无缝线路稳定性及有效保证措施研究

无缝线路稳定性及有效保证措施研究2012年1月第1期(总160)铁道工程JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYNO.1(Ser.160)文章编号:1006—2106(2012)01—0026—04无缝线路稳定性及有效保证措施研究梁灿(中国中铁印尼有限责任公司,北京100039)摘要:研究目的:无缝线路在长轨条范围消除了轨缝,在轨温改变时钢轨的伸缩受到限制,当轨温升高时,钢轨内将产生巨大的温度压力,温度压力超过一定限值时,钢轨可能会臌曲变形,使轨道丧失稳定.有些特殊地段,如桥梁,无缝道岔区,由于结构特点,还会在钢轨内产生多余的附加力,在半径较小的曲线地段,无缝线路抗失稳能力降低,对无缝线路稳定性提出了更高的要求.研究结论:在特殊地段,如桥梁,无缝道岔区及小半径曲线地段,传统的提高无缝线路稳定性措施有一定的局限性,通过采用外侧支挡或内侧加拉杆,使用整体道床,使用小阻力扣件,使用伸缩调节器,设置道床插板等措施,可以有效地解决特殊地段无缝线路的稳定性.关键词:无缝线路;稳定性;措施中图分类号:U213.9文献标识码:A AStudyontheStabilityofContinuouslyWeldedRailTracksandRelevant EffectiveMeasuresLIANGCan(ChinaRailwayIndonesiaCo.,Ltd,Beijing100039,China)Abstract:Researchpurposes:Theseamiseliminatedwiththerangeoflongrailforseamlessrai lwayline.Whenthetemperatureofrailchanges,theexpansionofsteelrailisrestricted,significanttemperaturepre ssurewillbeinducedwithintherail,whenthetemperaturesexceedsthelimit,therailmaybuckleordistort,consequ entlyleadstothelossofstabilityofrailtrack.Inspecialsectionssuchasbridgeorseamlessturnout,duetostructurec haracteristics,unneces—saryadditionalforcewillbeinduced.Incurvedsectionwithsmalldiameter,thecapabilityofse amlessrailwaylinetore—sistthelossofstabilitydecreases,whichputsforwardahigherrequirementonthestabilityofC ontinuouslyWeldedRailTracks.Researchconclusions:Inspecialsectionssuchasbridgeorseamlessturnoutorcurvedsection withsmalldiameter,the traditionalmeasurestomaintainthestabilityofcontinuouslyWeldedRailTrackshaveshortc omings.Byusingexternalretainingdevicesorinnertie—bars,usingintegralballastbed,usingfasteningswithlessfriction,settingupinserting boardofballastbed,thestabilityofcontinuouslyWeldedRailTracksinthespecialsectionsca nbeensured.Keywords:continuouslyweldedrailtracks;stability;measures1无缝线路稳定性概述铁路无缝线路就是将标准长度的钢轨焊联在一起,在很长的一段距离,钢轨消除了轨缝,增加了轨道的平顺性.在列车运行当中,显着地降低了机车车辆的冲击作用.运营实践证明,无缝线路地段的养护维修工作量比普通线路降低35%～75%,铺设无缝线路使机车车辆的使用寿命增加,也提高了旅客的舒适度.