無縫線路穩(wěn)定性分析

王品化 上海鐵路局阜陽工務段

無縫線路穩(wěn)定性計算的目的是研究溫度力，道床橫向阻力及軌道框架剛度之間的關(guān)系，研究在后兩者已給定的條件下，溫度壓力必須限制在多大范圍內(nèi)才能保證線路的穩(wěn)定。設計無縫線路時，必須經(jīng)過穩(wěn)定性計算以確定其鎖定軌溫；在養(yǎng)護維修時，依據(jù)穩(wěn)定性計算來限制作業(yè)軌溫及作業(yè)量；在軌道日常檢查時，如發(fā)現(xiàn)方向不良，可測量其矢度，按穩(wěn)定性理論或查閱有關(guān)資料，判斷鋼軌受力狀態(tài)。因此，穩(wěn)定性計算對無縫線路的設計、鋪設及維修都是十分重要的。

1 基本概念

無縫線路鎖定后，如果軌溫不高，溫度壓力很小時，軌道將保持原來的狀態(tài)。隨著溫度壓力的繼續(xù)增大，軌道就會在一些薄弱地段（鋼軌有原始彎曲或道床橫向阻力被削弱處）出現(xiàn)較大的彎曲變形。變形矢度 隨溫度壓力的增大而逐漸增加。這一現(xiàn)象稱為無縫線路的脹軌。在脹軌階段，如軌溫不繼續(xù)升高，并無外力干擾，軌道彎曲變形一般不會增加，且有可能隨溫度壓力的下降而逐漸減少，直至恢復到無縫線路原始狀態(tài)。此時，軌道處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但溫度壓力達到某一臨界力РK時，軌溫稍有升高或稍受外力干擾時，軌道彎曲變形就會突然顯著增大，導致軌道完全被破壞。這一現(xiàn)象稱為無縫線路的跑道。因此，脹軌是無縫線路喪失穩(wěn)定的過程，而跑道，則是喪失穩(wěn)定結(jié)果。跑道能使積蓄于軌道中的能量被突然釋放，引起大量位移，并能使鋼軌形成塑性彎曲，使軌枕劈裂，石蹅拋散，甚至顛覆列車，造成嚴重后果。

應當指出，現(xiàn)行無縫線路穩(wěn)定性計算方法并不是要求取從穩(wěn)定平衡轉(zhuǎn)為補穩(wěn)定平衡的臨界力PK值，因為線路在跑道之前脹軌就已相當嚴重，威脅行車安全。目前的做法是把溫度壓力限制在小于 РK的PN點，如圖1所示，從而使橫向位移不超過一定的允許值。此值現(xiàn)定為2mm，以保證線路既不產(chǎn)生變形積累，又不致于過分限制溫度力，從而適當擴大可鋪無縫的范圍。將相應于軌道產(chǎn)生2mm橫向位移的溫度力PN除以安全系數(shù) K后得出的[P]，即為保證無縫線路穩(wěn)定的允許溫度力。

圖1

2 影響無縫線路穩(wěn)定性的因素

對無縫線路大量調(diào)查后得出這樣的結(jié)論:很多次的脹軌跑道事故并非溫度力過大所致，而是由于對無縫線路起穩(wěn)定作用的因素認識不足，在養(yǎng)護維修中破壞了這些因素而發(fā)生的。因此，我們必須研究喪失穩(wěn)定與保持穩(wěn)定兩方面的因素，注意發(fā)展有利因素，克服、限制不利因素，防止脹軌跑道事故，以充分發(fā)揮無縫線路的優(yōu)勢。

2.1 道床橫向阻力

道床抵抗軌道框架橫向位移的阻力稱道床橫向阻力，它是防止無縫線路脹軌跑道，保證線路穩(wěn)定的主要因素。據(jù)蘇聯(lián)經(jīng)驗，穩(wěn)定軌道框架的力，65%是由道床提供的，而鋼軌為25%，扣件為10%。

