艮東聯(lián)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(fā)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(jié)省了大量的接頭零件和線路維修養(yǎng)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(wěn)，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(yōu)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(wěn)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(wěn)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(lián)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(wěn)定性計算分析。

1　線路概況

艮東聯(lián)絡線位于浙江省杭州地區(qū)，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(lián)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(qū)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(wěn)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(guī)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(wěn)定性計算

無縫線路得最大特點是夏季高溫季節(jié)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(yè)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(wěn)定。無縫線路穩(wěn)定性計算的主要目的就是研究軌道膨曲的發(fā)生規(guī)律，分析其產生的力學條件，計算出保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力，防止無縫線路失穩(wěn)。

在無縫線路穩(wěn)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(qū)最高軌溫為62.1℃，最低軌溫為-10.5℃。該地區(qū)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(qū)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(wěn)定，無道床翻漿、路基冒漿，線路排水狀態(tài)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(wěn)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(guī)則》中道床頂面寬度及邊坡坡度的規(guī)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(jié)應加強對小半徑曲線地段無縫線路的監(jiān)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(jié)約維修成本角度出發(fā)，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(jié)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(jié)的最高、最低鎖定軌溫差不得超過10℃。