京九鐵路上陵車站無縫道岔檢算

楊建城

摘要：根據(jù)京九鐵路上陵車站無縫道岔設(shè)計(jì)方案，計(jì)算單組混凝土岔枕無縫道岔、單組木岔枕無縫道岔、頭-頭相接道岔、頭-尾相接道岔、單渡線道岔的溫度力。以此為基礎(chǔ)檢算了無縫道岔的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及凍結(jié)接頭阻力。結(jié)果表明上陵車站該為跨區(qū)間無縫線路后，無縫道岔的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均通過檢算；接頭螺母扭力矩應(yīng)達(dá)到1200 N·m。

關(guān)鍵詞：無縫道岔；強(qiáng)度；溫度性；凍結(jié)接頭

中圖分類號(hào)：U213.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為了強(qiáng)化軌道結(jié)構(gòu)，改善線路設(shè)備，適應(yīng)鐵路大面積提速，廣梅汕鐵路有限責(zé)任公司所轄的京九鐵路擬鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。其中上陵車站正線單開道岔成組更換為SC330道岔、專線7565交渡鋪成SC340混凝土岔枕交渡。道岔直股進(jìn)行不帶孔焊接，側(cè)股進(jìn)行施必勞凍結(jié)及MK絕緣接頭。為了確保道岔運(yùn)營安全可靠，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。

1 計(jì)算模型及基本假定

以一組可動(dòng)心軌無縫道岔為例，視其鋪設(shè)于路基地段，其受力平面示意圖見圖1。由于整組道岔鋼軌、軌枕、扣件及其他部件數(shù)量較多，在考慮無縫道岔受力與傳力特點(diǎn)基礎(chǔ)上，模型采用如下假定：

1. 將道岔及前后一定長度內(nèi)軌道看作一個(gè)由鋼軌、軌枕、扣件和道床連接起來的平面框架系統(tǒng)；

2. 尖軌和可動(dòng)心軌前端隨溫度變化自由伸縮，忽略其對(duì)整個(gè)道岔區(qū)受力變形的影響；

3. 鋼軌以軌枕支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，另在尖軌跟端限位器處和長短心軌跟部間隔鐵處增加相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，鋼軌單元節(jié)點(diǎn)只有縱向位移，用線性桿元模擬；

4. 岔枕單元節(jié)點(diǎn)只考慮其縱向位移與轉(zhuǎn)角，用直梁單元描述，道床縱向阻力以集中力形式作用于軌枕單元節(jié)點(diǎn)上；

5. 鋼軌節(jié)點(diǎn)位移與軌枕節(jié)點(diǎn)位移通過扣件耦合，兩者相對(duì)位移與扣件阻力約束是非線性的，用分段線性彈簧摸擬。

圖1無縫道岔結(jié)構(gòu)受力平面示意圖

2 車站概況

上陵車站位于半徑R=2000m的曲線上（見圖2），除了單組混凝土道岔、木枕道岔以外，還存在三種組合，即頭-頭相接道岔（8#、12#道岔尖軌相距13.27m）、頭-尾相接道岔（6#、10#道岔尖軌相距44.10m）、正線之間的單渡線道岔（長度87.72m）。

圖2上陵車站平面布置圖

3 鎖定軌溫的確定

根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，跨區(qū)間無縫線路和區(qū)間無縫線路相鄰軌節(jié)之間的鎖定軌溫之差不應(yīng)大于5℃，同一區(qū)間內(nèi)單元軌節(jié)的最高和最低鎖定軌溫之差不應(yīng)大于10℃。為了便于養(yǎng)護(hù)維修，取道岔區(qū)的鎖定軌溫與區(qū)間線路相同，故岔區(qū)的鎖定軌溫取當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有區(qū)間無縫線路的鎖定軌溫，即34℃，鎖定軌溫上限和下限分別為29℃、39℃。而當(dāng)?shù)刈罡吆妥畹蛙墱胤謩e為59.7℃、-0.3℃，即最大溫升和溫降幅度分別為29.7℃、39.3℃。

4 無縫道岔溫度力計(jì)算

根據(jù)無縫道岔溫度力計(jì)算模型和方法[2]，將溫升幅度和溫降幅度分別取29.7℃、39.3℃，單組混凝土岔枕無縫道岔、單組木岔枕無縫道岔、頭-頭相接道岔、頭-尾相接道岔、單渡線道岔溫度力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1混凝土岔枕無縫道岔溫度力

5 允許溫降和溫升檢算

5.1 允許溫降檢算

由鋼軌強(qiáng)度條件確定的允許溫降計(jì)算公式如下：

（1）

式中：—鋼軌承受的最大動(dòng)彎拉應(yīng)力（MPa）；—限位器處基本軌承受的最大附加溫度拉力（N），為了安全計(jì)，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，取；—鋼軌容許應(yīng)力，MPa。