收稿日期:2011—12—16,作者简介:梁灿,1970年出生,男,高级工程师,现任中国中铁印尼有限责任公司设计部副部长.第1期梁灿:无缝线路稳定性及有效保证措施研究27 我国铺设无缝线路也有近50年的历史,经历了初期的既有线换铺和当今的新线一次铺设无缝线路的阶段. 随着我国铁路向高速重载的方向发展,还会有更多的无缝线路铺设.尽管无缝线路有诸多的优点,但在设计中常常会遇到许多问题.当轨温改变时,长钢轨中将产生巨大的温度力,轨温升高时,会产生温度压力.温度压力增大时,首先对无缝线路稳定性造成影响.有些特殊地段,如桥梁,无缝道岔区,由于结构特点,还会在钢轨内产生多余的附加力,更加大了对稳定性的影响.在曲线地段,尤其在半径较小的曲线地段,无缝线路抗失稳能力降低,对无缝线路稳定性提出了更高的要求.无缝线路的失稳是由于钢轨内承受了巨大的轴向力,钢轨因此产生横向变形,当轨道框架刚度和轨道横向阻力不能限制钢轨变形时,轨排突然发生大的横向位移,现场俗称为"胀轨跑道".无缝线路失稳对列车运行威胁很大,有可能造成重大损失,因此,在设计中必须认真检算,以保证无缝线路稳定性.2国内外发展状况无缝线路最早建于德国,德国也是开始研究无缝线路稳定性最早的国家.研究者认为长钢轨内温度升高产生轴向压力,是不可避免的事情.但如果采取必要的措施,加强轨道结构,可以阻止轨道的失稳,于是, 许多学者进行了大量的研究.迈尔是其中的代表性人物,他根据能量法提出了钢轨臌曲计算图式,为后来安全温升法理论奠定了基础.以后经过研究,又提出了临界温升法的计算理论.随着无缝线路在世界的推广和普及,到上世纪中叶,许多国家通过对无缝线路稳定性进行研究,都取得了成果,其中有前苏联的米辛科公式,别尔申公式,El本的沼田实公式,由美国的科尔和英国的萨姆维旦,利用能量变分原理结合微分方程分析无缝线路稳定性,使该理论达到一个新的水平.我国从1957年开始试铺无缝线路,并在既有线上大量换铺无缝线路,一直非常重视对稳定性的研究工作.许多高等院校,科学研究院,设计院和铁路局都对无缝线路稳定性理论进行了研究.铁科院和铁路局在实际轨道上对钢轨受压臌曲规律,进行了大量的试验, 不断加深对稳定性理论的认识.1977年4月,在长沙铁道学院,科研小组提出了"统一无缝线路稳定性计算公式",简称"统一公式"uj,使我国无缝线路稳定性理论规范化,统一化迈出了坚实的一步.现在"统一公式"仍在铁路局,设计院广泛应用.虽然建立了"统一公式",但对无缝线路稳定性的研究始终未结束.长沙铁道学院陈秀方教授等人对国内几条干线铁路进行了现场实测,用数千个样本统计出60kg/m钢轨的初始弯曲矢长比,弹性初始弯曲和塑性弯曲的分布],为60kg/m线路稳定性计算合理选取参数提供了依据.他们在这一基础上对原"统一公式"进行了改善_3],改善后的"统一公式"在秦沈客运专线中得以应用.随着能量变分原理在无缝线路稳定性研究中的应用,又取得了许多成果.郑州铁路局广钟岩高级工程师,通过运营实践与理论研究相结合, 提出了一整套有理论依据的措施,对保证无缝线路稳定性有着指导作用.铁道科学研究院的卢耀荣研究员,通过大量研究提出了初始弯曲波长与变形波长不等的计算模型,实践证明这种模型更接近实际,据此推导出稳定性计算公式.此外,他对稳定性理论的又一重大发现是关于动态失稳特征,即所谓"弹动现象"_4J,更具有重要的理论和实际意义.以上说明,我国研究无缝线路稳定性已经取得了相当大的成绩,突破了所谓无缝线路"禁区",但还有待进一步深化.对一些特殊地段的无缝线路,还需更深入地研究.3传统的提高无缝线路稳定性措施及局限性我们已经知道,造成无缝线路失稳的因素有钢轨的温度升高和初始弯曲,防止失稳的因素有轨道框架刚度和轨道横向阻力.在进行无缝线路设计时,应按照限制不利因素或增强有利因素,保证无缝线路的稳定性.以往有些方法,可以提高无缝线路稳定性.3.1合理确定无缝线路锁定轨温无缝线路的允许温升一般由稳定性决定,如果要使钢轨中的温度压力降低,就要限制钢轨的实际温升. 因此,无缝线路的锁定轨温常常要高于中间轨温几摄氏度,这可以使钢轨的实际温升减小,从而降低钢轨的温度压力.但是,锁定轨温不能比中间轨温高太多,正常情况下,有7℃以内的温度量值.3.2严格控制初始弯曲矢度无缝线路焊接长钢轨在运输,施工以及运营过程中,由于各种外力作用使钢轨弯曲.