淺談東北地區無縫線路特點及應力分析

董長全

(沈陽鐵路建設監理有限公司，沈陽 110001)

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淺談東北地區無縫線路特點及應力分析

董長全

(沈陽鐵路建設監理有限公司，沈陽 110001)

摘要：東北地區的自然條件，對高速鐵路無縫線路軌溫控制增加了很大的難度，通過對無縫線路鋼軌內部溫度應力與自然環境溫度的關系的研究，分析了東北地區無縫線路的特點以及鋼軌溫度應力在4個季度中的變化規律，闡述了養護維修中如何利用這個規律有效控制鋼軌溫度應力的變化，并提出了防止冬斷、夏脹的有效措施。

關鍵詞：東北；無縫線路；特點；應力分析；措施

0前言

無縫線路與普通線路的最大區別就是取消了鋼軌接頭，這不僅大大降低了車輪對鋼軌的沖擊力，而且還大幅度降低了維修成本，提高了運輸效率。近幾年來，東北地區無縫線路發展迅速，特別是高速鐵路無縫線路得到了廣泛的應用。因此，分析東北地區無縫線路的特點并進行了應力分析，針對具體問題提出了應采取的維護措施，以保持無縫線路的穩定，保證高速列車的安全運行。

1東北地區氣候對無縫線路的影響

東北地區是我國氣候溫度變化最大的地區，一年四季，氣溫變化非常顯著，因此東北地區無縫線路因受溫度差的影響導致其線路狀態也存在很大的不同。主要表現在以下幾個方面：

1)對無縫線路鋼軌強度的影響。因季節不同產生的高低溫度變化，使無縫線路鋼軌內部產生的拉、壓應力不斷重復變化，極大地增強了鋼軌疲勞破壞程度，特別是當鋼軌母材或焊縫中存在裂紋、雜質、暗核或軌頂擦傷、裂縫等病害時，在冬季以及應力變化幅度較大的春秋季節都會發生鋼軌突然折斷現象，從而危及到列車運行安全。

2)對無縫線路框架穩定性的影響。由于路基地段土質含水量不同，在冬季，則會引起不同程度的凍起高度，使無縫線路鋼軌頂面不在同一平面內，如在線路方向上，高低起伏不平，左右股鋼軌高低不平衡，加上列車運行時對鋼軌的沖擊力，更加大了無縫線路高低、水平變化的幅度，如此形成惡性循環，造成鋼軌與軌枕連接扣件的松動，極大地降低了無縫線路框架剛度。

春季時，氣溫逐漸回升，無縫線路在不同地形和周圍環境條件下受日照程度、溫度變化不盡相同，使得凍土也會產生不同程度的融化，原凍起的高度則產生不同程度的回落，當基床下沉時，軌枕與道床分離形成“空吊板”，當無列車通過時，線路表面看似平順，一旦列車通過，將高低起伏，不僅對線路狀態破壞極大，而且還有顛覆列車的巨大隱患，即“春融亂道”現象。由于路基的“冬脹春融”，既降低了無縫線路框架剛度，又因道床狀態的變化而大大降低了線路縱、橫向阻力。受溫度應力的影響，長鋼軌各部分產生不同程度的收縮變形，即產生鋼軌不均勻爬行，如果該部分無縫線路應力釋放不出來，就會形成低溫鎖定，給防止夏季脹軌跑道留下巨大隱患。

3)對無縫線路附加應力的影響。當橋上鋪設無縫線路時，無縫線路鋼軌不僅要承受溫度應力的變化，而且還要承受橋梁梁體因季節性溫度變化而帶來的伸縮附加應力，以及列車通過時，梁體彎曲變形而產生的附加應力。溫度差變化幅度越大，這種作用在鋼軌上的附加應力就越大，對無縫線路鋼軌強度、框架剛度影響也就越大。

當無縫線路鋪設在長大坡道上且列車行駛在下坡道時，會連續制動剎車減速，這種制動附加力使列車前輪鋼軌產生巨大壓應力，列車尾部后輪鋼軌產生巨大拉應力，促使鋼軌發生不均勻爬行，而且這種不良影響在“春融亂道”季節更為嚴重，是造成無縫線路低溫鎖定的主要原因之一。

4)對無縫線路維修養護的影響。東北地區季節性溫度變化幅度很大，對無縫線路產生了上述影響，并由此給無縫線路維修養護帶來了極大困難。

夏季是一年中溫度最高的季節，鋼軌承受著巨大的溫度壓應力，為保證列車運行安全，就必須保證無縫線路狀態的穩定，此時，所有破壞無縫線路穩定性的施工和維修作業一律停止，并且還要適時監控無縫線路穩定狀態的變化，稍有不慎，就會造成脹軌跑道的嚴重后果。同樣，東北地區冬季氣溫最低，鋼軌內部拉應力最大，也不能進行破壞無縫線路穩定性的施工和維修作業，即使是臨時補修作業，也要有所限制。

