无缝线路应力均衡法的应用与分析

毛 帅 中国铁路上海局集团有限公司阜阳工务段

1 概述

在《铁路线路修理规则》第4.6.8条中提到，无缝线路应力调整主要有滚筒撞轨法、拉伸撞轨法以及列车碾压法。其中列车碾压法需要列车配合施工，已经不适用当前安全管理要求。本文提出均衡法，其基本条件与列车碾压法一样，适用于单元轨节内一部分锁定轨温较高、一部分锁定轨温较低无缝线路的恢复，同时在《铁路线路修理规则》中没有提及列车碾压法计划锁定轨温的计算方法、施工流程以及限制条件等。本文从均衡法计划锁定轨温的计算方法入手，对均衡法的施工流程进行了介绍，并通过施工实例检验了均衡法的有效性和科学性，最后对该施工方法进行了总结。

2 计算公式

已知条件有：两相邻轨条参与均衡线路的长度（L）、既有锁定轨温（T）以及无缝线路基本公式，依据虎克定律原理：在相邻轨条应力均衡过程中，较高轨温轨条的缩短量等于较低轨温轨条伸长量，推倒得出计划锁定轨温的计算公式：

由ΔL=α·L·Δt，ΔL1-ΔL2=0

即α·L1·Δt1-α·L2·Δt2=0，L1/L2=Δt2/Δt1；

又由Δt2+Δt1=T1-T2，

所以Δt2=Δt1*L1/L2=（T1-T2-Δt2）*L1/L2，

即Δt2=（T1-T2）*L1/（L1+L2），

式中ΔL—钢轨长度变化量（m）；

α—钢轨线膨胀系数，为0.0118mm/（m·℃）；

L—钢轨长度（m）；

Δt—轨温变化量（℃）；

T—计划锁定轨温（℃）。

角标为“1”的代表较高轨温轨条的长度、锁定轨温或轨温变化量；角标为“2”的代表较低轨温轨条的长度、锁定轨温或轨温变化量。

3 施工流程

首先，确认施工现状是否满足均衡法施工条件，即两相邻轨条是否其中一轨条轨温较高、另一条轨条轨温较低；并根据公式（1）计算得出计划锁定轨温，与相邻单元轨条和同一区间其它轨条的锁定轨温进行对比验证。若满足相关要求，则可编制方案进行施工交底，即完成技术准备。

其次，根据施工交底要求和应力调整工作量，施工前完成人员组织、工机具准备等各项工作。

再次，在开始均衡前，要每（50～100）m做位移观测标记，并在各点标注计划位移值，并确保每个扣件松到位。

最后，在施工完成后，记录各观测点实际位移量，将其与计划位移值进行对比，同时进行应力调整效果分析，在各观测点位移量与计划位移值均较吻合的情况下，该步骤可忽略。均衡法施工流程图见图1。

图1均衡法施工流程图

4 实例分析

4.1 施工概况

线路状态：道床铺设一级优质道砟，Ⅱ型混泥土枕、配置1 760根/km，主要为Ⅱ型弹条扣件，跨区间无缝线路、钢轨型号P60，电气化区段。该区段无缝线路设计轨温为（25～37）℃。施工背景：京九线下行K898+531-K899+977换枕大修施工后锁定轨温较低（见表1），为满足防胀期间无缝线路锁定轨温要求，保障行车设备安全，需要进行应力调整。

表1 配合换枕大修地段应力调整施工资料及计算表

4.2 计划锁定轨温计算

由表1可知，本次施工的主要目标是将锁定轨温较高的第1、5单元与较低的第2、3、4单元进行应力均衡，根据公式（1）计算得出内部均衡轨温为26.9℃，即为K897+982-K900+500的计划锁定轨温。

4.3 观测记录表准备

施工前，根据施工工作量，每（50～100）m计算理论位移量，用于现场均衡过程中的各点观测。同时，根据各撞轨点位移量的正负值确定其撞轨方向，其基本要领为促使高温地段钢轨回缩和低温地段钢轨伸长，见表2。

表2 均衡法应力调整处所位移观测记录分析表

由表2计算分析得出，均衡后K899+390处的理论位移量为0 mm，可解释为以K899+370为分界点，K897+982-K899+370、K899+370-K900+500分别可以完成本部分的轨温均衡，且均衡后两部分的锁定轨温一致。

4.4 现场施工与位移量记录

根据施工流程，施工前分别对各部分进行观测点设置、标记。施工过程中，根据各部分线路长度合理设置撞轨器数量，并且按计划的撞轨方向进行均衡作业，在撞轨过程中，各撞轨器的步骤尽量协调一致，方能发挥最大功效。

4.5 观测数据分析

完成施工后，将现场观测数据进行记录，并与理论计算值进行对比分析，以验证施工效果（见表2）。

将两个部分现场测量所得左右股数据和理论计算值共同建立折线分析图（见图2），可以较直观地发现：大部分观测点的实际位移量均小于理论位移量，其原因可能与无缝线路的应力衰减、钢轨摩擦阻力等因素有关，但各单元左右股各观测点实际位移量与理论计算值的整体趋势较为吻合，达到了均衡应力的目的。

图2 各观测点位移量分析图

其次，对各单元左右股各点位移量趋势线线性拟合优度进行分析（图3～图7），除第③单元右股线性拟合优度判定系数R2＜0.8，其它单元线性拟合优度判定系数R2＞0.9，线性拟合优度均为高度及以上相关，说明应力均衡效果良好。对第③单元均衡效果进行分析，主要与其线型在曲线内有关。

图3 第①单元线性趋势分析图

图4 第②单元线性趋势分析图

图5 第③单元线性趋势分析图

图6 第④单元线性趋势分析图

图7 第⑤单元线性趋势分析图

5 结论与思考

2016年10月10 日-11月8日，阜阳工务段采用单元轨条间的应力均衡法，对京九线14个单元轨条（其中7个岔区和7个区间单元）进行应力调整施工，恢复原单元轨条里程，并将原施工锁定轨温调整至（27.4～36.8）℃，满足了本地区设计锁定轨温要求。通过对2017年1月爬行观测数据分析，无超限处所，线路设备总体稳定，达到了均衡应力的目的。同时对该施工方法总结如下：

（1）应力均衡法能够较好地应用于无缝线路相邻单元轨条间的应力调整，达到均衡钢轨内部温度力的目的。尤其对大修换枕后无缝线路单元轨条的恢复可以起到事半功倍的作用，降低了施工风险，减少了设备维修成本。

（2）一般来说，施工时的自然轨温略低于当地设计锁定轨温时施工效果较佳。其次，受应力衰减和列车运行等因素影响，应力均衡越及时，施工的效果越佳。

（3）当施工自然轨温过高或过低时，从宏观上看，施工效果较不理想，但是能否够起到应力调整的作用，需要进一步研究。其次，对应力均衡法的有效作业轨温进行量化也是下一步研究的主要内容。