鋪設(shè)500 m 長(zhǎng)鋼軌預(yù)留軌縫計(jì)算方法的分析

張國(guó)平

（中鐵十七局集團(tuán)電氣化工程有限公司， 山西 太原 030032）

1 背景分析

500 m 長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)施工時(shí)要求：鋪軌施工時(shí)伸縮區(qū)范圍內(nèi)的鋼軌扣緊全部緊固，固定區(qū)內(nèi)采用《客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路工程施工技術(shù)指南》（TZ216-2007）中10.2.5 規(guī)定、長(zhǎng)鋼軌落槽后，宜每隔5～8 根枕安裝一組扣件，接頭前后兩根枕的扣件應(yīng)安裝齊全。但因外界氣溫影響鋼軌的軌溫，既而使鋪設(shè)后的500 m 長(zhǎng)鋼軌伸長(zhǎng)或收縮，導(dǎo)致預(yù)留的軌縫引起相應(yīng)的變化。

隨著氣溫升高，軌縫會(huì)逐漸減小，至軌縫頂死后，出現(xiàn)脹軌現(xiàn)象，容易造成列車掉道；在氣溫降低時(shí)，軌縫會(huì)增加，大于構(gòu)造軌縫后，鋼軌出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)，列車運(yùn)行會(huì)造成掉道情況。在快速鋪軌條件下，易產(chǎn)生新鋪鋼軌對(duì)中不良、線路不平順等弊病。在線路整道后，會(huì)使實(shí)際軌縫與預(yù)留軌縫有較大出入，極容易造成大范圍竄軌，對(duì)后期養(yǎng)護(hù)很不利[1]。

因此預(yù)留軌縫在放散鎖定無(wú)縫線路前需滿足一定的技術(shù)條件，即需在鋪設(shè)500 m 長(zhǎng)鋼軌時(shí)合理的預(yù)留軌縫。保證低溫條件下引起的鋼軌收縮不超過(guò)構(gòu)造軌縫，高溫條件下預(yù)留軌縫的兩頭鋼軌不嚴(yán)頂，確保列車安全運(yùn)行，同時(shí)減少養(yǎng)護(hù)工作[2]。

2 預(yù)留軌縫的分析和計(jì)算方法

2.1 預(yù)測(cè)鋼軌鎖定日期內(nèi)的軌溫峰值

500 m 長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)時(shí)，需掌握此段鋼軌的放散鎖定施工計(jì)劃日期，查詢相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際測(cè)量，預(yù)測(cè)鎖定施工日期內(nèi)的最高軌溫和最低軌溫[1]。

2.2 根據(jù)軌溫變化計(jì)算最大溫度力

設(shè)某地的鋪軌近期內(nèi)的最低軌溫為Tmin，最高軌溫為Tmax，鋪設(shè)軌溫為T。

當(dāng)軌溫降低時(shí)最大溫度力的公式如下：

當(dāng)軌溫升高時(shí)最大溫度力的公式如下：

2.3 伸縮區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算

受力分析：伸縮區(qū)鋼軌（見表1）受到軌端的溫度力和扣件扣壓力引起的摩擦力，還受到扣件未扣上的鋼軌與橡膠墊板的直接摩擦力，因鋼軌與橡膠墊板的直接摩擦力相對(duì)于扣件扣壓力引起的摩擦力很小，受力時(shí)不計(jì)鋼軌與橡膠墊板的直接摩擦力。根據(jù)力的平衡，當(dāng)溫度力等于伸縮區(qū)內(nèi)的各組扣件合力時(shí)的斷面，即為伸縮區(qū)與固定區(qū)的分界斷面點(diǎn)[2]。

扣件緊固時(shí)的等效分布力γ 取230 N·cm。

寧杭客專正線軌道板采用CRTSⅡ型無(wú)砟軌道板，其存軌槽線間距為65cm。《WJ-7、WJ-8 型扣件縱向阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究》中結(jié)果：wJ-7、wJ-8 型常阻力扣件縱向阻力的彈塑性臨界點(diǎn)在2～3 mm，每組扣件的滑移阻力為14～15 kN，最大可達(dá)24 kN，這里取15 kN。

