浅谈东北地区无缝线路特点及应力分析

董长全

(沈阳铁路建设监理有限公司，沈阳 110001)



浅谈东北地区无缝线路特点及应力分析

董长全

(沈阳铁路建设监理有限公司，沈阳 110001)

摘要：东北地区的自然条件，对高速铁路无缝线路轨温控制增加了很大的难度，通过对无缝线路钢轨内部温度应力与自然环境温度的关系的研究，分析了东北地区无缝线路的特点以及钢轨温度应力在4个季度中的变化规律，阐述了养护维修中如何利用这个规律有效控制钢轨温度应力的变化，并提出了防止冬断、夏胀的有效措施。

关键词：东北；无缝线路；特点；应力分析；措施

0前言

无缝线路与普通线路的最大区别就是取消了钢轨接头，这不仅大大降低了车轮对钢轨的冲击力，而且还大幅度降低了维修成本，提高了运输效率。近几年来，东北地区无缝线路发展迅速，特别是高速铁路无缝线路得到了广泛的应用。因此，分析东北地区无缝线路的特点并进行了应力分析，针对具体问题提出了应采取的维护措施，以保持无缝线路的稳定，保证高速列车的安全运行。

1东北地区气候对无缝线路的影响

东北地区是我国气候温度变化最大的地区，一年四季，气温变化非常显著，因此东北地区无缝线路因受温度差的影响导致其线路状态也存在很大的不同。主要表现在以下几个方面：

1)对无缝线路钢轨强度的影响。因季节不同产生的高低温度变化，使无缝线路钢轨内部产生的拉、压应力不断重复变化，极大地增强了钢轨疲劳破坏程度，特别是当钢轨母材或焊缝中存在裂纹、杂质、暗核或轨顶擦伤、裂缝等病害时，在冬季以及应力变化幅度较大的春秋季节都会发生钢轨突然折断现象，从而危及到列车运行安全。

2)对无缝线路框架稳定性的影响。由于路基地段土质含水量不同，在冬季，则会引起不同程度的冻起高度，使无缝线路钢轨顶面不在同一平面内，如在线路方向上，高低起伏不平，左右股钢轨高低不平衡，加上列车运行时对钢轨的冲击力，更加大了无缝线路高低、水平变化的幅度，如此形成恶性循环，造成钢轨与轨枕连接扣件的松动，极大地降低了无缝线路框架刚度。

春季时，气温逐渐回升，无缝线路在不同地形和周围环境条件下受日照程度、温度变化不尽相同，使得冻土也会产生不同程度的融化，原冻起的高度则产生不同程度的回落，当基床下沉时，轨枕与道床分离形成“空吊板”，当无列车通过时，线路表面看似平顺，一旦列车通过，将高低起伏，不仅对线路状态破坏极大，而且还有颠覆列车的巨大隐患，即“春融乱道”现象。由于路基的“冬胀春融”，既降低了无缝线路框架刚度，又因道床状态的变化而大大降低了线路纵、横向阻力。受温度应力的影响，长钢轨各部分产生不同程度的收缩变形，即产生钢轨不均匀爬行，如果该部分无缝线路应力释放不出来，就会形成低温锁定，给防止夏季胀轨跑道留下巨大隐患。

3)对无缝线路附加应力的影响。当桥上铺设无缝线路时，无缝线路钢轨不仅要承受温度应力的变化，而且还要承受桥梁梁体因季节性温度变化而带来的伸缩附加应力，以及列车通过时，梁体弯曲变形而产生的附加应力。温度差变化幅度越大，这种作用在钢轨上的附加应力就越大，对无缝线路钢轨强度、框架刚度影响也就越大。

当无缝线路铺设在长大坡道上且列车行驶在下坡道时，会连续制动刹车减速，这种制动附加力使列车前轮钢轨产生巨大压应力，列车尾部后轮钢轨产生巨大拉应力，促使钢轨发生不均匀爬行，而且这种不良影响在“春融乱道”季节更为严重，是造成无缝线路低温锁定的主要原因之一。

4)对无缝线路维修养护的影响。东北地区季节性温度变化幅度很大，对无缝线路产生了上述影响，并由此给无缝线路维修养护带来了极大困难。

夏季是一年中温度最高的季节，钢轨承受着巨大的温度压应力，为保证列车运行安全，就必须保证无缝线路状态的稳定，此时，所有破坏无缝线路稳定性的施工和维修作业一律停止，并且还要适时监控无缝线路稳定状态的变化，稍有不慎，就会造成胀轨跑道的严重后果。同样，东北地区冬季气温最低，钢轨内部拉应力最大，也不能进行破坏无缝线路稳定性的施工和维修作业，即使是临时补修作业，也要有所限制。

