京九鐵路上陵車站無縫道岔檢算

楊建城

摘要：根據京九鐵路上陵車站無縫道岔設計方案，計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。以此為基礎檢算了無縫道岔的強度、穩定性以及凍結接頭阻力。結果表明上陵車站該為跨區間無縫線路后，無縫道岔的強度、穩定性均通過檢算；接頭螺母扭力矩應達到1200 N·m。

關鍵詞：無縫道岔；強度；溫度性；凍結接頭

中圖分類號：U213.6 文獻標識碼：A

為了強化軌道結構，改善線路設備，適應鐵路大面積提速，廣梅汕鐵路有限責任公司所轄的京九鐵路擬鋪設跨區間無縫線路。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。道岔直股進行不帶孔焊接，側股進行施必勞凍結及MK絕緣接頭。為了確保道岔運營安全可靠，應對其強度和穩定性進行檢算。

1 計算模型及基本假定

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

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

2. 尖軌和可動心軌前端隨溫度變化自由伸縮，忽略其對整個道岔區受力變形的影響；

3. 鋼軌以軌枕支承節點劃分單元，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節點，鋼軌單元節點只有縱向位移，用線性桿元模擬；

4. 岔枕單元節點只考慮其縱向位移與轉角，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點上；

5. 鋼軌節點位移與軌枕節點位移通過扣件耦合，兩者相對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無縫道岔結構受力平面示意圖

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《鐵路軌道設計規范》[1]，跨區間無縫線路和區間無縫線路相鄰軌節之間的鎖定軌溫之差不應大于5℃，同一區間內單元軌節的最高和最低鎖定軌溫之差不應大于10℃。為了便于養護維修，取道岔區的鎖定軌溫與區間線路相同，故岔區的鎖定軌溫取當地現有區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℃。而當地最高和最低軌溫分別為59.7℃、-0.3℃，即最大溫升和溫降幅度分別為29.7℃、39.3℃。

4 無縫道岔溫度力計算

根據無縫道岔溫度力計算模型和方法[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算結果如表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

由鋼軌強度條件確定的允許溫降計算公式如下：

（1）

式中：—鋼軌承受的最大動彎拉應力（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，根據表1的計算結果，??；—鋼軌容許應力，MPa。

1. 焊接接頭允許溫降檢算

鋼軌采用60kg/m鋼軌，機車采用DF4機車，軌道及機車計算參數見文獻[3]。采用連續彈性支撐法[1]計算DF4機車荷載作用下鋼軌動彎應力，軌頭最大動彎應力和軌底動彎拉應力分別為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W1=77.9cm3/塊、底部邊緣斷面系數W2=82.6cm3/塊，可計算得到夾板頂部邊緣動彎應力和夾板底部邊緣動彎應力分別為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

根據改進的無縫線路穩定性統一計算公式[1]計算容許溫度壓力為2.899160×106N，允許溫升為：

℃＞29.7℃

6 凍結接頭阻力檢算

道岔側股進行施必勞凍結及MK絕緣接頭，當鋼軌溫度降至最低軌溫時，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生位移，接頭位置出現軌縫，達不到零軌縫凍結的效果。

接頭阻力指夾板抵抗鋼軌伸縮的阻力。為安全計，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。

6.1 計算方法

夾板擰緊后，螺栓產生張力，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f=0.25時，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：

一根螺栓對應四個接觸面，四個接觸面上所產生的摩阻力之和為：

接頭阻力（三根螺栓）：

接頭阻力與螺栓材質、直徑、擰緊程度和夾板孔數有關。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系的經驗公式為：

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，取0.2；—螺栓直徑，對M24螺栓，D=22.051mm。

6.2 接頭阻力檢算

當螺母的扭力矩分別取1000、1100、1200N·m時，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。當螺母的扭力矩取1200N·m時，接頭阻力大于最大溫度拉力。

7 結語

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，道岔直股進行不帶孔焊接，側股進行施必勞凍結及MK絕緣接頭，鎖定軌溫取34±5℃時，道岔的強度、穩定性均通過檢算；為防止低溫時鋼軌與凍結接頭夾板將發生位移，螺母的扭力矩應達到1200 N·m。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路軌道設計規范[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-橋梁空間振動研究[D]. 長沙：中南大學土木建筑學院，2006

[3] 陳秀方. 軌道工程[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。