秋季則是無縫線路維護的最佳時節，氣溫開始由高向低過渡，當鋼軌溫度接近鋪設鎖定軌溫時，適合各種施工及維修作業，雖然施工作業后的線路阻力會有降低，但由于隨后氣溫的降低和后續列車的輾壓，會對無縫線路穩定起到一定的保障作用。而春季施工及維修作業必須調整作業時間，盡量在午后或夜間溫度較低的條件下作業，必要時則“先放散后施工”。

2季節性無縫線路溫度應力分析

溫度應力式無縫線路，是通過長軌鎖定后，控制鋼軌內部溫度應力來實現的。因此，首先要確定的就是無縫線路鎖定軌溫問題。無縫線路鎖定軌溫有設計鎖定軌溫t設、鋪設鎖定軌溫t鋪和實際鎖定軌溫t實，設計鎖定軌溫是根據當地最高和最低軌溫而設計的軌溫鎖定范圍(t設±5)℃，鋪設鎖定軌溫是長軌鋪設時鎖定的鋼軌溫度(t設-5)℃≤t鋪≤(t設+5)℃，實際鎖定軌溫是長鋼軌在運營過程中鋪設鎖定軌溫發生變化后的鎖定軌溫t鋪±Δt變。可見鋪設鎖定軌溫是基礎，它直接影響日常維修中實際鎖定軌溫的確定。

無縫線路鋼軌內部溫度應力就是從鋼軌鋪設鎖定開始的，隨鋼軌溫度升高而產生壓應力，隨軌溫降低而產生拉應力，首先克服鋼軌接頭阻力，然后逐根克服軌枕和道床的阻力，直到溫度應力與線路縱向阻力平衡。當軌溫變化Δt時，無阻力的鋼軌會自由伸縮ΔL，則

ΔL=α×Δt×L，即ΔL/L=α×Δt，

而鎖定后的鋼軌不能伸縮，由此產生的溫度力

Pt=σ×F=E×ΔL/L×F=E×α×Δt×F，

式中：E為彈模量2.1×107N/cm2；α為鋼軌線膨脹系數0.011 8 mm/m℃；F是鋼軌斷面積。代入公式后：

Pt=25×Δt×F。

可見，當鋼軌型號確定后，其內部溫度力只與溫度變化有關，而與鋼軌長度無關。而東北地區氣溫變化顯著，鋼軌溫度變化頻繁且幅度很大，夏季最高軌溫可達40 ℃左右，冬季最低軌溫達-60 ℃左右。這就使鋼軌的溫度應力由零→最大壓應力→零→最大拉應力→零，循環變化，如圖1季節性無縫線路應力變化示意圖。

圖1　季節性無縫線路應力變化示意圖

夏季最高軌溫時，鋼軌內溫度壓應力最大，即橫向溫度應力與線路橫向阻力相持，處于脹軌階段，一旦有列車通過或因維修及其他原因造成線路橫向阻力或鋼軌框架強度降低時，就會使線路發生瞬間變形，即通過線路跑道來釋放部分溫度應力，如不及時發現，就會造成列車脫軌、顛覆的重大行車事故。因此，確定鋪軌鎖定軌溫時，盡可能選擇設計鎖定軌溫上限，縮短鋪設鎖定軌溫與最高軌溫差，將夏季脹軌跑道的概率降至最低。圖2是無縫線路跑道后的應力分析示意圖。

冬季鋼軌拉應力最大，如果鋼軌有傷損、裂縫、暗核等病害，則在此處容易產生應力集中，造成拉斷鋼軌來釋放應力，但在線路縱向阻力作用下，使鋼軌斷縫兩側 75m左右形成伸縮區，能有效阻止軌縫繼續拉開過大。并且在鋼軌拉斷時，閉塞區段顯示紅燈，提示司機立刻采取緊急制動措施，可在鋼軌斷縫前停車或低速通過斷縫，然后采用緊急處理或臨時處理的方法，保證線路暢通。如圖3斷軌后應力分析示意圖。

圖2　無縫線路跑道后應力分析示意圖

圖3　斷軌后應力分析示意圖

3無縫線路穩定性保證措施

3.1無縫線路鋼軌強度的保證

根據東北地區無縫線路特點，首先保證現場鋼軌的運輸質量，防止鋼軌砸傷或硬彎。其次是保證焊接質量，目前焊軌方法有工廠內的閃光焊、現場一般用移動式氣壓焊、電弧焊、鋁熱焊等。鋪軌前的長軌使用移動式氣壓焊時，要求鋼軌表面溫度能預熱到35～50 ℃才可以正常進行焊軌作業。因此，當施工天氣惡劣或環境溫度低于10 ℃時，要采取必要的防護和保溫措施。當環境溫度低于0 ℃時，嚴禁焊接作業。焊接時嚴格按工藝要求進行方向調直、端頭處理等，防止夾碴、暗核、二層皮或焊后硬彎現象發生，對接時用1 m直尺量矢度不大于0.5 mm。尤其是撐握好頂鍛時的鋼軌溫度，當軌端0.5 m范圍內表面溫度在1 350～1 450 ℃時，即鋼軌端部呈現出鏡面時開始頂鍛，并在軌溫400 ℃以上時保持頂鍛壓力3～4 min。焊縫處理時要求在焊縫兩側150 mm范圍內打磨，其平直度用1 m直尺量不大于0.2 mm,且鋼軌頂面不得凹進，鋼軌工作面不得凸出。為降低焊縫截面剪切力，焊縫距軌枕邊不小于40 mm。焊接完成后對所有焊縫進行全面探傷，保證鋪設長軌的焊縫質量。如有焊縫病害，立即重新焊接。

