艮東聯絡線鋪設無縫線路設計探討

黃　兵　上海鐵路局工務處

隨著鐵路高速化、重載化的發展，無縫線路技術日益成熟，無縫線路的作用越來越重要，無縫線路已逐步取代普通有縫線路。無縫線路與普通線路相比，不僅消滅了大量的鋼軌接頭和接頭病害，節省了大量的接頭零件和線路維修養護的工作量，而且減少了列車車輪對接頭處鋼軌的撞擊，使列車運行更平穩，降低了噪聲，同時又延長了線路設備、機車車輛的使用年限和維修周期，因此無縫線路是線路大修改造的優先選擇。但是無縫線路鋼軌內部隨著軌溫的變化會產生巨大的溫度壓力，溫度壓力的存在會對無縫線路的軌道穩定性造成影響。因此鋪設無縫線路時應根據具體情況對軌道強度和軌道穩定性進行計算，以判斷線路是否具備鋪設無縫線路條件。本文主要針對艮東聯絡線小半徑曲線地段是否能夠鋪設無縫線路進行強度和穩定性計算分析。

1　線路概況

艮東聯絡線位于浙江省杭州地區，南起杭州東站普速場，北至艮山門線路所，是連接杭州東站的一條重要聯絡線，電氣化線路。該線路有曲線5條，曲線半徑分別為350m、350 m、450m、1100m、1400m；橋梁 6座，其中帶護軌橋 2座；線路上軌枕以Ⅱ、XⅡ型鉿枕為主，橋梁區段為Ⅱ型或XⅢ型鉿橋枕，軌枕配置：Ⅱ型枕地段為1760根/km，Ⅲ型枕地段為1667根/km；扣件類型為Ⅱ型彈條扣件；碎石道床，道床肩寬0.4m，碴肩無堆高。

2　軌道強度和穩定性計算

2.1　強度計算

為防止鋼軌斷裂，無縫線路鋼軌應具有足夠的強度。無縫線路強度計算的要求：在列車動力作用下，要求鋼軌所承受的各種應力的總和不超過規定的容許值。即長鋼軌的動彎應力、溫度應力及其他附加應力的總和不超過鋼軌的容許應力。

通過軌道強度的計算可以得到鋼軌允許溫降[△Td]，采用式（2）進行計算。

計算依據及參數：小半徑曲線地段軌枕布置按1840根/km 計算。[σ]為鋼軌容許應力，[σ]= σs/K=405/1.35=300MPa，σs為鋼軌屈服強度（MPa），K為鋼軌安全系數，取 1.35；σd為鋼軌軌底邊緣動彎應力；σt為鋼軌最大溫度應力；σf為鋼軌最大附加應力，按10MPa計算。鋼軌基礎彈性模量為鋼軌支座剛度，Ⅱ型鉿枕取30kN/mm，a為軌枕間距；鋼軌基礎與鋼軌的剛比系數；當量荷載，P、x分別為車輪群中各車輪的輪載、軸距（以SS8型電力機車為計算依據）；最大靜彎矩；電力機車速度系數α1=0.6V/100；偏載系數β=0.002h，其中未被平衡的超高△h，取 75mm；最大動彎矩Md=Mo(1+α'+β)；軌底，軌頭；其中Ix為鋼軌水平慣性矩，W底、W頭為軌底截面系數；P60再用鋼軌垂直磨耗為6mm時，Ix=2879cm4、W底=375cm3、W頭=291cm3；f為橫向水平力系數。

通過計算得到允許溫降，如表1。

表1　鋼軌允許溫降

2.2　穩定性計算

無縫線路得最大特點是夏季高溫季節在鋼軌內部存在巨大的溫度壓力，容易引起軌道橫向變形。在列車動力或人工作業等干擾下，軌道彎曲變形有時會突然增大，這一現象常稱為脹軌跑道（也稱膨曲），理論上稱為喪失穩定。無縫線路穩定性計算的主要目的就是研究軌道膨曲的發生規律，分析其產生的力學條件，計算出保證線路穩定的允許溫度壓力，防止無縫線路失穩。

在無縫線路穩定性計算時以軌道產生橫向位移f=2mm時的溫度壓力PN除以安全系數K后得出的溫度力[P]作為控制溫度力，從而計算出允許溫升[△Tu]。相應的計算公式如下：

