提速线路轨温对轨道横向位移影响实测分析＊

陈敏敏 练松良 程小平

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

无缝线路消灭了钢轨接头轨缝，减小了轮轨力对钢轨的冲击，既有利于列车高速运行，也减少了轨道维修养护成本。然而，在无缝线路中，钢轨不能自由伸缩，轨温变化将使钢轨产生纵向温度力。过大的温度力将使钢轨发生臌曲甚至断裂，导致无缝线路失稳而引起车辆脱轨，危害行车安全［1－4］。因此，研究无缝线路稳定性，尤其是轨温变化对轨道横向位移的影响有着重要意义。

目前，无缝线路稳定性的研究方法主要有解析法［5］、有限元法［6］、试验法。解析法先假设变形曲线，然后运用势能驻值原理进行数学分析。该方法最早是由中国铁道科学研究院和长沙铁道学院为主的课题组提出的“无缝线路稳定性统一计算公式”［7］（以下简为“统一公式”）。解析法有它的局限性，即计算结果在很大程度上受制于变形曲线和横向位移限值的选取，无法十分贴切地模拟实际情况。有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元。由于单元可以设计成不同的几何形状，因此可以较真实地模拟许多现场情况，较为全面、准确地再现轨道的受力变形过程。1988年，铁道科学研究院的周毅［8］首次以单根轨条和一个横向约束弹簧、一个转动约束弹簧模拟轨道状况建立了模型，把系统看成一个非线性问题，利用荷载增量法进行研究；并编制了TBAP程序，与试验数据、统一公式进行了比较，结果显示有限元方法比统一公式更接近于试验数据。试验法一般是通过对无缝线路某个关键部位的轨道结构参数进行现场实测，分析实测数据，得到一些无缝线路轨道结构的状态参数。这些参数既可以作为工务维修养护的参考依据［9－10］，也可以作为无缝线路轨道结构进一步研究和分析的材料［11］。

本文通过对提速干线轨道轨温变化对横向位移的影响进行现场实测，分析了影响曲线段轨道结构横向位移变换的主要因素。其结论可为无缝线路轨道养护工务提供参考依据。

1 试验仪器及试验方法

本试验选用京广线上行某段圆曲线缓和曲线线形进行测试。试验段的钢轨为标准60型，锁定轨温为30℃，轨枕为Ⅲ型枕。试验内容包括轨排横向位移、轨温的监测。在试验地段安装位移监测装置，观测曲线地段轨排横向位移；利用轨温测试仪器，监测钢轨横向位移对应轨温。

位移监测装置的立面和平面布置如图1所示。一台仪器可监测4点钢轨的位移，每隔4根轨枕布置一位移计，轨道的监测长度为7.2m。仪器的精度为0.01mm，采样频率为1次/min。位移计固定桩桩径为30～35mm，桩长为1.3～1.5m。

图1 钢轨位移监测装置示意图

该试验段曲线半径为3 000m，缓和曲线长度为70m，曲线超高为30mm。其测点分布为：在缓圆点处设1个测点（测点3），圆曲线段上设2个测点（测点1、2），缓和曲线段设1个测点（测点4）。为了能较好地研究钢轨长时间处于较高温度和较低温度时的轨道横移情况，分别在2个不同的时间段（2009年5月22日～26日，2009年8月8日～12日）对轨道进行了观测试验。

2 试验结果分析

2.1 第一次试验结果分析

第一次测试从5月22日15：26开始，到24日13：25结束，天气情况为小雨，记录下了2条钢轨的轨温和4个测点的位移量。把2条钢轨的轨温进行平均，得到平均轨温（见图2）。

图2 第一次测试平均轨温

图2 中出现了一个明显的阶跃。这是因为24日6：38至9：31仪器故障未收集数据。由于这段时间正好是上午，气温较低（均处于锁定轨温以下）且没有出现很大波动，因此仪器故障对试验最终结论影响不大。在第一次测试中，曲线段测试轨温范围为16.8～42.3℃，波动幅度为25.5℃，平均轨温高于30℃的时间仅为6.7h，故从整体来说，曲线段测试时轨温是较低的。

对4个测点的轨道横移量作统计分析，结果如图3、4所示。其中，温度差表示轨温和锁定轨温的差值，位移表示轨道温度相对于锁定轨温时轨道的横移量。

图3 第一次测试横向位移时程统计

图4 第一次测试横向位移散点统计

由图3可知：当轨温为锁定轨温时，4个测点的轨道横向位移不全为零（这是因为线路在长时间使用后其实际锁定轨温发生了变化）；轨排横向位移值在一昼夜的波动较为明显，其中轨排横向位移变化最大值为0.63mm（测点2），4个测点横向位移的变化范围为－0.42～0.63mm；4个测点的横向位移整体趋势不明显，和轨温的变化联系不是很大。

