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寒冷地区无缝线路的养护维修第一章 无缝路线类型用具有相当长度的焊接长钢轨代替普通标准长度钢轨的轨道称无缝线路，按处理焊接长钢轨因温度变化而引起伸缩方法的不同，无缝线路分温度应力式和放散应力式两种，放散温度应力式无缝线路又分为自动放散和定期放散两种。第一节 温度应力式无缝线路1、结构型式温度应力式无缝线路的钢轨由一根焊接长钢轨及其两端24根12.5m或25.0m标准长度钢轨组成，并采用普通接头的形式联结。焊接长钢轨又可分为固定区和两端伸缩区，无缝线路铺设后，焊接长钢轨受钢轨接头阻力和道床纵向阻力约束，两端自由伸缩受到一定限制，仅产生微量伸缩。而中间固定区自由伸缩受到完全的限制，因而在钢轨内部产生温度力，其值随轨温变化而异。如图1-1。图1-1为了便于理解伸缩区和固定区的存在，日本国铁曾作了如下试验。用1/15木枕大小的木片，以5厘米间隔钉在橡皮带上做成模型，并把它当成轨道框架。图1-2是将这框架悬空，把两端拉紧，这时由于橡皮带（即钢轨）的伸缩不受阻碍，所以木枕间隔以等距离伸长，这表明了上述的自由伸缩状态。图1-3中，当把轨道框架放置在台子上，在两端施加拉力，这时枕木底面与台面之间的摩擦阻力相当于道床阻力，由于摩擦阻碍橡皮带伸长，所以两端伸长多些，即所谓无缝线路的伸缩区；而中部仍保持受拉以前的间隔，没有伸长，形成了所谓无缝线路的固定区。从这个试验中，至少可以清楚地了解到阻止伸缩的道床纵向阻力与钢轨伸缩的关系。图1-2图1-32、轨温循环变化过程图1-4图1-4中，tmax为铺轨地区最高轨温，其值比当地历年最高气温高20，最低轨温tmin与当地的最低气温大致相同。各地区（或区段）采用的最高轨温和最低轨温，由铁路局工务处规定。t锁为焊接长钢轨铺设时的锁定轨温。3、伸缩方法焊接长钢轨铺设后tmin轨温下降过程中的自由伸缩首先受接头阻力rj的抵抗，因而在钢轨内产生温度拉力pt。（a）当ptrj，钢轨与夹板间无任何相对位移，即焊接长钢轨的缩短受到完全的限制。（b）当ptrj，接头阻力rj被克服后，焊接长钢轨的缩短继而受道床纵向阻力的抵抗，焊接长钢轨两端的缩短受到一定的限制，两端伸缩区的拉力部分得到释放，且出现微量缩短。而中间固定区的缩短受到完全的限制。轨温由t锁下降至tmin时温度拉力pt沿焊接长钢轨的纵向分布图abcdef和焊接长钢轨的受力图示于图1-5。图1-5图中， ；或 pt=ef(t锁-tmin)。式中 rj接头阻力（kn）；p 道床单位纵向阻力（n/cm）；l伸伸缩区长度（cm）；l焊接长钢轨长度（m）；钢轨的线膨胀系数，取11.810-6/；e钢轨的弹性模量，e=20.6106n/cm2；f钢轨的断面积（cm2）。4、联结：a）长轨焊接：将轨端不钻孔、不淬火的标准轨在焊轨厂用接触焊的方法焊接成一定的长度（一般为250500m），然后运往工地，用铝热焊或小型气压焊焊接成规定的设计长度，铺入线路。b）冻结接头：无缝线路在发展焊接接头的同时，也出现了“冻结接头”。其工作原理系用月牙形垫片将钢轨螺栓孔缝隙填塞，或将夹板用环氧树脂牢固地胶粘在钢轨上，使钢轨不能随轨温变化而伸缩。或用施必牢防松螺栓（扭矩1500n-m），也可冻结。c）缓冲区钢轨接头，应采用普通六孔夹板，使用24mm、10.9级高强度螺栓及平垫圈。第二节 自动放散温度应力式无缝线路1、结构形式：在焊接长钢轨两端设置钢轨伸缩调节器，长轨与伸缩调节器间的联连采用高强度螺栓或“冻结接头”。图1-62、伸缩方法：长轨中点锁定，采用无扣压力的特制中间扣件，不设防爬器，使钢轨在垫板上能随轨温变化自由伸缩，以自动放散应力。