秋季则是无缝线路维护的最佳时节，气温开始由高向低过渡，当钢轨温度接近铺设锁定轨温时，适合各种施工及维修作业，虽然施工作业后的线路阻力会有降低，但由于随后气温的降低和后续列车的辗压，会对无缝线路稳定起到一定的保障作用。而春季施工及维修作业必须调整作业时间，尽量在午后或夜间温度较低的条件下作业，必要时则“先放散后施工”。

2季节性无缝线路温度应力分析

温度应力式无缝线路，是通过长轨锁定后，控制钢轨内部温度应力来实现的。因此，首先要确定的就是无缝线路锁定轨温问题。无缝线路锁定轨温有设计锁定轨温t设、铺设锁定轨温t铺和实际锁定轨温t实，设计锁定轨温是根据当地最高和最低轨温而设计的轨温锁定范围(t设±5)℃，铺设锁定轨温是长轨铺设时锁定的钢轨温度(t设-5)℃≤t铺≤(t设+5)℃，实际锁定轨温是长钢轨在运营过程中铺设锁定轨温发生变化后的锁定轨温t铺±Δt变。可见铺设锁定轨温是基础，它直接影响日常维修中实际锁定轨温的确定。

无缝线路钢轨内部温度应力就是从钢轨铺设锁定开始的，随钢轨温度升高而产生压应力，随轨温降低而产生拉应力，首先克服钢轨接头阻力，然后逐根克服轨枕和道床的阻力，直到温度应力与线路纵向阻力平衡。当轨温变化Δt时，无阻力的钢轨会自由伸缩ΔL，则

ΔL=α×Δt×L，即ΔL/L=α×Δt，

而锁定后的钢轨不能伸缩，由此产生的温度力

Pt=σ×F=E×ΔL/L×F=E×α×Δt×F，

式中：E为弹模量2.1×107N/cm2；α为钢轨线膨胀系数0.011 8 mm/m℃；F是钢轨断面积。代入公式后：

Pt=25×Δt×F。

可见，当钢轨型号确定后，其内部温度力只与温度变化有关，而与钢轨长度无关。而东北地区气温变化显著，钢轨温度变化频繁且幅度很大，夏季最高轨温可达40 ℃左右，冬季最低轨温达-60 ℃左右。这就使钢轨的温度应力由零→最大压应力→零→最大拉应力→零，循环变化，如图1季节性无缝线路应力变化示意图。

图1　季节性无缝线路应力变化示意图

夏季最高轨温时，钢轨内温度压应力最大，即横向温度应力与线路横向阻力相持，处于胀轨阶段，一旦有列车通过或因维修及其他原因造成线路横向阻力或钢轨框架强度降低时，就会使线路发生瞬间变形，即通过线路跑道来释放部分温度应力，如不及时发现，就会造成列车脱轨、颠覆的重大行车事故。因此，确定铺轨锁定轨温时，尽可能选择设计锁定轨温上限，缩短铺设锁定轨温与最高轨温差，将夏季胀轨跑道的概率降至最低。图2是无缝线路跑道后的应力分析示意图。

冬季钢轨拉应力最大，如果钢轨有伤损、裂缝、暗核等病害，则在此处容易产生应力集中，造成拉断钢轨来释放应力，但在线路纵向阻力作用下，使钢轨断缝两侧 75m左右形成伸缩区，能有效阻止轨缝继续拉开过大。并且在钢轨拉断时，闭塞区段显示红灯，提示司机立刻采取紧急制动措施，可在钢轨断缝前停车或低速通过断缝，然后采用紧急处理或临时处理的方法，保证线路畅通。如图3断轨后应力分析示意图。

图2　无缝线路跑道后应力分析示意图

图3　断轨后应力分析示意图

3无缝线路稳定性保证措施

3.1无缝线路钢轨强度的保证

根据东北地区无缝线路特点，首先保证现场钢轨的运输质量，防止钢轨砸伤或硬弯。其次是保证焊接质量，目前焊轨方法有工厂内的闪光焊、现场一般用移动式气压焊、电弧焊、铝热焊等。铺轨前的长轨使用移动式气压焊时，要求钢轨表面温度能预热到35～50 ℃才可以正常进行焊轨作业。因此，当施工天气恶劣或环境温度低于10 ℃时，要采取必要的防护和保温措施。当环境温度低于0 ℃时，严禁焊接作业。焊接时严格按工艺要求进行方向调直、端头处理等，防止夹碴、暗核、二层皮或焊后硬弯现象发生，对接时用1 m直尺量矢度不大于0.5 mm。尤其是撑握好顶锻时的钢轨温度，当轨端0.5 m范围内表面温度在1 350～1 450 ℃时，即钢轨端部呈现出镜面时开始顶锻，并在轨温400 ℃以上时保持顶锻压力3～4 min。焊缝处理时要求在焊缝两侧150 mm范围内打磨，其平直度用1 m直尺量不大于0.2 mm,且钢轨顶面不得凹进，钢轨工作面不得凸出。为降低焊缝截面剪切力，焊缝距轨枕边不小于40 mm。焊接完成后对所有焊缝进行全面探伤，保证铺设长轨的焊缝质量。如有焊缝病害，立即重新焊接。

