高速鐵路有砟軌道地段鋼軌焊接接頭平直度變化規律分析

張銘達

(中國鐵路沈陽局集團有限公司，遼寧沈陽 110001)

鋼軌及焊接接頭處的平直度對高速鐵路的平順性影響較大，對高速鐵路鋼軌焊接接頭的焊接環節、上道前后、運營過程中平直度的變化規律進行測量及分析。

平直度測量工具為SEC電子平直尺。

1 焊接接頭處軌頂面平直度變化規律

1.1 廠內施焊環節

對其成形環節(精磨)到成品臺(0 h、6 h、12 h、24 h和48 h)之間的軌頂面平直度進行測量，共測量接頭30個，數據如表1所示。

測量數據顯示，從精磨結束到成品(0 h)，軌頂面平直度沉降變化量均值為0.145 mm。其差異原因主要為打磨量不同、發熱程度不同[1](打磨量及發熱量越大，軌頂面平直度變化越大)。

表1 生產環節軌頂面平直度的變化 mm/m

從開始施焊至成品臺，軌頂面平直度沉降變化量均值為0.010 mm；6～12 h變化量均值為-0.004 mm；12～24 h變化量均值為-0.002 mm；24～48 h變化量均值為0.001 mm。由于測量采用的電子平直尺的精度為0.02 mm，小于測量精度的變形量可以忽略。

1.2 現場施焊環節

抽查的52個現場焊接接頭一次合格率情況如表2所示。

表2 現場施焊接頭處平直度一次合格率

注：一次合格率為7.7%

現場施焊接頭處軌頂面平直度變化有以下規律。

①與廠內施焊相比，受焊接設備精度和作業條件等因素影響，其一次外觀合格率較低。

②現場施焊接頭處軌頂面一般預留較高，打磨作業量較大。打磨發熱引起的接頭拱度變化也不容忽視。因此，現場施焊應采取分步打磨措施：第一步，限速開通前打磨至0.5 mm/m以內；第二步，在線路精細整修時打磨至合格范圍內。

1.3 上道前后環節

現場量取了309個接頭軌頂面平直度數據，按標準[2]要求，合格率為97.1%?；夭楹杠壔財祿欤鰪S合格率為100%，兩者之間的差值分析如表3所示。

表3 焊接接頭上道前后軌頂面平直度變化量對比

原因分析：

①受軌枕、扣件等的垂向力作用發生變形。有研究表明，在垂向受力最不利條件下，輕枕空吊等因素有可能導致軌頂面平直度發生變化[3-4]，最大變化量約為0.1 mm/m。

②受溫度力作用發生變形[5]。

③其他因素的影響[6-8]。

表3中，各接頭平均低塌量為0.0365 mm/m，平均上拱量為0.0327 mm/ m，低塌量小于0.05 mm/m的接頭占84.5%。因此，接頭上道短期內沒有明顯低塌變化。

1.4 運營環節

為了分析接頭處軌頂面平直度的長期變化規律，選取了697個接頭的測量數據(上道14年的地段)，與當年上道地段546個新鋼軌接頭數據進行對比，對比情況如表4所示。

表4 上道14年和新上道接頭軌頂面平直度對比

對比分析如圖1所示。

圖1 新上道接頭和長期上道接頭頂面平直度分布

由表4和圖1可知，接頭處鋼軌從2003年上道至2017年，累計通過總重為3.75億t、大型打磨車打磨超過30遍，垂直方向打磨量普遍超過了3 mm，軌頂面平直度均值仍然為0.103 mm/m，其中有64.3%在0～+0.3 mm/m之間。從這個角度看，軌頂面平直度下限值變化不大，焊縫低塌不明顯。

1.5 平直度預留上限值問題

動車通過百米點出現車抖聲音較為明顯地段，軌頂面平直度變化超過了0.2 mm/m，其分布比例與百米點出現車抖聲音的頻次基本相當。

經過打磨以后，軌面平直度變化超過0.2 mm/m的數量大為減少，動車通過時平順性亦有較大改善。

動檢車波形也顯示(見圖2)，在每百米點預留起拱的接頭處，波形反映為動態高低和三角坑明顯[9]。各百米點的原始平直度變化與動態高低、三角坑等指標關系密切，軌頂面平直度超過0.3 mm/m時，對線路平順性影響較大，部分0.3～0.2 mm/m的地段影響也比較明顯，小于0.2 mm/m時影響明顯減輕。實際添乘的結論也證明了這一點。

圖2 不同軌頂面平直度焊接接頭的動態波形

百米點動態波形顯示，其均為基礎動態低塌特征，主要原因為軌頂面平直度預留較高，輪軌沖擊力過大造成接頭部位枕下基礎沉降。因此，鋼軌及焊接接頭預留拱度問題值得重視。

此外，鋼軌軌頂面平直度變化率要比軌頂面平直度更能反映輪軌的垂向沖擊程度。高速鐵路有砟軌道軌距變化率靜態要求為1/1 500[10-11]，按此估算，軌頂面平直度變化率應為0.5/1 500左右。以目前軌頂面平直度最大值為0.3 mm/m的要求為例，折合成軌頂面平直度變化率為0.9/1 500，明顯高于0.5/1 500的要求。若按照0.5/1 500要求，則軌頂面平直度不應超過0.2 mm/m。