道床橫向阻力的構(gòu)成是：道床肩部占 20～30%，軌枕兩側(cè)占 20～30%，軌枕底部占50%，且混凝土軌枕和枕木尚有不同。無縫線路地段的道床斷面不僅要符合標準尺寸，還應搗固緊密（詳見圖2）。

圖2

軌道框架剛度 是反映其本身抵抗彎曲能力的參數(shù)。軌道框架剛度愈大，彎曲變形愈小，所以是保持軌道穩(wěn)定的因素。軌道框架剛度，在水平面內(nèi)，等于兩股鋼軌水平剛度及鋼軌與軌枕節(jié)點間的阻矩之和。節(jié)點阻矩與軌枕類型、扣件類型、扣件壓力及鋼軌相對于軌枕的轉(zhuǎn)動有關(guān)。中間扣件的扣壓力愈大，鋼軌與軌枕聯(lián)結(jié)愈緊密，軌道框架的水平剛度就愈大。

軌道框架的水平剛度可取為：式中 β-軌道框架剛度的換算系數(shù)；

2.2 喪失穩(wěn)定因素

（1）溫度力。

（2）軌道原始不平順（原始彎曲）。

鋼軌在制作過程中或在外力作用下，難免存在一些原始彎曲。如鋼軌軋制出廠允許有1/2200的彎曲；線路方向允許有10m弦量矢度不超過4mm的彎曲等。這些原始的微小彎曲對無縫線路的穩(wěn)定性影響很大。通過實驗發(fā)現(xiàn)：原始彎曲愈小，喪失穩(wěn)定的臨界壓力越高；原始彎曲愈大（不超過彎曲限度），喪失穩(wěn)定的臨界壓力愈小。

軌道原始彎曲通常包括塑性原始彎曲和彈性原始彎曲。塑性原始彎曲是鋼軌在軋制、運輸、焊接和鋪設過程中形成。彈性原始彎曲是在溫度力和列車橫向力的作用下產(chǎn)生的。

3 計算模型及應對措施

3.1 確定一條最近實際情況的變形曲線

這在直線地段和曲線地段是不盡相同的。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，直線軌道的變形，發(fā)生在軌道的薄弱處，一般成"S"形碎彎。碎彎的矢度隨溫度壓力的增加而增大，但半波長度變化不大，一般為3.5～5.0m，如圖 3 中的(a)、(b)、(c)所示。

圖3

曲線軌道的變形曲線，由許多個單波組合而成，波長無規(guī)律，基本上是中部出現(xiàn)一個主半波，波長為7～10m，最大矢度為300～350mm，兩側(cè)則為矢度及半波長均很小的副半波，如圖3中（d）所示。不論直線軌道或曲線軌道，變形曲線均非常接近于正弦曲線。又因為曲線計算比較簡單，故常用作無縫線路的變形曲線。

3.2 為控制無縫道岔的穩(wěn)定性，應根據(jù)其穩(wěn)定性的各種因素，制定相應控制措施

（1）控制軌道框架的穩(wěn)定。

①根據(jù)既有軌道設備，嚴格按照有關(guān)標準對道床進行控制，首先要使道床飽滿，幾何尺寸達到要求。其次，在高溫季節(jié)，應加強道床夯拍，確保穩(wěn)定。

②在日常養(yǎng)護作業(yè)中，加強扣件作業(yè)，在易發(fā)生脹軌季節(jié)，應及時補齊缺失扣件，并相應對扣件進行復擰，使扣件扭力矩滿足 120～150N·m。

（2）加強線路檢查，對一些大的鋼軌硬彎，及時嬌直。

（3）為了監(jiān)控無縫線路的爬行，還要在一定位置設置位移觀測樁，通過采集一定的數(shù)據(jù)，分析軌道的伸縮變形，使其控制在一定的范圍內(nèi)。區(qū)間無縫線路在伸縮區(qū)及緩沖區(qū)樁的布置應密一些，而在固定區(qū)相對稀疏。道岔范圍內(nèi)樁一般布置在岔頭和岔尾處，間隔一般為50m。位移觀測樁應埋設牢固，標記要明顯、耐久。