当取消外力作用弯曲消失,则称为弹性初始弯曲,如果取消外力,仍不能消除的弯曲,则叫做初始塑性弯曲.初始弹性弯曲和初始塑性弯曲对于无缝线路稳定性都是不利的因素,在施工,运营过程中应尽量减小初始弯曲.但在运营过程中,初始弯曲是不可避免的,尤其在繁忙干线铁路,初始弯曲非常难控制.如果处在半径很小的曲线上,控制初始弯曲效果也不大.28铁道工程2o12年1月3.3增加轨道的框架刚度轨道的框架刚度包括两部分,一是两根钢轨本身的抗弯刚度肼,二是钢轨和轨枕用扣件联结的阻矩.用提高钢轨类型的方式可适当提高钢轨本身截面的抗弯刚度,但由于增大了钢轨截面面积,使钢轨的轴向压力也同时增大,由此看提高钢轨类型对增加轨道框架刚度的效果很小.通过拧紧扣件提高扣件与轨枕的阻矩作用,实践证明可增加轨道框架刚度,但目前扣件阻矩的轨道框架作用仅限于作定性分析,在设计中从未有规范或文献说明其准确的量化值.在利用"统一公式"计算稳定性时,现仍将刚度系数取为1.3.4增加砟肩宽度堆高砟肩对于有砟轨道,其横向阻力是指道床阻止轨枕横向移动的约束作用,称为道床横向阻力.道床横向阻力同道床密实度,砟肩宽度和轨枕类型等因素有关.一般情况下增加砟肩宽度可以提高道床横向阻力J,但由于砟肩道床破裂面的位置原因,砟肩宽度超过550mm以后,道床横向阻力不再增加.将砟肩堆高,也可以增加道床的横向阻力.增加砟肩宽度和堆高砟肩是有限提高稳定性较为有效的方法,在有关的暂规或设计文件中都有类似的说明.但此方法增加道床横向阻力的效果,按"统一公式"计算的等效道床阻力仅仅达到90～100N/em,在半径较小的曲线地段,仅靠增加砟肩宽度和堆高砟肩难以保证无缝线路的稳定性.3.5采用定期放散应力式无缝线路这种型式的无缝线路是在每年的春秋季节,放散无缝线路温度力,可以使温度力在冬季和夏季都不至太大,从而避免无缝线路失稳.但这种方法每年必须有两次放散应力,增加很多线路的作业.因此,此方法在国内很少采用.4现采用的有效措施上面的5种提高无缝线路稳定性方法是比较传统的,在早些时候铺设的无缝线路确实起到了一些作用, 但根据定量分析,上面方法的效果都是有限的.近几年对无缝线路研究又有了新的成果,提高稳定性的基本原则未变,仍然是限制不利因素,提高有利因素,但结构型式同以往有很大不同.从使用效果看,确实有了很大改善,某些方法,已经突破了原来的"禁区".4.1采用外侧支挡或内侧加拉杆在双线铁路曲线地段的外侧线路上,可以用一种支挡结构,如图1所示.在线路外侧将钢筋混凝土桩打入路基内,在桩与轨枕之间嵌入木板挡住轨枕.钢筋混凝土桩截面可达100mm×100mm,在地下部埋深有1～1.5m,这不仅保证了钢筋混凝土桩的强度,桩身的稳定性,而且,桩与木块可为轨道提供足够的横向力,阻止钢轨向曲线外侧的横向变形,借此提高无缝线路的稳定性.图1曲线外侧设置支挡结构示意图双线铁路曲线地段的内侧线路,如果在曲线的外侧设置支挡结构难以满足限界要求,可在曲线内侧设置拉杆结构,如图2所示.这种结构仍是在内侧路基上打入钢筋混凝土桩,用拉杆将桩与钢轨联结.拉杆截面很大,同样可提供足够的横向力,以约束长钢轨的横向变形,保证无缝线路的稳定性.设置支挡结构和拉杆,在郑州铁路局宝成线,陇海线,曲线半径小于400m地段都有使用,如果是很平坦的路基,使用效果非常好.图2曲线内侧设置拉杆结构示意图4.2使用整体道床整体道床结构属于新型轨下基础,除了具有整体性强,少维修,使用寿命长等优点外,还可以保证无缝线路的稳定性.碎石道床轨道的横向阻力决定于碎石对轨枕的约束作用.当轨枕在道床中有横向位移或横向位移趋势时,其底面,侧面和端部都会受到阻力作第1期梁灿:无缝线路稳定性及有效保证措施研究29 用.道床的横向阻力随轨道的状态而不断变化,许多试验表明即使是Ⅲ型轨枕在比较密实的道床中,一根轨枕在横向位移为2mill时,道床的横向阻力也仅有15～19kN.整体道床的轨下基础,是由钢筋混凝土结构组成,其抗横向阻力远远高于碎石道床,而一般的扣件横向阻力值也有40～5OkN,这样的阻力足可以保证无缝线路的稳定性.整体道床地段的无缝线路稳定性计算,目前在国内尚未发表权威性的方法,一般认为,整体道床地段的无缝线路可以保证稳定性.铁三院线路处专门为此进行了研究,其计算模型如图3所示.取两相邻扣件之间的钢轨为隔离体,扣件的约束可视为弹簧,阻止钢轨的伸缩和弯曲.按照弹性受弯物体的截面弯矩与变形之间的关系列出微分方程,进行推导计算.计算结果表明,整体道床地段的无缝线路稳定性可以保证.