自动放散温度应力式无缝线路在我国主要应用于特大桥梁上（如南京长江大桥）。第三节 定期放散温度应力式无缝线路1、结构型式：与温度应力式相同。2、轨温变化过程：如图1-7所示。图1-73、伸缩方法：与温度应力式相同。4、放散应力：根据当地轨温条件，每年春秋两季把钢轨内部的温度应力各放散一次。放散时，打开焊接长钢轨两端接头夹板，松开全部中间扣件，并将焊接长钢轨置于滚筒之上，使它自由伸缩，放散内部温度应力。应用更换缓冲区不同长度调节轨的办法，保持必要的轨缝。定期放散温度应力式无缝线路曾在前苏联历年最大轨温幅度128的高寒地区铺设过。由于放散应力需在封锁线路的条件下进行，大量放散对行车干扰大，且费工费时，故在我国寒冷地区不宜大规模铺设。第四节 我国采用的基本型式铁路线路设备大修规则（以下简称为大规）规定：无缝线路的基本结构形式为温度应力式。以下各章、节所述内容均为温度应力式。第二章 气温与轨温历年最大轨温变化幅度超过90的地区称为寒冷地区。历年轨温变化幅度越大，冬季或夏季焊接长钢轨所承受的温度拉力或压力越大，钢轨折断或胀轨跑道的几率越大。从这个意义上说，无缝线路是一项与温度作斗争的技术，可见温度与无缝线路关系之密切。研究与掌握气温和轨温的变化规律则是寒冷地区推广和应用无缝线路工作中的一项重要任务。第一节 寒冷地区气温与轨温的关系我国寒冷地区一般为大陆性气候，日气温差较大，年气温差也较大。夏季酷热，冬季严寒。春旱秋涝，降雨集中在68月。寒冷地区多处高纬度，太阳最大幅射角约为73.564.5度。上述特点直接影响轨温与气温关系。夏季太阳幅射热对空气和轨温、地温影响大，幅射角不同，影响也不同；而冬季超低温的地温，对轨温又有很大影响。总之，寒冷地区气温与轨温的关系与其他地区是有差别的。1、寒冷地区的气温特点（1）历年极端气温不出现在同一年，且持续时间较短。（2）历史上出现高温和低温的天数相近，且占总天数的比例较小。（3）平均年气温差与历年最大气温差相差较大，且年气温差超过70的年数占总年数的比例较小。（4）每年最高气温多发生在68月，主要集中在7月；每年最低气温多发生在122月，主要集中在1月。2、寒冷地区气温与轨温、地温的关系（1）夏季由于太阳幅射热，一般轨温比气温高517，且有滞后性。（2）出现最高气温时，未必出现最高轨温。（3）年最高轨温一般在当年只出现一次，且持续时间较短。（4）年最大轨温与气温的差值不一定出现在当年最高气温时，也不一定出现在当年最高轨温。（5）轨温与气温差值超过15的次数较少。综上所述，寒冷地区轨温与气温差的最大值不一定出现在最高气温时，也不一定出现在最高轨温时，且出现的几率又很小。那么，无缝线路设计时采用最高轨温等于历年最高气温加20的规定，对寒冷地区未必合理。第二节 气温与轨温的观测某地区历年最高和最低气温系指气象部门的观测资料。因此，气温值应按气象台标准设置的百叶箱内的气温值为准。各工务段应设气、轨温观测点。气温的观测一般可设置两个百叶箱，箱距地面两米高，无大树遮荫，通风良好，距铁路线路1520米远。一箱内有干湿球温度计，可随时观测气温值；还有最高最低温度计，可显示每日最高最低气温值。另一箱内有气温自动测试记录仪，可自动绘出每日气温变化曲线。气温和轨温必须采用同一地点，同一时刻的数据进行比较。钢轨温度，在晴天阳光直射面与背阴面不同，轨底与轨头不同，钢轨内部与表面也不同。在夏天上午升温阶段，钢轨表面温度高于内部温度，最大差值约1.0；下午降温阶段，由于钢轨温度的滞后现象，钢轨内部温度高于表面温度。因此，为正确测量轨温，应在钢轨全断面进行多点测量取其平均值。测量轨温的工具有二种：1.钢轨水银温度计：它用一段80100cm的短钢轨，钢轨顶刻一深槽（或在钢轨横断面上沿钢轨纵向钻一深孔），埋入（或插入）一枝-50+100的水银温度计，并用铁粉塞满。