總重相同，J—1型枕雖比S—2型枕低一級，但傷損的根數(shù)，尤其是縱向裂縫卻少得多。但從總體來看，1968~1976年間生產(chǎn)的69型枕各類裂縫，特別是縱裂和龜裂的比例和程度要嚴(yán)重得多。

　　2 混凝土軌枕裂縫的成因

　　混凝土軌枕裂縫的生成可以從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討，也可從設(shè)計、制造、鋪設(shè)、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學(xué)、力學(xué)的角度進(jìn)行分析。

　　2.1 力學(xué)因素

　　混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動壓力有關(guān)，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時應(yīng)使軌枕中間部分掏空400rnm，掏空部分道碴頂面應(yīng)低于枕底30mm，避免負(fù)彎矩過大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應(yīng)墊滿浮碴。設(shè)計時假設(shè)中間部分的支承反力應(yīng)為軌下部分的 3/4(掏空時為0)。與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車的運(yùn)行及養(yǎng)護(hù)維修條件而不斷變化，一旦當(dāng)支承狀態(tài)與枕上垂直動壓力力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設(shè)計限值時，則軌枕的相應(yīng)部分就會產(chǎn)生如圖1、圖2所示的裂縫。此外當(dāng)預(yù)加應(yīng)力偏大而脫模時混凝土強(qiáng)度又不足時，軌枕端部就會產(chǎn)生如圖 5、圖6所示的縱向裂縫;列車運(yùn)行時對鋼軌的水平和縱向作用力和螺旋道釘引起的上拔力又會使軌枕螺栓道釘孔周圍產(chǎn)生如圖3、圖4所示的縱向裂縫和橫向裂縫。

　　由于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕橫向裂縫(軌下正彎矩和枕中正、負(fù)彎矩)在計算和試驗方面均已有諸多研究，而縱向裂縫的計算及試驗卻很少涉及。在此，僅對端部縱向裂縫(或稱水平裂縫)作一分析：

　　根據(jù)清華大學(xué)研究，先張法高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土梁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值較高時，沿梁高離開預(yù)應(yīng)力筋一段距離，靠近中和軸附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應(yīng)力6Y，常引起端頭裂縫，如圖8所示。

　　通過20余根梁的模擬試驗，建立了端面最大拉應(yīng)力計算公式：6Ymax=k6 o

　　式中：6 o一梁端橫截面上平均壓應(yīng)力：6 o=N/A (A為梁端橫截面積，N為混凝土預(yù)壓力);

　　k一應(yīng)力系數(shù)，其變化規(guī)律可近似表達(dá)為：

　　k=1/{18(e/h)2十0.25}

　　式中：e一集中力距底邊的距離;h一為端部梁高;

　　裂縫發(fā)生的位置C(裂縫與梁底面的距離)：√eh

　　梁的抗裂性驗算必須滿足下式要求：6Ymax≤rf t

　　式中：f t一混凝土的抗拉強(qiáng)度;

　　r一塑性系數(shù)(一般取1.7)

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