1. 焊接接頭允許溫降檢算

鋼軌采用60kg/m鋼軌，機(jī)車采用DF4機(jī)車，軌道及機(jī)車計(jì)算參數(shù)見文獻(xiàn)[3]。采用連續(xù)彈性支撐法[1]計(jì)算DF4機(jī)車荷載作用下鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力，軌頭最大動(dòng)彎應(yīng)力和軌底動(dòng)彎拉應(yīng)力分別為140.90MPa、109.33 MPa。由式（1）可得允許溫降為71.6℃＞39.3℃。

2. 凍結(jié)接頭允許溫降檢算

夾板橫斷面積F=37.26cm2/塊、水平中軸慣性矩I=497.4cm4/塊、頂部邊緣斷面系數(shù)W1=77.9cm3/塊、底部邊緣斷面系數(shù)W2=82.6cm3/塊，可計(jì)算得到夾板頂部邊緣動(dòng)彎應(yīng)力和夾板底部邊緣動(dòng)彎應(yīng)力分別為264.71MPa、249.64MPa。由式（1）可得允許溫降為40.5℃＞39.3℃。

5.2 允許溫升檢算

根據(jù)改進(jìn)的無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一計(jì)算公式[1]計(jì)算容許溫度壓力為2.899160×106N，允許溫升為：

℃＞29.7℃

6 凍結(jié)接頭阻力檢算

道岔側(cè)股進(jìn)行施必勞凍結(jié)及MK絕緣接頭，當(dāng)鋼軌溫度降至最低軌溫時(shí)，鋼軌接頭將承受較大的溫度拉力，若溫度拉力大于接頭阻力，鋼軌與接頭夾板將發(fā)生位移，接頭位置出現(xiàn)軌縫，達(dá)不到零軌縫凍結(jié)的效果。

接頭阻力指夾板抵抗鋼軌伸縮的阻力。為安全計(jì)，接頭阻力一般不考慮夾板螺栓受剪的情況，只考慮夾板與鋼軌之間的摩阻力。摩阻力的大小取決于螺栓張力和鋼軌/夾板之間的摩擦系數(shù)。

6.1 計(jì)算方法

夾板擰緊后，螺栓產(chǎn)生張力，作用于夾板上的力如圖2所示。其中：T—水平分力，T=P拉/2；P拉—螺栓拉力；N—法向力，垂直于夾板的受力面；R—N與T的合力；φ—R與N的微摩擦角，摩擦系數(shù)f=0.25時(shí)，φ=tg-10.25=14o02；α—N 與T的夾角，α=tg-1（1/i），i—夾板接觸面斜度，對(duì)60kg/m鋼軌，i=1/3；θ—T與R的夾角，θ=α－φ=57o28。

圖2接頭夾板受力

夾板與鋼軌之間接觸面上的摩阻力F為：

一根螺栓對(duì)應(yīng)四個(gè)接觸面，四個(gè)接觸面上所產(chǎn)生的摩阻力之和為：

接頭阻力（三根螺栓）：

接頭阻力與螺栓材質(zhì)、直徑、擰緊程度和夾板孔數(shù)有關(guān)。其它條件相同的情況下，螺栓擰緊程度是保持接頭阻力的關(guān)鍵，擰緊螺母的扭力矩越大，螺栓拉力越大，接頭阻力也越大。擰緊螺母的扭力矩與接頭阻力之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：—螺母的扭力矩，施必勞防松螺母的扭力矩為1000~1200N·m；—扭力矩系數(shù)，取0.2；—螺栓直徑，對(duì)M24螺栓，D=22.051mm。

6.2 接頭阻力檢算

當(dāng)螺母的扭力矩分別取1000、1100、1200N·m時(shí)，接頭阻力分別為612.9、676.3、763.4kN。由最大溫降幅度可得接頭最大溫度拉力為Pt=754.56kN。當(dāng)螺母的扭力矩取1200N·m時(shí)，接頭阻力大于最大溫度拉力。

7 結(jié)語

上陵車站正線單開道岔成組更換為SC330道岔、專線7565交渡鋪成SC340混凝土岔枕交渡，道岔直股進(jìn)行不帶孔焊接，側(cè)股進(jìn)行施必勞凍結(jié)及MK絕緣接頭，鎖定軌溫取34±5℃時(shí)，道岔的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均通過檢算；為防止低溫時(shí)鋼軌與凍結(jié)接頭夾板將發(fā)生位移，螺母的扭力矩應(yīng)達(dá)到1200 N·m。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005

[2] 曾志平. 高速鐵路橋上無縫道岔縱向力及列車-道岔-橋梁空間振動(dòng)研究[D]. 長沙：中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，2006

[3] 陳秀方. 軌道工程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。