委內(nèi)瑞拉Tinaco-Anaco鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)研究

肖發(fā)明

(中國(guó)中鐵國(guó)際集團(tuán)有限責(zé)任公司委內(nèi)瑞拉分公司， 北京 100039)

委內(nèi)瑞拉Tinaco-Anaco鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)研究

肖發(fā)明

(中國(guó)中鐵國(guó)際集團(tuán)有限責(zé)任公司委內(nèi)瑞拉分公司， 北京 100039)

文章介紹了委內(nèi)瑞拉Tinaco-Anaco鐵路的無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)思路。文中說(shuō)明了線(xiàn)路沿線(xiàn)的地形、氣候特征，結(jié)合線(xiàn)路平縱特點(diǎn)、設(shè)計(jì)時(shí)速、運(yùn)營(yíng)荷載及軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型等影響因素對(duì)國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)鋼軌(UIC60)完成了無(wú)縫線(xiàn)路力學(xué)分析。將中國(guó)無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)思路靈活運(yùn)用于國(guó)際工程環(huán)境中，確定了適用于Tinaco-Anaco鐵路的無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)原則。

委內(nèi)瑞拉； 無(wú)縫線(xiàn)路； 鋼軌； 溫度應(yīng)力

無(wú)縫線(xiàn)路是把標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊連而成的長(zhǎng)鋼軌線(xiàn)路，又稱(chēng)焊接長(zhǎng)鋼軌線(xiàn)路。隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，強(qiáng)化鐵路軌道結(jié)構(gòu)和提高線(xiàn)路的平順性、穩(wěn)定性的要求日益突出，無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代化鐵路設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分。由于消滅了大量鋼軌接頭，無(wú)縫線(xiàn)路具有行車(chē)平穩(wěn)性好、機(jī)車(chē)車(chē)輛及軌道維修費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)縫線(xiàn)路將承受長(zhǎng)鋼軌鎖定后軌溫變化所帶來(lái)的巨大溫度應(yīng)力，因此確定合理的鎖定軌溫是無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。

1 工程環(huán)境

1.1 地理位置

委內(nèi)瑞拉位于南美洲大陸北部，赤道以北，北臨加勒比海與大西洋，東有圭亞那，南為巴西，西邊則與哥倫比亞接壤，國(guó)土面積91.67×104km2。Tinaco-Anaco鐵路所經(jīng)的奧里諾科平原位于委內(nèi)瑞拉北部，故又稱(chēng)為北部平原鐵路。

1.2 氣候條件

委內(nèi)瑞拉全國(guó)均屬熱帶氣候，全年氣候炎熱，具有明顯的旱季和雨季，年降水量1000～1400 mm，暴雨主要集中在6～11月，具有強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。雨季降雨量占全年降雨量的80%以上。

委內(nèi)瑞拉氣溫采集點(diǎn)少，且過(guò)于分散。但是Tinaco-Anaco鐵路沿線(xiàn)溫差變化不大，最低氣溫在10℃以上。Tinaco-Anaco鐵路沿線(xiàn)可根據(jù)Valle De La Pascua地區(qū)的詳細(xì)氣溫資料作為設(shè)計(jì)依據(jù)，相關(guān)城市氣溫資料如表1所示。

2 工程概述

2.1 線(xiàn)路

Tinaco-Anaco鐵路全長(zhǎng)468 km，全線(xiàn)無(wú)隧道工程，橋梁比例僅為2.84%，其余均為路基地段，屬于典型的平原鐵路，基本為淺丘平原區(qū)，地形較為開(kāi)闊平坦，局部地段微有起伏。

線(xiàn)路起于科赫德斯州迪那科(Tinaco)站，先后經(jīng)過(guò)埃爾帕奧、多斯卡米諾斯、圣保雷羅、恰瓜拉馬斯、瓦耶德拉帕斯瓜、都古比多、薩拉薩和阿拉瓜站，最終到達(dá)安索阿特吉州的阿那科(Anaco)站。全線(xiàn)最小曲線(xiàn)半徑為3 200 m，最大線(xiàn)路縱坡為1%。

表1 軌溫計(jì)算表 ℃

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

Tinaco-Anaco鐵路預(yù)計(jì)年旅客運(yùn)輸需求約為580×104人次，年貨運(yùn)需求約為980×104t。為實(shí)現(xiàn)上述需求，建立一個(gè)多種模式大規(guī)模的客貨交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，因此制定的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

3 無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌受力分析

3.1 軌道結(jié)構(gòu)

委內(nèi)瑞拉Tinaco-Anaco鐵路作為中國(guó)修建的第一條海外高速鐵路，是將中國(guó)高鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推向海外市場(chǎng)的關(guān)鍵一步。在軌道結(jié)構(gòu)選用方面盡可能地選用了中國(guó)高鐵的成熟技術(shù)，并根據(jù)業(yè)主方的指定要求進(jìn)行了對(duì)應(yīng)優(yōu)化。

