站区到发线无缝线路稳定性现场测试与计算分析

吴尧 马战国 潘振 徐进 沈俊 陈超逸

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁路武汉局集团有限公司工务部，武汉 430000；4.中国铁路武汉局集团有限公司武汉桥工段，武汉 430000）

在站区铺设无缝线路可有效降低线路维修工作量，节约维修成本，提高列车运行平稳性。由于站区轨道结构薄弱，在铺设无缝线路时要考虑无缝线路的稳定性。影响无缝线路稳定性的主要因素是道床横向阻力和轨道框架刚度，丧失稳定性的主要因素是温度压力和初始不平顺［1-2］。目前，武汉铁路局针对到发线与站线开展了无缝线路改造工作。以武昌南站与纸坊站为例，到发线钢轨为60 kg/m，Ⅱ型轨枕，Ⅰ型弹条扣件，每1 km铺设1 667根，道床厚度仅200 mm，道床肩宽也严重不足，线路轨道结构整体较弱。该线路条件下能否铺设无缝线路有待分析论证。

根据在纸坊站和武昌南站进行道床横向阻力现场测试结果，本文利用有限元软件建立无缝线路稳定性有限元模型，分析不同道床横向阻力对无缝线路稳定性的影响，并进行移动加载车定点静态加载试验与移动加载试验，探究站区移动加载下轨枕横向位移限值。同时，对武昌南站与纸坊站站区无缝线路稳定性进行了评估并给出了相应养护维修建议。

1 道床横向阻力测试

在纸坊站第6股道选取5根轨枕、武昌南站第6股道选取6根轨枕作为测点，利用GDY⁃3型道床刚度检测仪开展单根轨枕道床横向阻力的测试，测试现场见图1。纸坊站第6股道在站场的中间部分，两侧都有轨道，道床与路面基本齐平；武昌南站第6股道部分轨枕端头道砟缺失，道床肩宽不足。取轨枕橫向位移2 mm时的道床横向阻力作为标准道床横向阻力，测试结果见表1。

图1 GDY⁃3仪器道床刚度检测仪测试现场

表1 标准道床横向阻力测试结果 kN/枕

从表1可知，纸坊站标准道床横向阻力一致性较好；武昌南站由于部分轨枕端头道砟缺失，个别测点的标准道床横向阻力较小，仅有6.75，7.20 kN/枕。

2 稳定性计算

2.1 建立有限元模型

为分析站区线路道床横向阻力对无缝线路稳定性的影响，根据非线性有限元理论，选取100 m长直线轨道，建立无缝线路有限元模型，见图2。

图2 无缝线路有限元模型

选用60 kg/m钢轨，用三维有限变形梁单元beam189模拟；轨枕用beam4单元模拟；扣件选用I型弹条扣件，考虑扣件横向、纵向和绕竖直轴扭转3个方向的自由度，横向、纵向弹簧刚度分别由扣件横向、纵向阻力-位移曲线上对应点的斜率决定，考虑阻矩-转角的非线性关系，采用非线性弹簧单元combin39模拟，单元参数根据扣件阻矩-转角曲线确定［3-4］；轨下基础由Ⅱ型轨枕和连接轨枕与路基的道床弹簧组成，忽略道床对轨枕的扭转约束，只考虑道床对轨枕竖向、纵向及横向约束，竖向采用线性弹簧单元combin14模拟，纵向及横向考虑其非线性特性，采用非线性弹簧单元combin39模拟［5］。

选取有代表性的1，5，10号3个测点的实测数据作为初始参数。其中，1，5号测点位于纸坊站，其标准道床横向阻力分别为正常区段的较小值（8.64 kN/枕）和较大值（10.10 kN/枕）；10号测点位于武昌南站，其标准道床横向阻力较小（6.75 kN/枕）。根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》［6］，单位长度道床纵向阻力取8.8 kN/枕。初始不平顺波长取3 600 mm，初始不平顺矢度取3 mm。

图3 3个测点临界温升-钢轨横向位移曲线

2.2 稳定性分析

利用有限元模型进行计算，对比分析标准道床横向阻力不同的3个测点站区无缝线路的稳定性。3个测点临界温升-钢轨横向位移曲线见图3。可知，测点的标准道床横向阻力越大，发生相等钢轨横向位移的临界温升越高。无缝线路在外界温度作用下，钢轨内部产生温度压力。当压力达到一定时，轨道结构产生横向变形，直至发生破坏，丧失稳定性。

考虑无缝线路纵向力分布不均匀及锁定轨温的变化，取安全系数k=1.5，则容许温升计算式为

式中：［T］为容许温升，℃；TW为临界温升，℃。

钢轨横向位移达到2 mm时，1，5，10号测点实测临界温升分别为60，81，52℃；由式（1）计算得容许温升分别为40.0，54.0，34.6℃。

根据TB 10015—2012的轨温记录，武汉当地最高、最低轨温分别为59.6，-18.1℃，武汉站区设计锁定轨温为（28±5）℃，最大温升为36.6℃。因此，纸坊站1，5号测点满足无缝线路稳定性要求，但标准道床横向阻力较小的1号测点安全储备量很小［7］；武昌南站标准道床横向阻力仅为6.75 kN/枕的10号测点不能满足无缝线路稳定性要求。

