米軌鋼枕鐵路無(wú)縫線路適應(yīng)性分析

楊 俊

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

米軌鐵路是一種古老的窄軌距(軌距1 000 mm)輕、中運(yùn)量軌道交通制式，主要采用輕型軌道結(jié)構(gòu)；在法國(guó)、越南、緬甸、馬來(lái)西亞、日本、中國(guó)云南和臺(tái)灣地區(qū)、非洲等國(guó)家或地區(qū)均有應(yīng)用。典型的米軌鐵路主要采用有砟軌道，其軌道結(jié)構(gòu)類型有鋼軌枕軌道、木枕軌道和混凝土枕軌道等。近年來(lái)，米軌鐵路仍被應(yīng)用于中國(guó)觀光線路、非洲既有鐵路的改造或建設(shè)中，并引入了一些現(xiàn)代軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)，使這一具有悠久歷史的軌道交通制式煥發(fā)出新的生機(jī)[1]。但米軌鐵路軌道框架剛度低、重量輕，與道床之間的摩擦阻力小，使其面臨現(xiàn)代軌道交通運(yùn)輸所追求的高速度、高品質(zhì)和高安全的挑戰(zhàn)，線路運(yùn)營(yíng)與結(jié)構(gòu)安全承受著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

為強(qiáng)化米軌鐵路的軌道結(jié)構(gòu)，提高線路整體性和平順性水平，為提速和安全運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造更好的條件，采用無(wú)縫線路技術(shù)成為一種重要的技術(shù)選擇。無(wú)縫線路技術(shù)是現(xiàn)代鐵路軌道的核心技術(shù)之一，因消滅了大量的鋼軌接頭，減少了輪載對(duì)米軌軌道結(jié)構(gòu)的破壞和沖擊，減少了高、低頻沖擊力引起的鋼軌接頭傷損、聯(lián)接零件斷裂、螺栓松動(dòng)或剪斷、軌枕劈裂、道床板結(jié)或翻漿冒泥等系列病害，增強(qiáng)了軌道結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，提高了軌道平順性和行車平穩(wěn)性，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，被現(xiàn)代軌道交通廣泛使用。

坦桑尼亞中央鐵路改造項(xiàng)目是我國(guó)推動(dòng)“一帶一路”倡議向縱深發(fā)展的重要項(xiàng)目之一，也是該國(guó)為實(shí)現(xiàn)軌道交通現(xiàn)代化的重要舉措。通過(guò)全面更新原中央線老舊設(shè)備，可達(dá)到提升交通運(yùn)輸能力、保障人民生活水平穩(wěn)步提高的目標(biāo)。該線為典型的有砟道床米軌鋼枕結(jié)構(gòu)，采用無(wú)縫線路技術(shù)是強(qiáng)化線路設(shè)備狀態(tài)、減少病害滋生和提高行車品質(zhì)的重要手段，但也面臨米軌線路曲線半徑小、軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低、有砟道床穩(wěn)定性差等挑戰(zhàn)，需要結(jié)合線路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)條件進(jìn)行全面評(píng)估。

2 坦桑尼亞中央鐵路及升級(jí)改造計(jì)劃

坦桑尼亞中央線鐵路始建于1905年德國(guó)殖民時(shí)期，迄今已有100多年歷史，是坦桑境內(nèi)除坦贊鐵路外最重要的鐵路線。該線路為米軌鐵路，西起坦桑尼亞港口城市達(dá)累斯薩拉姆，東至坦噶尼喀湖基哥馬港，途經(jīng)坦桑尼亞重要城市摩勒格勒、多多馬、塔波拉等。中央線鐵路是坦桑聯(lián)運(yùn)和鐵路發(fā)展項(xiàng)目重要組成部分，為滿足日益增長(zhǎng)的客貨運(yùn)需求，擬開(kāi)展線路的修復(fù)改造，主要改造路段位于東非中央走廊上，起點(diǎn)為達(dá)市車站，終點(diǎn)為伊薩卡車站。終點(diǎn)伊薩卡設(shè)有陸港，為貨物進(jìn)出盧旺達(dá)、布隆迪的門(mén)戶，是兩國(guó)貨物的重要集散地。項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括對(duì)既有線路和橋涵修復(fù)改造，預(yù)計(jì)修復(fù)改造后線路設(shè)計(jì)速度70 km/h。該項(xiàng)目將是中央線建成后規(guī)模最大的一次大修，是政府解決內(nèi)陸大宗貨物運(yùn)輸效率低下的重要舉措，意義重大，受到坦、盧、布及其他鄰國(guó)的高度關(guān)注。

