無縫線路穩定性分析

王品化 上海鐵路局阜陽工務段

無縫線路穩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才能保證線路的穩定。設計無縫線路時，必須經過穩定性計算以確定其鎖定軌溫；在養護維修時，依據穩定性計算來限制作業軌溫及作業量；在軌道日常檢查時，如發現方向不良，可測量其矢度，按穩定性理論或查閱有關資料，判斷鋼軌受力狀態。因此，穩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。隨著溫度壓力的繼續增大，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。這一現象稱為無縫線路的脹軌。在脹軌階段，如軌溫不繼續升高，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。此時，軌道處于穩定平衡狀態。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。這一現象稱為無縫線路的跑道。因此，脹軌是無縫線路喪失穩定的過程，而跑道，則是喪失穩定結果。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，現行無縫線路穩定性計算方法并不是要求取從穩定平衡轉為補穩定平衡的臨界力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。此值現定為2mm，以保證線路既不產生變形積累，又不致于過分限制溫度力，從而適當擴大可鋪無縫的范圍。將相應于軌道產生2mm橫向位移的溫度力PN除以安全系數 K后得出的[P]，即為保證無縫線路穩定的允許溫度力。

圖1

2 影響無縫線路穩定性的因素

對無縫線路大量調查后得出這樣的結論: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定作用的因素認識不足，在養護維修中破壞了這些因素而發生的。因此，我們必須研究喪失穩定與保持穩定兩方面的因素，注意發展有利因素，克服、限制不利因素，防止脹軌跑道事故，以充分發揮無縫線路的優勢。

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，保證線路穩定的主要因素。據蘇聯經驗，穩定軌道框架的力，65%是由道床提供的，而鋼軌為25%，扣件為10%。

道床橫向阻力的構成是：道床肩部占 20～30%，軌枕兩側占 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。軌道框架剛度愈大，彎曲變形愈小，所以是保持軌道穩定的因素。軌道框架剛度，在水平面內，等于兩股鋼軌水平剛度及鋼軌與軌枕節點間的阻矩之和。節點阻矩與軌枕類型、扣件類型、扣件壓力及鋼軌相對于軌枕的轉動有關。中間扣件的扣壓力愈大，鋼軌與軌枕聯結愈緊密，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；

2.2 喪失穩定因素

（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定性影響很大。通過實驗發現：原始彎曲愈小，喪失穩定的臨界壓力越高；原始彎曲愈大（不超過彎曲限度），喪失穩定的臨界壓力愈小。

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。經調查發現，直線軌道的變形，發生在軌道的薄弱處，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，波長無規律，基本上是中部出現一個主半波，波長為7～10m，最大矢度為300～350mm，兩側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定性，應根據其穩定性的各種因素，制定相應控制措施

（1）控制軌道框架的穩定。

①根據既有軌道設備，嚴格按照有關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，應加強道床夯拍，確保穩定。

②在日常養護作業中，加強扣件作業，在易發生脹軌季節，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，通過采集一定的數據，分析軌道的伸縮變形，使其控制在一定的范圍內。區間無縫線路在伸縮區及緩沖區樁的布置應密一些，而在固定區相對稀疏。道岔范圍內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。