式中，β為軌道框架剛度換算系數，取1.0；Iy為鋼軌豎直慣性矩，取524cm4；f0e為軌道原始彈性彎曲矢度，取2.5mm；l為軌道原始彎曲半波長；Q為等效道床橫向阻力，每公里鋪設1840根Ⅱ型鉿枕時，取87N/cm；1/R'為合成曲率，1/R'=1/R+8f0p/l2，其中R為曲線半徑，f0p為軌道原始塑性彎曲矢度，取2.5mm；K為安全系數，取1.35；F為鋼軌截面面積，取77.45 cm2。

在保證軌道彈性原始彎曲曲率（f0e/l2）不變的條件下，利用式（4）對軌道原始彎曲半波長進行試算，即由式（4）計算得l值，如果與軌道原始彎曲半波長l0（取4m）有較大出入，令l=l0，重新計算f0e'，將f0e'代人式（4）重新計算l，直至與最后假定的l0差值為0.1cm，從而確定出最不利的軌道原始彎曲半波長。通過計算得到允許溫升，如表2。

表2　鋼軌允許溫升

3　鋪設無縫線路分析

查表可知杭州地區最高軌溫為62.1℃，最低軌溫為-10.5℃。該地區能否鋪設無縫線路，主要決定于軌道的允許溫升[△Tu]與允許溫降[△Td]之和是否大于該地區的年軌溫變化幅度。允許鋪設無縫線路的條件為：

式中，△t鎖為無縫線路允許的鎖定軌溫范圍，一般取8℃～10℃。通過表1、表2中的允許溫降、允許溫升可知，R=350 m的曲線地段[△Tu]+[△Td]-（Tmax-Tmin）＜8℃，不滿足鋪設無縫線路條件；R=450的曲線地段 [△Tu]+[△Td]-（Tmax-Tmin）＞8℃滿足鋪設無縫線路條件。

確定半徑450m曲線地段無縫線路設計鎖定軌溫。無縫線路設計鎖定軌溫應根據當地氣象資料，無縫線路的允許溫升、允許溫降，并考慮一定的修正量計算確定。設計鎖定軌溫計算公式為：

取修正值ΔTk=0.75℃，則Te=34℃。設計鎖定軌溫幅度為34±3℃。

最大溫降幅度：ΔTdmax=Tm-Tmin=37-(-10.5)=47.5℃≤[ΔTd]=50.7℃；

最大溫升幅度：ΔTumax=Tmax-Tn=62.1-31=31.1℃≤[ΔTu]=32.8℃，滿足要求。

4　無縫線路前期整治

無縫線路鋪設前，應對線路進行綜合整治，以滿足鋪設條件。要求路基穩定，無道床翻漿、路基冒漿，線路排水狀態良好；補充道床石碴，道床應保持飽滿、均勻和整齊，道床頂面寬度應達到3.4m，R≤600m曲線外側道床應加寬0.1m，碴肩堆高0.15m，邊坡坡度1：1.75；更換線路上的失效軌枕，對銹蝕嚴重及失效的螺桿進行改錨。

5　結論及建議

（1）R=450m小半徑曲線上鋪設無縫線路，由于允許溫差值較小，建議采取補強措施，以提高該曲線地段線路的穩定性。

一是提高道床的橫向阻力。該曲線地段Ⅱ型鉿枕應增加配置數量至每千米1840根；采用一級碎石道碴，道床橫斷面尺寸應符合《鐵路線路修理規則》中道床頂面寬度及邊坡坡度的規定。

二是提高軌道整體框架剛度。鋪設無縫線路時，在曲線上設置一定數量的絕緣軌距拉桿，建議每隔5m設置一根。

（2）高溫季節應加強對小半徑曲線地段無縫線路的監護，建議在曲線頭尾增設位移觀測樁，加強線路位移觀測。

（3）從延長鋼軌維修周期，節約維修成本角度出發，該曲線宜鋪設全長淬火鋼軌。

（4）在鋪設無縫線路時，應嚴格按照設計鎖定軌溫幅度范圍進行施工。對于超長軌條相鄰單元軌節的鎖定軌溫差不得超過5℃，左右股鎖定軌溫差不得超過5℃，整根超長軌條內鎖定軌節的最高、最低鎖定軌溫差不得超過10℃。