3.2無縫線路鋪設鎖定軌溫的保證

由于運營中的無縫線路處于動態變化中，引起鋼軌實際鎖定軌溫不斷變化，給無縫線路維護帶來極大困難。因此，正確計算和撐握單元軌的實際鎖定軌溫最為重要，是無縫線路維護作業的重要依據。可用下列公式計算：

Δt變=ΔL/(L×α)，

t實=t鋪±Δt變=t鋪±ΔL/(L×α)。

無縫線路實際鎖定軌溫計算正確與否，關鍵是ΔL的測量與確認，可根據防爬觀測樁爬行觀測，鋼軌斷縫寬度、臨時處理軌頭收縮量等實際作業情況認真量取。其次是無縫線路作業軌溫的控制，根據季節性氣溫變化規律、單元軌節實際鎖定軌溫情況，適當調整作業時間。對線路阻力和框架剛度有破壞作用的線路大中修、綜合維修等安排在秋季，如路基凍害及翻漿冒泥整治、換軌及清篩道床施工作業。春季施工作業要考慮氣溫的回升，盡量安排在傍晚或夜間施工，防止晝間施工作業后，軌道溫度繼續升高引發脹軌跑道。當軌溫在設計鎖定軌溫范圍內時 ，可以對冬季做過臨時處理或因鋼軌爬行超出設計鎖定軌溫范圍的區段進行無縫線路放散或應力調整，恢復原鋪設鎖定軌溫。嚴禁在高溫或低溫季節做影響線路阻力的維修和施工作業，特殊情況時，必須對單元軌節進行放散應力后再進行作業，并做好現場記錄，如現場實際鎖定軌溫、斷縫寬度、插入短軌長度、鋼軌收縮長度等相關數據，為將來單元軌節應力放散提供技術數據。其他維修作業時，根據作業區段實際鎖定軌溫，按維修規則中“無縫線路維修作業軌溫條件”要求進行，同時要求作業人員堅決執行無縫線路作業“一準、二清、三測、四不超、五不走”的原則。即：“一準”掌握實際鎖定軌溫要準；“兩清” 維修作業半日一清，臨時補修作業一撬一清；“三測”作業前、作業中、作業后要測量軌溫；“四不超”作業不超溫，扒碴不超長，起道不超高，撥道不超量；“五不走”扒開道床不回填不走，作業后道床不夯實不走，不組織檢查不走，作業質量不合格不走，發生異常狀況不處理不走。

3.3無縫線路科學養護制度的保證

根據季節性軌溫變化規律制定科學的維修作業計劃。高溫時段，加強線路巡回檢查，特別是曲線地段正矢變化異常、直線地段出現碎彎、硬彎及維修作業過程中出現脹軌現象時，立即起動無縫線路應急措施。作業中發現異常情況，如起、撥道異常輕松或異常堅硬或撥一處臌一處，空吊板連續異常增多，作業后發現高低、水平、方向、碎彎異常不好，軌枕頭道碴離縫等，應立即停止作業，起動應急措施。當發現已經脹軌跑道時，立即切斷鋼軌，釋放應力，恢復線路平順狀態，保證列車安全通過，并做好應急處理記錄，為將來單元軌節放散，恢復設計鎖定軌溫范圍提供科學依據。

4結語

無縫線路是高速鐵路建設的必然趨勢，雖然東北地區溫度變化很大，但是季節性變化是有一定規律的，按其自然規律，合理設計無縫線路鎖定范圍、合理確定施工鋪設鎖定軌溫、合理計劃維修作業時間等，是完全可以控制鋼軌溫度應力變化的。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T2098—2007 無縫線路鋪設及養護維修方法[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 中鐵八局集團有限公司.TB 10754—2010 高速鐵路軌道工程施工質量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

A Discussion on Characteristics and Stress Analysis to the Northeast Continuously Welded Rail Track

DONG Chang-quan

(ShenyangRailwayConstructionSupervisionCo.,Ltd.,Shenyang110001,China)

Abstract：Based on the influence of natural conditions in Northeast of China, the difficulty to control the temperature of continuously welded rail track has increased a lot. By the relationship between temperature in continuously welded rail track and natural environment temperature, the characteristics of continuously welded rail track in northeast of China and the variation of rail temperature stress in the four seasons have been analyzed in this article, and the effective measures of maintenance to prevent the changes of rail temperature, such as winter break and summer expansion are also analyzed.

Key words：northeast; continuously welded rail track; characteristic; stress analysis; measure

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0049-04

中圖分類號：U213.2

作者簡介：董長全(1963-)，男(漢)，吉林敦化，工程師

收稿日期：2016-03-16

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.011

主要研究鐵路工程。