图3整体道床无缝线路稳定性模型4.3使用小阻力扣件在桥上无缝线路地段,长钢轨中除了有温度力外,还有附加力的作用,如伸缩力.本来按温度力计算还可以满足无缝线路稳定性要求,但是如果加上伸缩力后,长钢轨内轴向压力将超过其允许压力值.伸缩力值同线路纵向阻力,桥梁结构和桥梁材料等因素有关, 通过降低纵向阻力减小伸缩力是比较常见的方法.小阻力扣件可以比道床阻力小,由铁道科学研究院研制的小阻力扣件,是通过减小扣件的扣压力或在轨下设置复合垫板降低线路的纵向阻力,其中小一级的扣件阻力可控制在5kN/m以下,从而有效降低了伸缩力. 小阻力扣件线路的伸缩力,同铁路常用的弹条扣件比较,伸缩力分布如图4所示.图4小阻力扣件线路伸缩力分布图可见小阻力扣件线路的伸缩力比大阻力扣件线路的值小许多,结果使温度力与伸缩力之和仍小于由稳定性计算的允许轴向压力,保证了无缝线路的稳定性.4.4使用伸缩调节器伸缩调节器是一种可以伸缩的装置,主要由基本轨,尖轨,轨撑,垫板和螺栓等部件组成.近几年通过对伸缩调节器的不断改善,其结构更合理,铁路桥梁经常采用曲线型伸缩调节器.实际上伸缩调节器还有其它作用,如果将其设置在温度跨度较大的连续梁活动支座一端,可适应梁端比较大的位移,尤其在连续钢桁梁端部使用较多.如果伸缩调节器设置在大跨度连续梁联的中间,可以使传递到桥梁墩台的力降低.伸缩调节器提高无缝线路稳定性,是利用它可降低长钢轨内轴向力这一特点.设置伸缩调节器钢轨温度力分布如图5所示.由图中钢轨温度力的分布可以知道,在伸缩区范围,钢轨的温度力小于固定区的温度力,也就保证了无缝线路的稳定性.但有一点必须要注意,为保证线路运营的安全,在半径小于1500m的曲线上,不宜使用伸缩调节器.固定区l伸缩区1固定区\/1只图5设置伸缩调节器钢轨温度力分布图4.5设置道床插板这是将同轨道联结的板插入道床中,板的平面同线路方向垂直,可以增大道床的横向阻力.首先要解决的问题是插板如何同轨道联结,资料记载了国内外有将插板固定在轨枕上,但目前国外还无法考证,国内也未发现这种联结方法的实物.铁三院线路处设计出一种同钢轨联结在一起的插板,如图6所示.是由两部分通过螺栓将其联结并固定在钢轨上,插板设置在轨枕之间,板的端部可到轨枕底面高度以下.单用板的面积草算,在内外股钢轨设置两块板的横向阻力,相当于增加了一根轨枕.插板的准确阻力,还要通过现场试验进行确定.这种插板如果可以提供足够的横向阻力,不给养护维修带来麻烦,将是非常值得推广的.睡__L\}{/\图6道床插板示意图(下转第56页)56铁道工程2012年1月SystemforSuperLongDahuofangWaterTunnel[J].坛,2011. JournalofRailwayEngineeringSociety,2010(3):61一ChenYongzhao,MeiZhirong.etc.Geological65?PredictionandGroundwaterConnectivityTestStudyon[4]张军伟,梅志荣,唐与.特长隧洞TBM施工与锚喷支护Water—RichTunnel 『C]//2011InternationalF0rumof应用研究[J].铁道工程,2011(1):39—46.NewDevelopmentonTunnelandUnderground ZhangJunwei,MeiZhirong,TangYu.StudyonTBMEngineering.2011. ConstructionandApplicationofBolt—shotcrete[7]厦门市市政建设开发总公司,等.厦门富水复杂地层城Suppo~inConstructionofLongWaterTransferTunnel市隧道修建关键技术研究[R].厦门:厦门市市政建设[J].JournalofRailwayEngineeringSociety,2011(1):开发总公司,2011.39—46?TheControllingCompanyofMunicipalConstruction[5]傅立磊,梅志荣,张军伟,等.