委內瑞拉Tinaco-Anaco鐵路無縫線路設計研究

肖發明

(中國中鐵國際集團有限責任公司委內瑞拉分公司， 北京 100039)

委內瑞拉Tinaco-Anaco鐵路無縫線路設計研究

肖發明

(中國中鐵國際集團有限責任公司委內瑞拉分公司， 北京 100039)

文章介紹了委內瑞拉Tinaco-Anaco鐵路的無縫線路設計思路。文中說明了線路沿線的地形、氣候特征，結合線路平縱特點、設計時速、運營荷載及軌道結構類型等影響因素對國際鐵路聯盟標準鋼軌(UIC60)完成了無縫線路力學分析。將中國無縫線路設計思路靈活運用于國際工程環境中，確定了適用于Tinaco-Anaco鐵路的無縫線路設計原則。

委內瑞拉； 無縫線路； 鋼軌； 溫度應力

無縫線路是把標準長度的鋼軌焊連而成的長鋼軌線路，又稱焊接長鋼軌線路。隨著高速、重載鐵路的發展，強化鐵路軌道結構和提高線路的平順性、穩定性的要求日益突出，無縫線路設計已經成為現代化鐵路設計中必不可少的組成部分。由于消滅了大量鋼軌接頭，無縫線路具有行車平穩性好、機車車輛及軌道維修費用低、使用壽命長等優點，但無縫線路將承受長鋼軌鎖定后軌溫變化所帶來的巨大溫度應力，因此確定合理的鎖定軌溫是無縫線路設計的核心內容。

1 工程環境

1.1 地理位置

委內瑞拉位于南美洲大陸北部，赤道以北，北臨加勒比海與大西洋，東有圭亞那，南為巴西，西邊則與哥倫比亞接壤，國土面積91.67×104km2。Tinaco-Anaco鐵路所經的奧里諾科平原位于委內瑞拉北部，故又稱為北部平原鐵路。

1.2 氣候條件

委內瑞拉全國均屬熱帶氣候，全年氣候炎熱，具有明顯的旱季和雨季，年降水量1000～1400 mm，暴雨主要集中在6～11月，具有強度大、持續時間長的特點。雨季降雨量占全年降雨量的80%以上。

委內瑞拉氣溫采集點少，且過于分散。但是Tinaco-Anaco鐵路沿線溫差變化不大，最低氣溫在10℃以上。Tinaco-Anaco鐵路沿線可根據Valle De La Pascua地區的詳細氣溫資料作為設計依據，相關城市氣溫資料如表1所示。

2 工程概述

2.1 線路

Tinaco-Anaco鐵路全長468 km，全線無隧道工程，橋梁比例僅為2.84%，其余均為路基地段，屬于典型的平原鐵路，基本為淺丘平原區，地形較為開闊平坦，局部地段微有起伏。

線路起于科赫德斯州迪那科(Tinaco)站，先后經過埃爾帕奧、多斯卡米諾斯、圣保雷羅、恰瓜拉馬斯、瓦耶德拉帕斯瓜、都古比多、薩拉薩和阿拉瓜站，最終到達安索阿特吉州的阿那科(Anaco)站。全線最小曲線半徑為3 200 m，最大線路縱坡為1%。

表1 軌溫計算表 ℃

2.2 主要技術標準

Tinaco-Anaco鐵路預計年旅客運輸需求約為580×104人次，年貨運需求約為980×104t。為實現上述需求，建立一個多種模式大規模的客貨交通運營系統，因此制定的主要技術標準如表2所示。

表2 主要技術標準表

3 無縫線路鋼軌受力分析

3.1 軌道結構

委內瑞拉Tinaco-Anaco鐵路作為中國修建的第一條海外高速鐵路，是將中國高鐵技術標準推向海外市場的關鍵一步。在軌道結構選用方面盡可能地選用了中國高鐵的成熟技術，并根據業主方的指定要求進行了對應優化。

3.1.1 鋼軌

全線采用UIC60 900B級鋼軌，鋼軌高172 mm，軌底寬150 mm，其主要斷面尺寸見圖1。鋼軌主要化學成分如表3。

圖1 UIC60鋼軌斷面

C/%Mn/%Si/%Pmax/%Smax/%0．55～0．751．3～1．70．1～0．5≤0．04≤0．04

3.1.2 軌枕及扣件

正線采用中國Ⅲa型有擋肩混凝土軌枕，其承載力、縱橫向阻力和結構尺寸滿足設計行車速度220 km/h的要求。Ⅲa軌枕的主要設計參數見表4。

表4 Ⅲa型軌枕主要設計參數

為了將中國Ⅲa型軌枕與UIC60 900B級鋼軌相匹配，扣件選用了改進后的ω形彈性扣件WT-1型扣件。扣件主要技術參數如表5所示。

表5 WT-1型扣件主要技術參數

3.1.3 道床

全線采用碎石道床，道床斷面及道砟材質要求沿用了中國高鐵標準。道砟厚度350 mm，單線道床頂面寬度3 600 mm，砟肩寬度500 mm，道床邊坡1∶1.75，砟肩堆高150 mm。道砟材質要求與中國特級道砟標準保持一致。