3 移动加载车定点静态加载试验

由中国铁道科学研究院集团有限公司研制的移动加载车已投入使用，可模拟列车运行工况对各种轨道结构及复杂地段进行加载试验。移动加载车可在行进过程中对线路施加恒定荷载，连续测试线路力学特性和弹性性能，包括线路整体结构弹性特性、轨道结构刚度及其合理匹配等，获得轨道结构横向稳定性和垂向整体刚度等数据，用以评估轨道性能劣化趋势，进而采取相应维修措施［8-10］。

考虑移动加载时无法直接测量轨枕横向位移，采用移动加载车进行定点静态加载。同时在地面布置位移传感器测试钢轨与轨枕的横向位移，测试现场见图4。

图4 位移传感器测试现场

利用移动加载车定点对轨道施加横向荷载，在静态加载状态下，地面上的位移传感器测得地测钢轨横向位移Hd和地测轨枕横向位移Y，移动加载车上测得车测钢轨横向位移Hc。通过Hd和Y、Hd和Hc的线性关系，推导出Y和Hc的线性关系，进而根据移动加载时的车测钢轨横向位移Hc′，计算得出移动加载时的轨枕横向位移Y′，即可实现对无缝线路稳定性的评估。

试验步骤如下：

1）设置零点。移动时施加横向荷载，并使加载轮紧贴一侧钢轨；到达测点位置，卸载横向荷载至0，卸载垂向荷载至5 kN。此时位移传感器清零，作为零点。

2）施加垂向荷载。施加垂向荷载至15 kN，以15 kN的增幅施加垂向荷载，直到左右侧均达到75 kN，保持不变。

3）施加横向荷载。以10 kN的增幅施加横向荷载，每级保持30 s，地测钢轨横向位移Hd达2 mm时停止加载。

4）卸载。卸载横向荷载至0，卸载垂向荷载至5 kN。

上述加载-卸载过程重复3次。

综合考虑安全性和测试效果，选取垂向荷载75 kN、横向荷载80 kN的测试结果进行分析。以纸坊站1号测点为例，其移动加载车3次定点静态加载试验结果见图5。

图5 1号测点移动加载车3次定点静态加载试验结果

根据图5拟合出 Y⁃Hd和Hd⁃Hc的线性关系

由式（2）、式（3）推导出Y⁃Hc的线性关系

进而可以推出移动加载时轨枕横向位移计算公式

4 移动加载试验

4.1 移动加载下的轨枕横向位移限值

用移动加载车对轨道进行移动加载，根据移动加载时的车测钢轨横向位移Hc′，由公式（5）计算得出移动加载时的轨枕横向位移Y′。

以纸坊站1号测点为例，共测试7次，计算得移动加载时的轨枕横向位移分别为0.51，0.68，0.61，0.69，0.63，0.71，0.72 mm，平均值为0.65 mm。结合有限元计算得出的1号测点安全储备量很小的结论，从安全角度考虑，建议武汉局管内站线移动加载时的轨枕横向位移限值选用0.60 mm。

4.2 移动加载试验结果分析

为测试站线范围内的轨道稳定性，在纸坊站第6股道、武昌南站第6股道分别选取50，65 m轨道作为试验段，利用移动加载车进行移动加载试验，得出移动加载时的车测钢轨横向位移曲线，并由公式（5）换算出轨枕横向位移曲线。移动加载试验结果见图6。

图6 移动加载试验结果

从图6（b）得出移动加载下纸坊站试验段轨枕横向位移平均值0.53 mm，满足0.60 mm的限值；在17～27 m区段轨枕横向位移较大，最大值为0.99 mm，超出0.60 mm的限值，现场发现该区段道砟缺失严重，应及时补充。

从图6（d）得出移动加载下武昌南站试验段轨枕横向位移平均值0.28 mm，满足0.60 mm的限值；在10 m附近区段部分轨枕横向位移大于0.60 mm，最大值为0.82 mm，现场发现该区段轨枕端头裸露严重，应补充道砟捣固。

5 结论

本文在纸坊站和武昌南站进行了道床横向阻力现场测试、移动加载车定点静态加载试验和移动加载试验，对站区无缝线路的稳定性进行了分析，并给出了相应的养护维修建议。

1）利用有限元软件建立了无缝线路稳定性有限元模型，通过计算对比分析了标准道床横向阻力不同的3个测点的站区无缝线路稳定性。发现武昌南站局部标准道床横向阻力偏小，且容许温升小于规范要求。结合现场情况，该区段部分轨枕端头道砟缺失，应及时进行维修，注意不要将轨枕头裸露在外。

2）利用移动加载车进行定点静态加载试验，测得静态加载状态下地测钢轨横向位移、地测轨枕横向位移及车测钢轨横向位移，推导出轨枕横向位移和车测钢轨横向位移的线性关系。根据安全储备值较小的1号测点的试验数据，建议武汉局管内站线移动加载时轨枕横向位移限值取0.60 mm。

3）通过移动加载试验，测得移动加载状态下的车测钢轨横向位移曲线，计算得出移动加载时的轨枕横向位移曲线。对于超过0.60 mm限值的区段，应及时补充道砟并进行捣固，提高道床横向阻力，确保无缝线路的稳定性。