3.2无缝线路铺设锁定轨温的保证

由于运营中的无缝线路处于动态变化中，引起钢轨实际锁定轨温不断变化，给无缝线路维护带来极大困难。因此，正确计算和撑握单元轨的实际锁定轨温最为重要，是无缝线路维护作业的重要依据。可用下列公式计算：

Δt变=ΔL/(L×α)，

t实=t铺±Δt变=t铺±ΔL/(L×α)。

无缝线路实际锁定轨温计算正确与否，关键是ΔL的测量与确认，可根据防爬观测桩爬行观测，钢轨断缝宽度、临时处理轨头收缩量等实际作业情况认真量取。其次是无缝线路作业轨温的控制，根据季节性气温变化规律、单元轨节实际锁定轨温情况，适当调整作业时间。对线路阻力和框架刚度有破坏作用的线路大中修、综合维修等安排在秋季，如路基冻害及翻浆冒泥整治、换轨及清筛道床施工作业。春季施工作业要考虑气温的回升，尽量安排在傍晚或夜间施工，防止昼间施工作业后，轨道温度继续升高引发胀轨跑道。当轨温在设计锁定轨温范围内时 ，可以对冬季做过临时处理或因钢轨爬行超出设计锁定轨温范围的区段进行无缝线路放散或应力调整，恢复原铺设锁定轨温。严禁在高温或低温季节做影响线路阻力的维修和施工作业，特殊情况时，必须对单元轨节进行放散应力后再进行作业，并做好现场记录，如现场实际锁定轨温、断缝宽度、插入短轨长度、钢轨收缩长度等相关数据，为将来单元轨节应力放散提供技术数据。其他维修作业时，根据作业区段实际锁定轨温，按维修规则中“无缝线路维修作业轨温条件”要求进行，同时要求作业人员坚决执行无缝线路作业“一准、二清、三测、四不超、五不走”的原则。即：“一准”掌握实际锁定轨温要准；“两清” 维修作业半日一清，临时补修作业一撬一清；“三测”作业前、作业中、作业后要测量轨温；“四不超”作业不超温，扒碴不超长，起道不超高，拨道不超量；“五不走”扒开道床不回填不走，作业后道床不夯实不走，不组织检查不走，作业质量不合格不走，发生异常状况不处理不走。

3.3无缝线路科学养护制度的保证

根据季节性轨温变化规律制定科学的维修作业计划。高温时段，加强线路巡回检查，特别是曲线地段正矢变化异常、直线地段出现碎弯、硬弯及维修作业过程中出现胀轨现象时，立即起动无缝线路应急措施。作业中发现异常情况，如起、拨道异常轻松或异常坚硬或拨一处臌一处，空吊板连续异常增多，作业后发现高低、水平、方向、碎弯异常不好，轨枕头道碴离缝等，应立即停止作业，起动应急措施。当发现已经胀轨跑道时，立即切断钢轨，释放应力，恢复线路平顺状态，保证列车安全通过，并做好应急处理记录，为将来单元轨节放散，恢复设计锁定轨温范围提供科学依据。

4结语

无缝线路是高速铁路建设的必然趋势，虽然东北地区温度变化很大，但是季节性变化是有一定规律的，按其自然规律，合理设计无缝线路锁定范围、合理确定施工铺设锁定轨温、合理计划维修作业时间等，是完全可以控制钢轨温度应力变化的。

参考文献

[1] 中华人民共和国铁道部. TB/T2098—2007 无缝线路铺设及养护维修方法[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[2] 中铁八局集团有限公司.TB 10754—2010 高速铁路轨道工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2010.

A Discussion on Characteristics and Stress Analysis to the Northeast Continuously Welded Rail Track

DONG Chang-quan

(ShenyangRailwayConstructionSupervisionCo.,Ltd.,Shenyang110001,China)

Abstract：Based on the influence of natural conditions in Northeast of China, the difficulty to control the temperature of continuously welded rail track has increased a lot. By the relationship between temperature in continuously welded rail track and natural environment temperature, the characteristics of continuously welded rail track in northeast of China and the variation of rail temperature stress in the four seasons have been analyzed in this article, and the effective measures of maintenance to prevent the changes of rail temperature, such as winter break and summer expansion are also analyzed.

Key words：northeast; continuously welded rail track; characteristic; stress analysis; measure

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0049-04

中图分类号：U213.2

作者简介：董长全(1963-)，男(汉)，吉林敦化，工程师

收稿日期：2016-03-16

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.011

主要研究铁路工程。