3.2 輪載分析

3.2.1 靜載計算

采用連續支承梁模型(E·Winkler模型)進行計算，軌道結構為連續支承基礎上的梁。根據模型，可以列出彈性基礎鋼軌撓曲線方程：

式中:M為鋼軌彎矩；E為鋼軌彈性模量；I為鋼軌斷面水平慣性矩； dx為鋼軌截面沿線路方向的位置變量的微分；dy為鋼軌計算截面的垂向撓度值的微分。

由上式，根據均勻連續彈性基礎理論和力的獨力作用原理，可得靜止車輪系作用下鋼軌彎矩M0的計算式為：

式中：μ為鋼軌基礎彈性模量(MPa)；k為鋼軌基礎彈性模量與鋼軌彎曲剛度的相對比值；a為軌枕間距(mm)；P0i為作用于鋼軌上的各機車車輪靜重(N)；μi、ηi為連續彈性基礎上等截面無限長梁的影響線系數，μi=e-kx(coskx-sinkx)，ηi=e-kx(coskx+sinkx)。不同輪位距計算截面的距離x各不相同，因而各有不同的μi和ηi，如圖2所示。

圖2 影響線系數

式中：

式中：D為鋼軌支點彈性系數。

機車的一個車輪壓在鋼軌計算截面上，除了該車輪對計算截面產生應力、撓度外，還應考慮鄰輪的影響。距計算截面5 m以上時，這種影響可以略去不計。通常電力機車的轉向架間距離超過5 m，由此可知只需取第一轉向架進行計算。

將輪載、支點彈性系數、軌枕間距等各項參數參數代入計算可得靜載情況下鋼軌受力和變形情況如表6所示。

表6 靜止車輪系作用下計算結果 N·mm

3.2.2 動態分析

由于列車運行的動態狀況會增大鋼軌承受的實際載荷，在無縫線路檢算中還應考慮運行速度、曲線偏載因素影響。動態情況下鋼軌彎矩的最大值按下式計算：

式中：α、β為速度、曲線偏載影響系數。速度影響系數α按下式計算：

偏載情況按未被平衡欠超高最大值Δh=78.5 mm考慮，故偏載影響系數β按下式計算：

β=0.002Δh=0.002×78.5=0.157

鋼軌最大應力按下式計算：

式中 ：σ1d、σ2d為軌頭、軌底邊緣動彎應力最大可能值(MPa)；W1、W2為鋼軌頭部、底部對水平中性軸的截面模量(mm3)；f為橫向水平力系數，當半徑R≥800 m，橫向水平力系數f=1.45。

根據UIC60 900B級鋼軌截面參數可算得鋼軌頭部、底部對水平中性軸的截面模量W1，W2分別為335 500(mm3)、377 400(mm3)

結合靜載計算結果可得無縫線路檢算中鋼軌動彎應力值如表7所示。

表7 鋼軌動彎應力計算結果 MPa

3.3 溫度力分析

鋼軌溫度應力是軌溫變化時鋼軌變形受限所引起，其大小取決于材料膨脹系數、軌溫變化幅度，按下式計算：

式中：E為鋼軌彈性模量，E=2.1×105MPa；α為鋼軌線膨脹系數:α=1.18×10-5/℃；Δt為實際軌溫與鎖定軌溫溫差(℃)

由此可見溫度應力大小僅取決于實際軌溫與鎖定軌溫溫差。

3.3.1 軌道強度允許溫降[ΔTd]：

式中：[σ]為鋼軌允許應力，根據UIC60 900B級鋼軌研究測試結果取365.38 MPa；σd為列車動荷載作用下的鋼軌應力最大值，取211.77 MPa(見表7)；σf為制動附加應力，取10 MPa；

根據上式計算可得[ΔTd]=57.8℃。

3.3.2 軌道穩定性允許溫升[ΔTc]

上述公式中選用的計算參數及結果如表8所示。

表8 [ΔTc]計算參數及結果

3.3.3 鎖定軌溫計算

由于[ΔTd]、[ΔTc]>Tmax-Tmin=44.8℃(表1)，鋼軌強度及穩定性均不控制鎖定軌溫，故無縫線路設計鎖定軌溫可按下列公式計算

式中 ：Te為設計鎖定軌溫；Tmax為當地歷年最高軌溫(℃)；Tmin為當地歷年最低軌溫(℃)； ΔTk為修正值，為0～±5℃。

結合氣候數據及施工便利因素，將Tinaco-Anaco鐵路整條線路的鎖定軌溫Te定為40℃。

由表1可得Δt最大值為27.7℃，計算可得溫度應力最大值為：

σt=2.1×105×1.18×10-5×27.7=68.64MPa

3.4 鋼軌應力檢算

綜合動彎應力、制動附加力和溫度應力影響對UIC60 900B級鋼軌進行檢算如表9所示：

表9 鋼軌應力檢算 MPa

由表9可知，鎖定軌溫40℃時鋼軌受力符合無縫線路要求。

4 結論與建議

(1)委內瑞拉Tinaco-Anaco鐵路的氣候環境及線路條件優越，利于采用全線跨區間無縫線路。

(2)全線統一40℃的鎖定軌溫適應當地施工環境，便于后期運營管理，經檢算滿足無縫線路受力要求。

(3)無縫線路設計思路適用范圍廣泛，在海外項目中應結合各個國家工程環境有效簡化設計情況

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肖發明(1963～)，男，工學學士，高級工程師，長期從事鐵路、公路工程設計、施工和工程管理技術研究。

U213.9+13

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[定稿日期]2015-01-29