可得伸縮區(qū)長(zhǎng)度Ls的范圍為以下公式：

施工500 m鋼軌兩端扣件緊固時(shí)，取Ls=Max（Ls低，Ls高），即Ls=Max[2.48×（T-Tmin）×F/γ，2.48×（Tmax-T）×F/γ]。

2.4 預(yù)留軌縫計(jì)算

式中：E 為鋼軌的彈性模量（MPa），取值為2.1×105MPa；F 為鋼軌的截面面積（mm2），60 kg/m 鋼軌取值為7 745 mm2。

可得，軌溫降低引起的最大收縮長(zhǎng)度：

軌溫升高引起的最大伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度：

按低溫軌縫不超過(guò)構(gòu)造軌縫ag為條件，可算得預(yù)留軌縫上限a上為：

按高溫軌縫不頂嚴(yán)為條件，其下限a下為：

則預(yù)留軌縫a0為：

式中：ag為最大構(gòu)造軌縫，取1.8 cm。

以上公式認(rèn)為以鋼軌鋪設(shè)連續(xù)性為前提，可認(rèn)為軌縫前一對(duì)鋼軌鋪設(shè)和后一對(duì)鋼軌鋪設(shè)的軌溫一致；如鋼軌鋪設(shè)不連續(xù)時(shí)，鋪設(shè)軌溫相差大，但其鎖定日期基本一致，即需分別求出軌縫前后一對(duì)鋼軌的伸縮最大長(zhǎng)度λ低前、λ低后、λ高后、λ高前。

再按低溫軌縫不超過(guò)構(gòu)造軌縫ag為條件，可算得預(yù)留軌縫上限a上為：

按高溫軌縫不頂嚴(yán)為條件，其下限a下為：

則預(yù)留軌縫a0為：

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算

寧杭鐵路客運(yùn)專線，正線設(shè)計(jì)為500 m 長(zhǎng)60 kg/m的鋼軌的無(wú)砟無(wú)縫線路。其軌溫2012 年上半年的軌溫見表1。

表1 寧杭客專軌溫統(tǒng)計(jì)表

以上可以看出，10 天內(nèi)的最高軌溫與最低軌溫差不大于32℃，20 d 內(nèi)不大于36℃，30 d 內(nèi)不大于40℃，60 d 內(nèi)不超過(guò)42℃。

例如2012 年5 月16 日在寧杭客專右線DK112段連續(xù)鋪設(shè)500 m 長(zhǎng)鋼軌時(shí)，某對(duì)鋼軌的鋪設(shè)軌溫為32℃，按工期進(jìn)度計(jì)劃此段鎖定時(shí)間為6 月中旬（實(shí)際鎖定時(shí)間為6 月7 日）。預(yù)測(cè)5 月16 日至6 月中旬最高軌溫約45℃，最低軌溫可以取前幾天的平均最低軌溫約為15℃。

計(jì)算伸縮區(qū)長(zhǎng)度，根據(jù)公式：

即連續(xù)緊固扣件長(zhǎng)度不小于14.19 m。

軌縫計(jì)算：

即可設(shè)置當(dāng)時(shí)鋪軌時(shí)的預(yù)留軌縫為8 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

以上方法可用于區(qū)間500 m 長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)施工時(shí)預(yù)留軌縫的計(jì)算及軌縫的預(yù)留，可避免低溫條件下引起的鋼軌收縮不超過(guò)構(gòu)造軌縫，高溫條件下預(yù)留軌縫的兩頭鋼軌不嚴(yán)頂，有效通過(guò)預(yù)留軌縫，減少后期養(yǎng)護(hù)工作和確保安全行車。但鋼軌鋪設(shè)施工過(guò)程中存在許多的特殊情況，如站場(chǎng)與區(qū)間間的預(yù)留軌縫設(shè)置、道岔間短軌鋪設(shè)的預(yù)留軌縫設(shè)置，都可參考計(jì)算方法的原理進(jìn)行分析，用于有效控制軌縫，提高鋪軌生產(chǎn)能力。