中央鐵路改造項(xiàng)目全長(zhǎng)985 km，主要技術(shù)參數(shù)為:軌距1 000 mm；采用BS80A型鋼軌，約40 kg/m，標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度24 m；采用英制鋼軌枕，枕間距660 mm；枕下砟厚30 cm；最大坡度20‰；設(shè)計(jì)為區(qū)間無(wú)縫線路。目前運(yùn)營(yíng)速度40 km/h，改造后為70 km/h；最大軸重21 t；最小曲線半徑200 m。

中央鐵路穿過(guò)的坦桑尼亞?wèn)|部沿海地區(qū)和內(nèi)陸部分低地屬于熱帶草原氣候，西部?jī)?nèi)陸高原屬熱帶山地氣候，全年溫差較小，平均氣溫在21～26℃之間。其代表性地區(qū)如Dodoma，年最低氣溫8℃、最高氣溫37℃。參考我國(guó)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10015-2012)的軌溫取值方法，該地最低軌溫可取為8℃，最高軌溫取57℃，中間軌溫32.5℃[2]。

3 米軌鐵路的無(wú)縫線路分析模型及主要參數(shù)

3.1 強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析模型

鐵路無(wú)縫線路主要考慮軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩個(gè)方面，確保在低溫和列車活載共同作用時(shí)，鋼軌的強(qiáng)度滿足要求；如果發(fā)生斷軌，其斷縫值滿足安全行車要求；同時(shí)確保高溫時(shí)，軌道框架保持穩(wěn)定，不致發(fā)生線路失穩(wěn)。

米軌鐵路的軌道結(jié)構(gòu)是典型的長(zhǎng)條形彈性支承系統(tǒng)，其強(qiáng)度分析仍可沿用經(jīng)典的連續(xù)彈性支承模型或彈性點(diǎn)支承模型計(jì)算。穩(wěn)定性分析通過(guò)有限元法建立如圖1所示的計(jì)算模型進(jìn)行仿真[3-4]。模型中考慮軌道框架效應(yīng)、道床的縱橫向阻力特性等關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 米軌鋼枕線路無(wú)縫線路穩(wěn)定性分析模型

根據(jù)中國(guó)有砟軌道運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，軌道失穩(wěn)的判據(jù)以橫移2 mm作為控制值是較可行的，故米軌鋼枕的無(wú)縫線路穩(wěn)定性臨界值仍以鋼軌橫向位移2 mm控制[5]。

3.2 主要計(jì)算參數(shù)

(1)鋼軌參數(shù)

該線路鋼軌型號(hào)為BS80A，材質(zhì)為990A，與中國(guó)U71Mn性能基本一致，屈服強(qiáng)度取為457 MPa，安全系數(shù)取為1.3，故允許強(qiáng)度為352 MPa。其水平截面慣性矩為219.6 cm4。

(2)線路阻力

線路阻力參數(shù)是實(shí)現(xiàn)鐵路無(wú)縫化的關(guān)鍵，其主要取決于鋼軌與軌枕形成的框架剛度、扣件縱向阻力及鋼枕與有砟道床之間的道床阻力?？蚣軇偠扔蓛晒射撥壍乃娇箯潉偠群涂奂目古偠冉M成，對(duì)于米軌軌道用BS80A型鋼軌，其水平截面慣性矩為219.6 cm4，扣件類型為Pandrol型彈條扣件，水平抗扭剛度取為2.07 N·m/rad?？奂目v向阻力為11 kN/(mm·組)。米軌鋼枕框架較輕，軌枕與道床間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，為獲得道床縱橫向阻力，在室內(nèi)進(jìn)行縱、橫向阻力試驗(yàn)，對(duì)砟肩高300 mm、寬300 mm、搗固工況下道床阻力進(jìn)行了測(cè)試，其縱阻力值約為3.3 kN/(m·軌)，橫阻力值約為1.8 kN/(m·軌)。

4 米軌鐵路的無(wú)縫線路強(qiáng)度及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 鋼軌強(qiáng)度

