站區到發線無縫線路穩定性現場測試與計算分析

吳堯 馬戰國 潘振 徐進 沈俊 陳超逸

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路武漢局集團有限公司工務部，武漢 430000；4.中國鐵路武漢局集團有限公司武漢橋工段，武漢 430000）

在站區鋪設無縫線路可有效降低線路維修工作量，節約維修成本，提高列車運行平穩性。由于站區軌道結構薄弱，在鋪設無縫線路時要考慮無縫線路的穩定性。影響無縫線路穩定性的主要因素是道床橫向阻力和軌道框架剛度，喪失穩定性的主要因素是溫度壓力和初始不平順［1-2］。目前，武漢鐵路局針對到發線與站線開展了無縫線路改造工作。以武昌南站與紙坊站為例，到發線鋼軌為60 kg/m，Ⅱ型軌枕，Ⅰ型彈條扣件，每1 km鋪設1 667根，道床厚度僅200 mm，道床肩寬也嚴重不足，線路軌道結構整體較弱。該線路條件下能否鋪設無縫線路有待分析論證。

根據在紙坊站和武昌南站進行道床橫向阻力現場測試結果，本文利用有限元軟件建立無縫線路穩定性有限元模型，分析不同道床橫向阻力對無縫線路穩定性的影響，并進行移動加載車定點靜態加載試驗與移動加載試驗，探究站區移動加載下軌枕橫向位移限值。同時，對武昌南站與紙坊站站區無縫線路穩定性進行了評估并給出了相應養護維修建議。

1 道床橫向阻力測試

在紙坊站第6股道選取5根軌枕、武昌南站第6股道選取6根軌枕作為測點，利用GDY?3型道床剛度檢測儀開展單根軌枕道床橫向阻力的測試，測試現場見圖1。紙坊站第6股道在站場的中間部分，兩側都有軌道，道床與路面基本齊平；武昌南站第6股道部分軌枕端頭道砟缺失，道床肩寬不足。取軌枕橫向位移2 mm時的道床橫向阻力作為標準道床橫向阻力，測試結果見表1。

圖1 GDY?3儀器道床剛度檢測儀測試現場

表1 標準道床橫向阻力測試結果 kN/枕

從表1可知，紙坊站標準道床橫向阻力一致性較好；武昌南站由于部分軌枕端頭道砟缺失，個別測點的標準道床橫向阻力較小，僅有6.75，7.20 kN/枕。

2 穩定性計算

2.1 建立有限元模型

為分析站區線路道床橫向阻力對無縫線路穩定性的影響，根據非線性有限元理論，選取100 m長直線軌道，建立無縫線路有限元模型，見圖2。

圖2 無縫線路有限元模型

選用60 kg/m鋼軌，用三維有限變形梁單元beam189模擬；軌枕用beam4單元模擬；扣件選用I型彈條扣件，考慮扣件橫向、縱向和繞豎直軸扭轉3個方向的自由度，橫向、縱向彈簧剛度分別由扣件橫向、縱向阻力-位移曲線上對應點的斜率決定，考慮阻矩-轉角的非線性關系，采用非線性彈簧單元combin39模擬，單元參數根據扣件阻矩-轉角曲線確定［3-4］；軌下基礎由Ⅱ型軌枕和連接軌枕與路基的道床彈簧組成，忽略道床對軌枕的扭轉約束，只考慮道床對軌枕豎向、縱向及橫向約束，豎向采用線性彈簧單元combin14模擬，縱向及橫向考慮其非線性特性，采用非線性彈簧單元combin39模擬［5］。

選取有代表性的1，5，10號3個測點的實測數據作為初始參數。其中，1，5號測點位于紙坊站，其標準道床橫向阻力分別為正常區段的較小值（8.64 kN/枕）和較大值（10.10 kN/枕）；10號測點位于武昌南站，其標準道床橫向阻力較小（6.75 kN/枕）。根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》［6］，單位長度道床縱向阻力取8.8 kN/枕。初始不平順波長取3 600 mm，初始不平順矢度取3 mm。

圖3 3個測點臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線

2.2 穩定性分析

利用有限元模型進行計算，對比分析標準道床橫向阻力不同的3個測點站區無縫線路的穩定性。3個測點臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線見圖3。可知，測點的標準道床橫向阻力越大，發生相等鋼軌橫向位移的臨界溫升越高。無縫線路在外界溫度作用下，鋼軌內部產生溫度壓力。當壓力達到一定時，軌道結構產生橫向變形，直至發生破壞，喪失穩定性。

考慮無縫線路縱向力分布不均勻及鎖定軌溫的變化，取安全系數k=1.5，則容許溫升計算式為

式中：［T］為容許溫升，℃；TW為臨界溫升，℃。

鋼軌橫向位移達到2 mm時，1，5，10號測點實測臨界溫升分別為60，81，52℃；由式（1）計算得容許溫升分別為40.0，54.0，34.6℃。

根據TB 10015—2012的軌溫記錄，武漢當地最高、最低軌溫分別為59.6，-18.1℃，武漢站區設計鎖定軌溫為（28±5）℃，最大溫升為36.6℃。因此，紙坊站1，5號測點滿足無縫線路穩定性要求，但標準道床橫向阻力較小的1號測點安全儲備量很小［7］；武昌南站標準道床橫向阻力僅為6.75 kN/枕的10號測點不能滿足無縫線路穩定性要求。