排桩内支撑支护技术在厦andDevelopmentinXiamen,etc.ResearchontheKey门淤泥地层深基坑中的应用研究[C]//中国土木工程学TechniqueofCityTunnelinWater—richandComplex会第十四届年会暨隧道及地下工程分会第十六届年会,StratumofXiamen[R].Xiamen:TheControllingpanyofMunicipalConstructionandDevelopmentFuLilei,MeiZhirong,ZhangJunwei,etc.TheinXiamen.2011. ApplicationStudyonSuppoSingTechniquesforBore一[8]傅立磊.富水复杂地层城市隧道地下水连通试验方法及pilesinDeepFoundationPitofXiamen.[C]//The14其工程应用研究[D].北京:中国铁道科学研究院,2011. AnnualConferenceoftheChinaCivilEngineeringFuLilei.ResearchontheGroundwaterCo nnectivitySocietyandthe16"AnnualConferenceoftheTunnelTestandEngineeringApplicationofCit yTunnelinandUndergroundWorksBranch,2010.Water—richandComplexStratum[D].China [6]陈永照,梅志荣,等.富水隧道超前地质预报与地下水连AcademyofRailwaySciences,2011.通试验研究[C]//2011隧道及地下工程新发展国际论'l,'l'lm,,'','m',,,,,',,l,,,●,,,,l,,,,,,,,,','l','l',ll,,',''',',',''',ll,,,,,',',''l',''''' (上接第29页)5结论本文仅就无缝线路稳定性及有效措施进行了论述,在传统的提高无缝线路稳定性措施的基础上,通过采用外侧支挡或内侧加拉杆,以及使用整体道床,小阻力扣件,伸缩调节器和设置道床插板等措施,可以有效地解决无缝线路的稳定性问题.应该强调的是,对于轨道结构而言,路基的稳定也至关重要.日本东海道新干线由于路基问题,影响了轨道结构的稳定性,不得不花费巨大的力量进行整治,我国某线已运营了几十年,为适应提速的需要,对路基进行了全面的整治,采取灰土挤密桩等,目的就是为了保证轨道的稳定性,因此无缝线路的稳定性还必须建立在路基稳定的基础上才能得以保证.参考文献:[1]广钟岩,高慧安.铁路无缝线路[M].北京:中国铁道出版社,2005.GuangZhongyan,GaoHnian.ContinuouslyWelded RailTracks[M].BeUing:ChinaRailwayPublishing House,2005.[2]陈秀方,娄平,向延年,等.无缝线路原始弯曲的极值概率分析[J].中国铁道科学,1999(1):17—22. ChenXinfang,LouPing,XiangYannian.The ProbabilityAnalysisoftheExtremeValuesofInitial InflectionsinCWR[J].ChinaRailwayScience,1999(1):17—22.赵志军,陈秀方.无缝线路稳定性计算模型的研究[J].长沙铁道学院,2001(3):31—36.ZhaoZhijun,ChenXiufang.TheNewDevelopmentfor StabilityCalculationModelinCWR[J].Journalof ChangshaRailwayUniversity,2001(3):31—36.卢耀荣.无缝线路研究与应用[M].北京:中国铁道出版社,2004.LuYaorong.ResearchandApplicationofContinuous WeldedRailTrack[M].Beijing:ChinaRailway PublishingHouse,2004.罗信伟,雷晓燕,冯青松.小半径曲线无缝线路稳定性有限元分析[J].铁道工程,2006(3):8—12.LuoXinwei,LeiXiaoyan,FengQingsong.Finite ElementMethodforAnalyzingtheStabilityof ContinuousWeldedRailTrackonMinorRadiusCurve [J].JournalofRailwayEngineeringSociety,2006(3): 8—12.1J1J]J345。