由以上分析可知，高鐵有砟軌道地段動車對有砟地段+0.2 mm/m以上的軌頂面不平順敏感，應盡量控制軌頂面平直度不超過0.2 mm/m。

1.6 焊接接頭處軌頂面平直度變化規律總結

①廠內變化的主要原因為打磨發熱。

②上道后，鋼軌受力條件發生改變，會導致平直度發生變化，變化的范圍多在-0.1～0.1 mm/m，且有一定的隨機性。

③高速鐵路有砟軌道地段軌頂面平直度變化的主要原因是鋼軌打磨，且長期變化量很小。

④應適當控制高速鐵路有砟軌道軌頂面平直度上限值。

2 焊接接頭處工作邊平直度變化規律

2.1 上道后工作邊平直度變化

抽查了50個新上道的焊接接頭，其工作邊平直度超過相關鐵路規范要求的占64.0%(32個)。

通過回查基地焊接數據庫，該50個焊接件接頭工作邊均為合格。

從上述50個廠焊接頭上道前后測量曲線對比可知，受到扣件約束，上道后工作邊平直度較原來有所改善的只有6個，其他44個都有劣化的趨勢，劣化比例占88%。其中，有78%的接頭工作邊平直度變化量在±0.1 mm/m之間(如表5所示)。

表5 受力后接頭工作邊平直度變化量對比

現場也隨機抽查了新上道及2003年上道的鋼軌母材工作邊平直度情況。發現不管是鋼軌焊接接頭還是新舊鋼軌母材，其工作邊平直度超標比例與焊接接頭超標比例基本相同。

圖3 鋼軌受水平方向作用力示意(單位：m)

究其原因，一方面，鋼軌上道后，在水平方向上會受到軌距塊的橫向力作用。以600 mm間距的軌枕布置為例，1.2 m范圍內鋼軌會就受到6個點橫向力作用(如圖3所示)，使得原來自由狀態下合格的鋼軌工作邊平直度發生了變化。由于60 kg/m鋼軌水平方向上抗彎剛度不足垂直方向上的1/6，其工作邊平直度更容易發生變化，測量的數據也證實了這一點。

另外，工作邊平直度的變化受溫度力的影響也比較大。

2.2 工作邊平直度變化規律總結

(1)鋼軌所受橫向力有時會遠大于垂向力，鋼軌水平方向剛度遠小于垂直方向剛度，兩個特點決定了水平方向的工作邊平直度變化量大于垂直方向。

(2)工作邊平直度變化不僅僅局限于焊接接頭，不管是鋼軌焊接接頭還是新舊鋼軌母材的工作邊平直度變化均較大，其超限程度也基本相同。

3 結論

(1)焊接接頭處廠內軌頂面平直度變化主要由打磨發熱引起。在高速鐵路有砟軌道地段，上道期較長鋼軌的焊接接頭處軌頂面平直度變化的主要原因為鋼軌打磨，而不是由接頭處低塌而引起。

(2)鋼軌水平方向剛度相對較小，焊接接頭上道后的工作邊平直度受力變形比較明顯，鋼軌上道后，在受力狀態下，平直度指標滿足相關鐵路規范要求難度較大。

(3)由于鋼軌及焊接接頭上道后的受力變化，考慮到相關標準中并沒有明確鋼軌及焊接接頭上道后應該執行的平直度標準，建議明確高速鐵路有砟地段上道后的焊接接頭軌頂面平直度上限按+0.2 mm/m取值，建議明確鋼軌及焊接接頭上道后的工作邊平直度要求。

[1] 蔡志鵬，趙海燕，鹿安理，等.鋼軌焊接接頭平直度的影響因素[J].中國鐵道科學，2011，32(1)：20-24

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB/T1632—2014 鋼軌焊接接頭技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2014

[3] 龔佩毅，楊文忠，練松良，等.200 km/h線路鋼軌焊接接頭受力測試研究[J].鐵道建筑，2008(12)：87-90

[4] 趙東田.無砟軌道的誤差組成及其權值初步分析[J].鐵道工程學報，2010(7)：20-24

[5] 李成輝.軌道[M].成都：西南交通大學出版社，2005

[6] 高彥嵩，晁俊才，張憲良.鋼軌平直度電子測量儀應用比較[J].設備管理與維修，2011(11)：21-23

[7] 崔冬芳，王艷華，胡智博，等.鋼軌移動閃光焊接接頭軟化問題的研究[J].鐵道技術監督，2009(12)：6-9

[8] 盛艷明.鋼軌端部彎曲的壓力矯直計算研究[D].南昌：華東交通大學，2008

[9] 李超雄，磨巧梅，等.鐵路線路檢測與分析[M].北京：中國鐵道出版社，2016

[10] 中華人民共和國鐵道部.鐵運[2013]29號 高速鐵路有砟軌道線路維修規則(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2014

[11] 中華人民共和國鐵道部.鐵運[2014]170號 高速鐵路工務安全規則(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2014

[12] 中華人民共和國鐵道部.TB 3276—2011 高速鐵路用鋼軌[S].北京：中國鐵道出版社，2011