矿业论文发表预应力矿用轨枕的设计计算

　　摘要：本文借鉴并运用了国铁III型预应力轨枕的设计理念，将非预应力的普通矿枕构件，通过改变设计和生产工艺将矿枕改变成预应力型的砼构件，大大提高其承载能力。不仅从经济角度节约钢筋用量(由6根Φ7非预应力主筋减少为4根Φ7预应力主筋)，降低原料成本，更重要的是满足了采矿企业日益增长的运力需求。详细介绍了PG型预应力型矿枕的结构，并且计算了矿枕的设计荷载、抗裂弯矩等内容。

　　关键词：预应力,矿用,轨枕,设计

　　0 引言

　　矿石或煤炭采挖装上矿车后，利用窄轨铁路运输出矿，铁路轨道的承载能力尤为重要。从对现有的线路调查情况看，随着矿车承载重量的提高，现正在使用的非预应力矿用轨枕已经不能满足日益加大运量的承载力需求，分析轨道现受力状况并设计出适应较大承载能力的矿用轨枕成为当前的任务。

　　1 PG型矿枕主要性能参数

　　根据已有非预应力矿枕的外形，经过改进，将预应力矿枕的外形设计为如图1所示尺寸：

　　2 使用材料的力学参数

　　考虑到小型构件厂家混凝土搅拌自动化程度和计量精度限制等因素，将矿枕的砼等级设计为C50，养护强度达到设计值的75%(即37.5 MPa)时可以脱模。

　　查GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，混凝土力学性能参数

　　根据国铁预应力轨枕生产厂家统计数据，将预应力损失考虑为12%，即

　　σ1=150 ×103/(4 ×38.5)×12%=117 MPa

　　3 计算设计荷载

　　考虑到运量增加、新型矿车投入运营等因素，较多地提高承载安全富余系数，将静轴重设计为60 kN。

　　(1)计算Rd(承轨部分垂直压力)

　　Rd = γ.P0. (1+a)

　　式中

　　P。一静轮重，为设计静轴重的一半;

　　γ 一轮重分配系数，取0.5;

　　a 一综合动载系数，与行车速度、轨道状态等因素有关，取1.0。

　　对PG型矿枕，其垂直压力为：

　　Rd = 30kN

　　(2)根据枕下轨中道床支承反力图，计算矿枕截面的正负弯矩，

　　①轨下截面正弯矩(道床支承反力见图2a)：

　　Mg=q×a1×(a1/2)- (Rd/bg) ×( bg/2) ×( bg/4)

　　=(30/0.625)×0.316×(0.316/2)- (30/0.1) ×(0.1/2) ×(0.1/4)

　　=2.02 kN. m

　　②轨中截面负弯矩(道床支承反力见图2b)：

　　Mz=q×e×(e/2+ b/2)+0.75q×( b/2) ×( b/4) – (Rd /bg )×bg×(L/2- a1)

　　=-1.98 kN. m

　　道床顶面实际压应力:

　　σ2=2 Rd/S底=2×30×1000/(260×1600)

　　=0.23Mpa

　　小于道床顶面允许压应力【σ2】 =0.5MPa

　　4 静载抗裂弯矩验算

　　(1)Mcr轨下抗裂正弯矩，轨下截面

　　换算截面形心至截面下边缘的距离

　　y下=So /Ao=1272351/20108=63.28 mm

　　预应力钢筋合力作用点对截面形心的偏心距

　　eo = 63.28-60= 3.28mm

　　截面对形心的惯性矩

　　Io=27237776.6mm4

　　预应力钢筋的有效预应力

　　σpe=975-117=858N/mm2

　　预应力钢筋的合力

　　Npe=858x153.86=132012N

　　截面下边缘由预应力产生的混凝土法向应力

　　σpc= Npe / A0+ Npe.e0 .y下/I0=7.57N/mm2

　　轨下截面抗裂弯矩

　　Mcr轨下 =(σpc +1.75ftk). Io / y下=4.99 kN.m

　　(2)Mcr枕中截面抗裂弯矩，轨中截面。

　　换算截面形心至截面上边缘的距离

　　y上=120-So /Ao=61.28mm

　　eo = 61.28-60= 1.28mm

　　同轨下计算方法，计算得到枕中截面负弯矩

　　Mcr轨中 =4.07 kN.m

　　5 计算PG型矿枕静载抗裂检验荷载

　　F=7.273Mcr

　　PG型矿枕的检验荷载为：

　　F轨下= 7.273x4.99= 36.3kN

　　F轨中=7.273x4.07 = 29.6 kN

　　通过对实际试制样品的静载抗裂检测数据的统计分析,将检验值确定为：

　　F轨下=40kN，F轨中=30kN (正放试验)

　　6 计算PG型矿枕疲劳检测上限值

　　Fmax=1.05F

　　Fmax轨下=42 kN

　　Fmax轨中=31.5 kN

　　7 结论

　　(1)通过将普通型矿枕改进设计成预应力型的矿枕,大幅提高了轨枕的实际承载能力。

　　(2)PG型预应力矿枕较普通矿枕仅钢筋成本降低了30%,整体生产成本降低10%以上。

　　(3)PG型预矿枕的截面尺寸、排筋等设计参数经过优选，所选方案在承载力、抗裂强度、疲劳检验强度远远优于原普通矿枕。

　　(4)矿枕使用企业据此改进矿车等设备可以提高出矿效率50%以上。

　　参考文献

　　[1]《铁道标准设计》1999年11期 II型预应力轨枕改进结构的研究 范佳 林之珉

　　[2]《混凝土与水泥制品》 2009年第1期 预应力混凝土轨枕的设计计算 白玲 汪加蔚

　　[3] TB/T2190 《 预应力混凝土枕I型、II型、III型 》、TB/T1878《预应力混凝土枕疲劳试验方法》、TB/T1879《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》

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