(1)鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力

在車輪動(dòng)荷載作用下鋼軌邊緣的最大可能動(dòng)彎應(yīng)力可按式(1)和(2)計(jì)算。軌頭上緣最大可能動(dòng)彎應(yīng)力:

軌底下緣最大可能動(dòng)彎應(yīng)力:

式中，σ頭d、σ底d分別為輪頭、輪底邊緣最大可能動(dòng)彎應(yīng)力(MPa)；W頭、W底分別為軌頭、軌底的截面參數(shù)；f為軌道橫向水平力系數(shù)。

(2)鋼軌最大溫度應(yīng)力

無(wú)縫線路固定區(qū)鋼軌最大溫度拉應(yīng)力σt，可按式(3)計(jì)算:

式中，σt為鋼軌最大溫度拉應(yīng)力(MPa)；α為鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5/℃；ΔTdmax為無(wú)縫線路最大降溫幅度(℃)。

(3)鋼軌最大附加應(yīng)力

橋上無(wú)縫線路除承受溫度力作用外，還承受因梁溫度變化和列車荷載作用而產(chǎn)生的附加縱向力，橋上無(wú)縫線路強(qiáng)度檢算應(yīng)考慮鋼軌最大附加拉應(yīng)力。

橋上無(wú)縫線路鋼軌最大附加拉應(yīng)力可按式(4)計(jì)算:

式中，σf為鋼軌最大附加拉應(yīng)力(MPa)；Pf為橋上無(wú)縫線路鋼軌附加縱向力(N)，取橋上無(wú)縫線路撓曲力、伸縮力的較大值。

(4)鋼軌強(qiáng)度檢算

無(wú)縫線路設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行鋼軌強(qiáng)度檢算，作用在鋼軌上的應(yīng)力應(yīng)滿足式(5)要求:

式中，σ底d為軌底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力(MPa)；σt為鋼軌最大溫度應(yīng)力(MPa)；σf為橋上無(wú)縫線路或道岔區(qū)無(wú)縫線路最大溫度附加應(yīng)力(MPa)；σZ為鋼軌牽引(制動(dòng))應(yīng)力(MPa)；[σ]為鋼軌容許應(yīng)力(MPa)；[σs]為鋼軌鋼屈服強(qiáng)度(MPa)；K為安全系數(shù)，取1.3。

4.2 無(wú)縫線路穩(wěn)定性

由于溫升引起的鋼軌溫度壓力是導(dǎo)致無(wú)縫線路失穩(wěn)的根本原因，為保持軌道的穩(wěn)定狀態(tài)，避免發(fā)生漲軌跑道，必須將溫度壓力控制在一定范圍內(nèi)，在無(wú)縫線路穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)以軌道產(chǎn)生橫向位移f＝2 mm時(shí)的溫度壓力PN除以安全系數(shù)K后得出的溫度力[P]作為控制溫度力[6-9]，從而計(jì)算出允許溫升[ΔTu]。相應(yīng)的計(jì)算公式如下:

設(shè)計(jì)鎖定軌溫:

式中，ΔTk為設(shè)計(jì)鎖定軌溫修正值，可取0～5℃。

鋼軌強(qiáng)度條件允許溫降[ΔTd]:

式中，[σ]為鋼軌容許應(yīng)力(MPa)；σd為鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力(MPa)；σf為鋼軌最大附加應(yīng)力(MPa)；σz為鋼軌牽引(制動(dòng))應(yīng)力(MPa)；α為鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5/℃。

兩股鋼軌的允許溫度壓力[P]可按式(8)計(jì)算:

式中，K為安全系數(shù)，可取K＝1.3。

允許溫升[ΔTu]可按下式(9)計(jì)算:

式中，α為鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5/℃。

橋上無(wú)縫線路、無(wú)縫道岔地段軌道的穩(wěn)定性檢算，允許溫升[ΔTu]應(yīng)考慮橋上無(wú)縫線路伸縮力和撓曲力及無(wú)縫道岔基本軌附加縱向力的影響，可按式(10)計(jì)算:

式中，Pf為橋上無(wú)縫線路為伸縮力(壓力)和撓曲力(壓力)的最大值，無(wú)縫道岔為基本軌附加縱向力(壓力)的最大值。

5 米軌鐵路的強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

5.1 不同半徑下的鋪設(shè)無(wú)縫線路可行性分析

按照線路條件及相關(guān)技術(shù)資料，考慮輪群作用下的鋼軌應(yīng)力準(zhǔn)動(dòng)態(tài)計(jì)算法，道床縱向阻力取3.3 kN/(m·軌)，橫向阻力取1.8 kN/m，制動(dòng)應(yīng)力取10 MPa，設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(32.5±5)℃，進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 鋼軌強(qiáng)度分析結(jié)果

表2 穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由以上結(jié)果可知，在R為200、250、300 m曲線段，因鋼軌強(qiáng)度不足，導(dǎo)致350 m以下的小半徑曲線區(qū)段不能鋪設(shè)無(wú)縫線路。通過(guò)加密軌枕措施，可以適當(dāng)降低動(dòng)彎應(yīng)力，改善線路的受力條件。故對(duì)R為200、250、300 m曲線區(qū)段按1 840根/km鋪設(shè)鋼枕，鋼軌支座剛度D＝33 kN/mm，重新計(jì)算無(wú)縫線路強(qiáng)度和穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 加固后鋼軌強(qiáng)度分析結(jié)果

表4 加固后穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算可知，在R＝200 m、R＝250 m、R＝300 m時(shí)鋼軌強(qiáng)度及穩(wěn)定性經(jīng)檢算均能滿足要求，設(shè)計(jì)鎖定軌溫均符合中國(guó)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求。

5.2 阻力變化的影響

考慮到鋼枕線路框架較輕，道床阻力容易發(fā)生變化，特選取半徑200～300 m、鋪枕密度1 840根/km的小半徑曲線，分析不同線路阻力對(duì)無(wú)縫線路的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 穩(wěn)定性檢算結(jié)果

由表5可知，隨著道床橫向阻力的下降，軌道允許的溫升幅度快速降低。在R200 m的小半徑曲線區(qū)段，當(dāng)橫向阻力衰減5%時(shí)，允許溫升降低5%，衰減10%時(shí)，允許溫升降低9.5%，衰減15%時(shí)，允許溫升降低14.2%，當(dāng)衰減20%時(shí)，允許溫升降低19%，衰減率超過(guò)15%時(shí)，已不滿足無(wú)縫線路穩(wěn)定性要求。在R250 m、R300 m小半徑曲線區(qū)段，也有上述規(guī)律，但橫向阻力衰減率在0～20%時(shí)，可滿足無(wú)縫線路穩(wěn)定性要求?？紤]到搗固后道床阻力必然降低，建議道床必須帶有砟肩，砟肩堆高300 mm、道床寬300 mm；加強(qiáng)搗固和穩(wěn)定；并嚴(yán)格遵守?zé)o縫線路作業(yè)條件，及時(shí)恢復(fù)道床阻力；必要時(shí)加裝軌距拉桿和地錨拉桿，強(qiáng)化軌道框架[10-12]。

6 結(jié)論及建議

(1)考慮坦桑尼亞中央線實(shí)際，在R＞300 m曲線段鋪設(shè)米軌鋼枕的無(wú)縫線路，其強(qiáng)度、穩(wěn)定性理論上可以得到保證。

(2)對(duì)R≤300 m曲線段采取軌枕加密措施后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的該線路區(qū)間實(shí)設(shè)鎖定軌溫(32.5±5)℃進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析，鋼軌內(nèi)最大總應(yīng)力337 MPa，小于鋼軌容許使用應(yīng)力352 MPa，鋼軌強(qiáng)度滿足要求；最大溫升29.5℃，小于允許溫升38.81℃。

(3)道床橫向阻力衰減對(duì)小半徑區(qū)段無(wú)縫線路穩(wěn)定性影響極大，在R＝200 m并按1 840根/km加密軌枕鋪設(shè)的小半徑曲線區(qū)段，15%的橫向阻力衰減即可達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

(4)建議道床必須帶有砟肩，砟肩堆高300 mm、道床寬300 mm；加強(qiáng)搗固和穩(wěn)定；并嚴(yán)格遵守?zé)o縫線路作業(yè)條件，及時(shí)恢復(fù)道床阻力；必要時(shí)加裝軌距拉桿和地錨拉桿，強(qiáng)化軌道框架。