3.1.1 鋼軌

全線(xiàn)采用UIC60 900B級(jí)鋼軌，鋼軌高172 mm，軌底寬150 mm，其主要斷面尺寸見(jiàn)圖1。鋼軌主要化學(xué)成分如表3。

圖1 UIC60鋼軌斷面

C/%Mn/%Si/%Pmax/%Smax/%0．55～0．751．3～1．70．1～0．5≤0．04≤0．04

3.1.2 軌枕及扣件

正線(xiàn)采用中國(guó)Ⅲa型有擋肩混凝土軌枕，其承載力、縱橫向阻力和結(jié)構(gòu)尺寸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)行車(chē)速度220 km/h的要求。Ⅲa軌枕的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 Ⅲa型軌枕主要設(shè)計(jì)參數(shù)

為了將中國(guó)Ⅲa型軌枕與UIC60 900B級(jí)鋼軌相匹配，扣件選用了改進(jìn)后的ω形彈性扣件WT-1型扣件?？奂饕夹g(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 WT-1型扣件主要技術(shù)參數(shù)

3.1.3 道床

全線(xiàn)采用碎石道床，道床斷面及道砟材質(zhì)要求沿用了中國(guó)高鐵標(biāo)準(zhǔn)。道砟厚度350 mm，單線(xiàn)道床頂面寬度3 600 mm，砟肩寬度500 mm，道床邊坡1∶1.75，砟肩堆高150 mm。道砟材質(zhì)要求與中國(guó)特級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

3.2 輪載分析

3.2.1 靜載計(jì)算

采用連續(xù)支承梁模型(E·Winkler模型)進(jìn)行計(jì)算，軌道結(jié)構(gòu)為連續(xù)支承基礎(chǔ)上的梁。根據(jù)模型，可以列出彈性基礎(chǔ)鋼軌撓曲線(xiàn)方程：

式中:M為鋼軌彎矩；E為鋼軌彈性模量；I為鋼軌斷面水平慣性矩； dx為鋼軌截面沿線(xiàn)路方向的位置變量的微分；dy為鋼軌計(jì)算截面的垂向撓度值的微分。

由上式，根據(jù)均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)理論和力的獨(dú)力作用原理，可得靜止車(chē)輪系作用下鋼軌彎矩M0的計(jì)算式為：

式中：μ為鋼軌基礎(chǔ)彈性模量(MPa)；k為鋼軌基礎(chǔ)彈性模量與鋼軌彎曲剛度的相對(duì)比值；a為軌枕間距(mm)；P0i為作用于鋼軌上的各機(jī)車(chē)車(chē)輪靜重(N)；μi、ηi為連續(xù)彈性基礎(chǔ)上等截面無(wú)限長(zhǎng)梁的影響線(xiàn)系數(shù)，μi=e-kx(coskx-sinkx)，ηi=e-kx(coskx+sinkx)。不同輪位距計(jì)算截面的距離x各不相同，因而各有不同的μi和ηi，如圖2所示。

圖2 影響線(xiàn)系數(shù)

式中：

式中：D為鋼軌支點(diǎn)彈性系數(shù)。

機(jī)車(chē)的一個(gè)車(chē)輪壓在鋼軌計(jì)算截面上，除了該車(chē)輪對(duì)計(jì)算截面產(chǎn)生應(yīng)力、撓度外，還應(yīng)考慮鄰輪的影響。距計(jì)算截面5 m以上時(shí)，這種影響可以略去不計(jì)。通常電力機(jī)車(chē)的轉(zhuǎn)向架間距離超過(guò)5 m，由此可知只需取第一轉(zhuǎn)向架進(jìn)行計(jì)算。

將輪載、支點(diǎn)彈性系數(shù)、軌枕間距等各項(xiàng)參數(shù)參數(shù)代入計(jì)算可得靜載情況下鋼軌受力和變形情況如表6所示。

表6 靜止車(chē)輪系作用下計(jì)算結(jié)果 N·mm

3.2.2 動(dòng)態(tài)分析

由于列車(chē)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)狀況會(huì)增大鋼軌承受的實(shí)際載荷，在無(wú)縫線(xiàn)路檢算中還應(yīng)考慮運(yùn)行速度、曲線(xiàn)偏載因素影響。動(dòng)態(tài)情況下鋼軌彎矩的最大值按下式計(jì)算：

