京九铁路上陵车站无缝道岔检算

杨建城

摘要：根据京九铁路上陵车站无缝道岔设计方案，计算单组混凝土岔枕无缝道岔、单组木岔枕无缝道岔、头-头相接道岔、头-尾相接道岔、单渡线道岔的温度力。以此为基础检算了无缝道岔的强度、稳定性以及冻结接头阻力。结果表明上陵车站该为跨区间无缝线路后，无缝道岔的强度、稳定性均通过检算；接头螺母扭力矩应达到1200 N·m。

关键词：无缝道岔；强度；温度性；冻结接头

中图分类号：U213.6 文献标识码：A

为了强化轨道结构，改善线路设备，适应铁路大面积提速，广梅汕铁路有限责任公司所辖的京九铁路拟铺设跨区间无缝线路。其中上陵车站正线单开道岔成组更换为SC330道岔、专线7565交渡铺成SC340混凝土岔枕交渡。道岔直股进行不带孔焊接，侧股进行施必劳冻结及MK绝缘接头。为了确保道岔运营安全可靠，应对其强度和稳定性进行检算。

1 计算模型及基本假定

以一组可动心轨无缝道岔为例，视其铺设于路基地段，其受力平面示意图见图1。由于整组道岔钢轨、轨枕、扣件及其他部件数量较多，在考虑无缝道岔受力与传力特点基础上，模型采用如下假定：

1. 将道岔及前后一定长度内轨道看作一个由钢轨、轨枕、扣件和道床连接起来的平面框架系统；

2. 尖轨和可动心轨前端随温度变化自由伸缩，忽略其对整个道岔区受力变形的影响；

3. 钢轨以轨枕支承节点划分单元，另在尖轨跟端限位器处和长短心轨跟部间隔铁处增加相应节点，钢轨单元节点只有纵向位移，用线性杆元模拟；

4. 岔枕单元节点只考虑其纵向位移与转角，用直梁单元描述，道床纵向阻力以集中力形式作用于轨枕单元节点上；

5. 钢轨节点位移与轨枕节点位移通过扣件耦合，两者相对位移与扣件阻力约束是非线性的，用分段线性弹簧摸拟。

图1无缝道岔结构受力平面示意图

2 车站概况

上陵车站位于半径R=2000m的曲线上（见图2），除了单组混凝土道岔、木枕道岔以外，还存在三种组合，即头-头相接道岔（8#、12#道岔尖轨相距13.27m）、头-尾相接道岔（6#、10#道岔尖轨相距44.10m）、正线之间的单渡线道岔（长度87.72m）。

图2上陵车站平面布置图

3 锁定轨温的确定

根据《铁路轨道设计规范》[1]，跨区间无缝线路和区间无缝线路相邻轨节之间的锁定轨温之差不应大于5℃，同一区间内单元轨节的最高和最低锁定轨温之差不应大于10℃。为了便于养护维修，取道岔区的锁定轨温与区间线路相同，故岔区的锁定轨温取当地现有区间无缝线路的锁定轨温，即34℃，锁定轨温上限和下限分别为29℃、39℃。而当地最高和最低轨温分别为59.7℃、-0.3℃，即最大温升和温降幅度分别为29.7℃、39.3℃。

4 无缝道岔温度力计算

根据无缝道岔温度力计算模型和方法[2]，将温升幅度和温降幅度分别取29.7℃、39.3℃，单组混凝土岔枕无缝道岔、单组木岔枕无缝道岔、头-头相接道岔、头-尾相接道岔、單渡线道岔温度力计算结果如表1所示。