3 移動加載車定點靜態加載試驗

由中國鐵道科學研究院集團有限公司研制的移動加載車已投入使用，可模擬列車運行工況對各種軌道結構及復雜地段進行加載試驗。移動加載車可在行進過程中對線路施加恒定荷載，連續測試線路力學特性和彈性性能，包括線路整體結構彈性特性、軌道結構剛度及其合理匹配等，獲得軌道結構橫向穩定性和垂向整體剛度等數據，用以評估軌道性能劣化趨勢，進而采取相應維修措施［8-10］。

考慮移動加載時無法直接測量軌枕橫向位移，采用移動加載車進行定點靜態加載。同時在地面布置位移傳感器測試鋼軌與軌枕的橫向位移，測試現場見圖4。

圖4 位移傳感器測試現場

利用移動加載車定點對軌道施加橫向荷載，在靜態加載狀態下，地面上的位移傳感器測得地測鋼軌橫向位移Hd和地測軌枕橫向位移Y，移動加載車上測得車測鋼軌橫向位移Hc。通過Hd和Y、Hd和Hc的線性關系，推導出Y和Hc的線性關系，進而根據移動加載時的車測鋼軌橫向位移Hc′，計算得出移動加載時的軌枕橫向位移Y′，即可實現對無縫線路穩定性的評估。

試驗步驟如下：

1）設置零點。移動時施加橫向荷載，并使加載輪緊貼一側鋼軌；到達測點位置，卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。此時位移傳感器清零，作為零點。

2）施加垂向荷載。施加垂向荷載至15 kN，以15 kN的增幅施加垂向荷載，直到左右側均達到75 kN，保持不變。

3）施加橫向荷載。以10 kN的增幅施加橫向荷載，每級保持30 s，地測鋼軌橫向位移Hd達2 mm時停止加載。

4）卸載。卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。

上述加載-卸載過程重復3次。

綜合考慮安全性和測試效果，選取垂向荷載75 kN、橫向荷載80 kN的測試結果進行分析。以紙坊站1號測點為例，其移動加載車3次定點靜態加載試驗結果見圖5。

圖5 1號測點移動加載車3次定點靜態加載試驗結果

根據圖5擬合出 Y?Hd和Hd?Hc的線性關系

由式（2）、式（3）推導出Y?Hc的線性關系

進而可以推出移動加載時軌枕橫向位移計算公式

4 移動加載試驗

4.1 移動加載下的軌枕橫向位移限值

用移動加載車對軌道進行移動加載，根據移動加載時的車測鋼軌橫向位移Hc′，由公式（5）計算得出移動加載時的軌枕橫向位移Y′。

以紙坊站1號測點為例，共測試7次，計算得移動加載時的軌枕橫向位移分別為0.51，0.68，0.61，0.69，0.63，0.71，0.72 mm，平均值為0.65 mm。結合有限元計算得出的1號測點安全儲備量很小的結論，從安全角度考慮，建議武漢局管內站線移動加載時的軌枕橫向位移限值選用0.60 mm。

4.2 移動加載試驗結果分析

為測試站線范圍內的軌道穩定性，在紙坊站第6股道、武昌南站第6股道分別選取50，65 m軌道作為試驗段，利用移動加載車進行移動加載試驗，得出移動加載時的車測鋼軌橫向位移曲線，并由公式（5）換算出軌枕橫向位移曲線。移動加載試驗結果見圖6。

圖6 移動加載試驗結果

從圖6（b）得出移動加載下紙坊站試驗段軌枕橫向位移平均值0.53 mm，滿足0.60 mm的限值；在17～27 m區段軌枕橫向位移較大，最大值為0.99 mm，超出0.60 mm的限值，現場發現該區段道砟缺失嚴重，應及時補充。

從圖6（d）得出移動加載下武昌南站試驗段軌枕橫向位移平均值0.28 mm，滿足0.60 mm的限值；在10 m附近區段部分軌枕橫向位移大于0.60 mm，最大值為0.82 mm，現場發現該區段軌枕端頭裸露嚴重，應補充道砟搗固。

5 結論

本文在紙坊站和武昌南站進行了道床橫向阻力現場測試、移動加載車定點靜態加載試驗和移動加載試驗，對站區無縫線路的穩定性進行了分析，并給出了相應的養護維修建議。

1）利用有限元軟件建立了無縫線路穩定性有限元模型，通過計算對比分析了標準道床橫向阻力不同的3個測點的站區無縫線路穩定性。發現武昌南站局部標準道床橫向阻力偏小，且容許溫升小于規范要求。結合現場情況，該區段部分軌枕端頭道砟缺失，應及時進行維修，注意不要將軌枕頭裸露在外。

2）利用移動加載車進行定點靜態加載試驗，測得靜態加載狀態下地測鋼軌橫向位移、地測軌枕橫向位移及車測鋼軌橫向位移，推導出軌枕橫向位移和車測鋼軌橫向位移的線性關系。根據安全儲備值較小的1號測點的試驗數據，建議武漢局管內站線移動加載時軌枕橫向位移限值取0.60 mm。

3）通過移動加載試驗，測得移動加載狀態下的車測鋼軌橫向位移曲線，計算得出移動加載時的軌枕橫向位移曲線。對于超過0.60 mm限值的區段，應及時補充道砟并進行搗固，提高道床橫向阻力，確保無縫線路的穩定性。