由图4可以看到：测试时大部分轨温低于锁定轨温，最小低于锁定轨温14℃，最高大于锁定轨温6℃；测点1和2在轨温低于锁定轨温时，位移均为负值，表示轨排在此时朝曲线外侧移动，测点3和4则不明显；当轨温等于或大于锁定轨温时，4个测点的轨排位移均在零值附近波动。

考虑列车通过激扰等随机因素影响后，轨排横向位移稳定变化量最大值为0.84mm（测点2），4个测点横向位移的变化范围为－0.41～0.84mm。由此可知，相对轨温因素，列车通过激扰等随机因素对轨排横向位移影响是最严重的。但是，轨温因素影响也不容忽视。因为在当前轨温条件下，轨排横向位移稳定波动范围已达到－0.42～0.63mm。轨排横向位移变化和轨温差变化之间具有一定的对应关系，但表现不是很明显。

2.2 第二次测试试验分析

第二次测试从8月8日10：07开始，至10日14：41结束；天气状况为上午晴转多云，中午和下午晴。第二次测试的平均轨温见图5。

图5 第二次测试平均轨温

从图5可以看到：在该测试段中轨温峰值分别为37.4℃、41.1℃、47.5℃，出现在8月8日12：39、8月9日13：19和8月10日13：55；轨温最低为24.7℃。相对于第一次测试，第二次测试的平均轨温较高。

统计分析4个测点的轨道横移量，结果如图6、7所示。

在图6中，有4个时刻平均轨温达到了锁定轨温，在这4个时刻，4个测点的横向位移均比较靠近零值。从各曲线总体趋势来看，随着轨温不断变化，各个测点轨排横向位移变化很明显，在－0.53～0.43mm范围之内波动。但各测点波形出现的尖峰相似性较差，说明曲线段各个测点在列车通过等随机因素影响下的横向位移是不同的。

图7中可以看到：轨温差大部分大于零，最高时高于锁定轨温18℃，最低时低于锁定轨温6℃；且随着轨温差的增大，4个测点的轨道横移量均增大，表明轨道横移量和轨温变化的关系明显。

图6 第二次测试横向位移时程统计

图7 第二次测试横向位移散点统计

2.3 两次测试数据对比

将试验分析结果汇总为表1及表2。对比表1和表2可知，第二次测试时轨温比第一次测试高5.2～7.9℃；朝曲线外侧的横向位移第二次测试时比第一次大，朝曲线内侧的横向位移第一次测试时比第二次大。

表1 第一次测试分析结果汇总表

表2 第二次测试分析结果汇总表

3 结论

（1）当轨温较低（16.8～42.3℃）时，轨排横向位移变化比较大，且表现出很强的随机性。这主要是由于列车通过激扰等随机因素引起的，由轨温变化引起的轨排横向位移变化相对较小。这表明当轨温较低时，列车通过激扰等随机因素对无缝线路曲线段轨排横向位移的影响大于轨温的影响。

（2）当轨温较高（24.7～47.5℃）时，各测点轨排横向位移变化与温度变化有很好的对应关系，且各个测点位移的变化规律差异性较小。说明温度应力对无缝线路曲线段轨排横向位移有较大的影响，轨温变化是轨排横向位移变化的主要因素。

（3）轨温较高时无缝线路曲线段钢轨容易朝曲线外侧移动，轨温较低时则容易朝曲线内侧移动。

（4）在日常的工务养护中，缓圆点附近的圆曲线以及缓和曲线应作为养护重点。

［1］练松良.轨道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］侯玉碧.超长无缝线路锁定轨温控制［J］.铁道建筑，2002（7）：38.

［3］刘永前，王建文，邹振祝.无缝线路钢轨温度力测试的位移法［J］.铁道学报，2005，4（27）：125.

［4］付永庆.无缝线路锁定轨温衰减规律探讨［J］.铁道建筑，2008（9）：90.

［5］罗雁云，李振廷.轨道参数变化对无缝线路稳定性影响［J］.中国铁道科学，2008，2（29）：34.

［6］单旭，吴亚平，张江峰.动荷载效应对小半径无缝轨道横向位移影响分析［J］.兰州交通大学学报，2008，1（27）：35.

［7］广钟岩.铁路无缝线路［M］.北京：中国铁道出版社，1995.

［8］周毅.无缝线路温度臌曲失稳过程的有限元分析［J］.中国铁道科学，1988，2（9）：12.

［9］张向民，陈秀方，曾志平，等.青藏铁路无缝线路试验段轨道参数试验［J］.铁道科学与工程学报，2005，6（2）：40.

［10］曾志平，陈秀方，金守华，等.跨兴闫公路特大桥无缝线路综合试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2007，2（4）：34.