表1混凝土岔枕无缝道岔温度力

5 允许温降和温升检算

5.1 允许温降检算

由钢轨强度条件确定的允许温降计算公式如下：

（1）

式中：—钢轨承受的最大动弯拉应力（MPa）；—限位器处基本轨承受的最大附加温度拉力（N），为了安全计，根据表1的计算结果，取；—钢轨容许应力，MPa。

1. 焊接接头允许温降检算

钢轨采用60kg/m钢轨，机车采用DF4机车，轨道及机车计算参数见文献[3]。采用连续弹性支撑法[1]计算DF4机车荷载作用下钢轨动弯应力，轨头最大动弯应力和轨底动弯拉应力分别为140.90MPa、109.33 MPa。由式（1）可得允许温降为71.6℃＞39.3℃。

2. 冻结接头允许温降检算

夹板横断面积F=37.26cm2/块、水平中轴惯性矩I=497.4cm4/块、顶部边缘断面系数W1=77.9cm3/块、底部边缘断面系数W2=82.6cm3/块，可计算得到夹板顶部边缘动弯应力和夹板底部边缘动弯应力分别为264.71MPa、249.64MPa。由式（1）可得允许温降为40.5℃＞39.3℃。

5.2 允许温升检算

根据改进的无缝线路稳定性统一计算公式[1]计算容许温度压力为2.899160×106N，允许温升为：

℃＞29.7℃

6 冻结接头阻力检算

道岔侧股进行施必劳冻结及MK绝缘接头，当钢轨温度降至最低轨温时，钢轨接头将承受较大的温度拉力，若温度拉力大于接头阻力，钢轨与接头夹板将发生位移，接头位置出现轨缝，达不到零轨缝冻结的效果。

接头阻力指夹板抵抗钢轨伸缩的阻力。为安全计，接头阻力一般不考虑夹板螺栓受剪的情况，只考虑夹板与钢轨之间的摩阻力。摩阻力的大小取决于螺栓张力和钢轨/夹板之间的摩擦系数。

6.1 计算方法

夹板拧紧后，螺栓产生张力，作用于夹板上的力如图2所示。其中：T—水平分力，T=P拉/2；P拉—螺栓拉力；N—法向力，垂直于夹板的受力面；R—N与T的合力；φ—R与N的微摩擦角，摩擦系数f=0.25时，φ=tg-10.25=14o02；α—N 与T的夹角，α=tg-1（1/i），i—夹板接触面斜度，对60kg/m钢轨，i=1/3；θ—T与R的夹角，θ=α－φ=57o28。

图2接头夹板受力

夹板与钢轨之间接触面上的摩阻力F为：

一根螺栓对应四个接触面，四个接触面上所产生的摩阻力之和为：

接头阻力（三根螺栓）：

接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有关。其它条件相同的情况下，螺栓拧紧程度是保持接头阻力的关键，拧紧螺母的扭力矩越大，螺栓拉力越大，接头阻力也越大。拧紧螺母的扭力矩与接头阻力之间关系的经验公式为：

式中：—螺母的扭力矩，施必劳防松螺母的扭力矩为1000~1200N·m；—扭力矩系数，取0.2；—螺栓直径，对M24螺栓，D=22.051mm。

6.2 接头阻力检算

当螺母的扭力矩分别取1000、1100、1200N·m时，接头阻力分别为612.9、676.3、763.4kN。由最大温降幅度可得接头最大温度拉力为Pt=754.56kN。当螺母的扭力矩取1200N·m时，接头阻力大于最大温度拉力。

7 结语

上陵车站正线单开道岔成组更换为SC330道岔、专线7565交渡铺成SC340混凝土岔枕交渡，道岔直股进行不带孔焊接，侧股进行施必劳冻结及MK绝缘接头，锁定轨温取34±5℃时，道岔的强度、稳定性均通过检算；为防止低温时钢轨与冻结接头夹板将发生位移，螺母的扭力矩应达到1200 N·m。

参考文献

[1] 中华人民共和国铁道部. 铁路轨道设计规范[S]. 北京：中国铁道出版社，2005

[2] 曾志平. 高速铁路桥上无缝道岔纵向力及列车-道岔-桥梁空间振动研究[D]. 长沙：中南大学土木建筑学院，2006

[3] 陈秀方. 轨道工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。