式中：α、β為速度、曲線(xiàn)偏載影響系數(shù)。速度影響系數(shù)α按下式計(jì)算：

偏載情況按未被平衡欠超高最大值Δh=78.5 mm考慮，故偏載影響系數(shù)β按下式計(jì)算：

β=0.002Δh=0.002×78.5=0.157

鋼軌最大應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中 ：σ1d、σ2d為軌頭、軌底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力最大可能值(MPa)；W1、W2為鋼軌頭部、底部對(duì)水平中性軸的截面模量(mm3)；f為橫向水平力系數(shù)，當(dāng)半徑R≥800 m，橫向水平力系數(shù)f=1.45。

根據(jù)UIC60 900B級(jí)鋼軌截面參數(shù)可算得鋼軌頭部、底部對(duì)水平中性軸的截面模量W1，W2分別為335 500(mm3)、377 400(mm3)

結(jié)合靜載計(jì)算結(jié)果可得無(wú)縫線(xiàn)路檢算中鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力值如表7所示。

表7 鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3 溫度力分析

鋼軌溫度應(yīng)力是軌溫變化時(shí)鋼軌變形受限所引起，其大小取決于材料膨脹系數(shù)、軌溫變化幅度，按下式計(jì)算：

式中：E為鋼軌彈性模量，E=2.1×105MPa；α為鋼軌線(xiàn)膨脹系數(shù):α=1.18×10-5/℃；Δt為實(shí)際軌溫與鎖定軌溫溫差(℃)

由此可見(jiàn)溫度應(yīng)力大小僅取決于實(shí)際軌溫與鎖定軌溫溫差。

3.3.1 軌道強(qiáng)度允許溫降[ΔTd]：

式中：[σ]為鋼軌允許應(yīng)力，根據(jù)UIC60 900B級(jí)鋼軌研究測(cè)試結(jié)果取365.38 MPa；σd為列車(chē)動(dòng)荷載作用下的鋼軌應(yīng)力最大值，取211.77 MPa(見(jiàn)表7)；σf為制動(dòng)附加應(yīng)力，取10 MPa；

根據(jù)上式計(jì)算可得[ΔTd]=57.8℃。

3.3.2 軌道穩(wěn)定性允許溫升[ΔTc]

上述公式中選用的計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表8所示。

表8 [ΔTc]計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

3.3.3 鎖定軌溫計(jì)算

由于[ΔTd]、[ΔTc]>Tmax-Tmin=44.8℃(表1)，鋼軌強(qiáng)度及穩(wěn)定性均不控制鎖定軌溫，故無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)鎖定軌溫可按下列公式計(jì)算

式中 ：Te為設(shè)計(jì)鎖定軌溫；Tmax為當(dāng)?shù)貧v年最高軌溫(℃)；Tmin為當(dāng)?shù)貧v年最低軌溫(℃)； ΔTk為修正值，為0～±5℃。

結(jié)合氣候數(shù)據(jù)及施工便利因素，將Tinaco-Anaco鐵路整條線(xiàn)路的鎖定軌溫Te定為40℃。

由表1可得Δt最大值為27.7℃，計(jì)算可得溫度應(yīng)力最大值為：

σt=2.1×105×1.18×10-5×27.7=68.64MPa

3.4 鋼軌應(yīng)力檢算

綜合動(dòng)彎應(yīng)力、制動(dòng)附加力和溫度應(yīng)力影響對(duì)UIC60 900B級(jí)鋼軌進(jìn)行檢算如表9所示：

表9 鋼軌應(yīng)力檢算 MPa

由表9可知，鎖定軌溫40℃時(shí)鋼軌受力符合無(wú)縫線(xiàn)路要求。

4 結(jié)論與建議

(1)委內(nèi)瑞拉Tinaco-Anaco鐵路的氣候環(huán)境及線(xiàn)路條件優(yōu)越，利于采用全線(xiàn)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路。

(2)全線(xiàn)統(tǒng)一40℃的鎖定軌溫適應(yīng)當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境，便于后期運(yùn)營(yíng)管理，經(jīng)檢算滿(mǎn)足無(wú)縫線(xiàn)路受力要求。

(3)無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)思路適用范圍廣泛，在海外項(xiàng)目中應(yīng)結(jié)合各個(gè)國(guó)家工程環(huán)境有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)情況

[1] UIC Code 860，Technical specification for the supply of rails, 9th edtion, January 2008

[2] TB 10015-2012 鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] 白中仁.委內(nèi)瑞拉迪阿鐵路EPC項(xiàng)目管理及體會(huì)[J].高速鐵路技術(shù),2012,(2):1-5

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[7] 劉志軍.委內(nèi)瑞拉北部高速鐵路工程地質(zhì)特征分析[J].路基工程，2011，(6)：33-36

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肖發(fā)明(1963～)，男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事鐵路、公路工程設(shè)計(jì)、施工和工程管理技術(shù)研究。

U213.9+13

A

[定稿日期]2015-01-29