使用时将其置于百叶箱旁。此种方法可准确测量钢轨内部温度。2.吸附式轨温计：这类温度计利用自身磁体吸附于被测钢轨表面，通过感温元件测钢轨温度。它的体型小，现场使用携带方便。但感温时间稍慢一些，一般需要68分钟。采用在钢轨全断面进行多点测量取其平均的方法可准确测量钢轨温度。观测时间：定时观测与临时观测相结合。定时观测，每日四次，即2时、8时、14时、20时。夏季气温高于30，从12至16时，每5分钟观测一次；或从10至16时，每30分钟观测一次。冬季气温低于-20,昼夜半小时观测一次。第三章 温度力及锁定轨温第一节 温度力一根长度为可自由伸缩的钢轨，当轨温变化t时，其伸缩量为： （3-1）式中 钢轨的线膨胀系数，取11.810-6/；钢轨长度（m）t轨温变化幅度（）。当长度=85m的钢轨轨温为20时处于自由伸缩状态，而当其轨温变化幅度=1时，其伸缩量。也就是说，这根处于自由伸缩状态的钢轨，当轨温为21时，其长度为85.001m；当轨温为19时，其长度为84.999m。这样，处于自由伸缩状态的钢轨长度同其轨温就存在一一对应关系。如果钢轨完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则在钢轨内部产生温度应力。根据虎克定律，温度应力为： (3-2)式中 e钢轨钢的弹性模量，e=20.6104mpa;钢轨的温度应变。将e、之值代入（3-2）式则： (3-3)由（3-3）式我们可以推论出以下两点：1、钢轨被完全固定后所产生的温度应力，仅与轨温变化幅度成直线比例关系，而与钢轨本身长度无关。因此，从理论上说，钢轨可任意增长而不影响其内部温度应力值。这就是跨区间无缝线路可以铺设的理论根据。2、降低钢轨内部温度应力的关键，在于如何控制轨温变化幅度。一根被完全固定的钢轨，当轨温变化幅度为时，其所受的温度力为： (3-4)式中 f钢轨断面积（cm2）。第二节 锁定轨温锁定轨温又称“零应力轨温”，一根钢轨从自由状态转化为被完全固定状态时的轨温称为锁定轨温。此时，钢轨内部的温度应力等于零。比如一根25.0m长的钢轨被拨入线路，其两端联结上夹板，并拧紧接头螺栓时的轨温为20，那么我们就可以将20算作该钢轨的锁定轨温。因为只要接头螺栓被拧紧，那么该根钢轨的自由伸缩就受到完全限制，无论是升温还是降温，钢轨内部均产生温度应力。由此，我们也可以认为：锁定轨温是钢轨内部温度应力的起算点。因此，锁定轨温是设计、铺设及养护无缝线路的重要技术资料，我们必须予以高度重视。第三节 设计锁定轨温目前设计单位采用下式计算焊接长钢轨的设计锁定轨温：锁定轨温上限tm=te+5 (3-5)锁定轨温下限tn=te-5 (3-6)式中 te是焊接长钢轨的中和轨温（）。中和轨温te的计算式为：te= （3-7）式中 焊接长钢轨由稳定性控制的允许温升（）；焊接长钢轨由强度条件和缓冲区满足预留轨缝技术条件共同控制的允许温降（）；tk中和轨温的修正值，考虑当地气候条件，可取tk=05。图3-1图中te为t升和t降重合部分的中点，t中为中间轨温，中=（）。大规第3、6、3条规定：“寒冷地区（最大轨温幅度超过90的地区）铺设条件按附录三中允许铺设无缝线路最大轨温幅度的规定。若锁定轨温范围采用10，允许铺设无缝线路最大线路幅度超出规定值时，锁定轨温范围采用68。”由图3-1可以看出，设计最大升温幅度为（tmax-tn）,则设计最大温度压力pt=242.8f(tmax-tn)；设计最大降温幅度为（tm-tmin）,则设计最大温度拉力pt=242.8f(tm-tmin).第四节 施工锁定轨温施工锁定轨温是焊接长钢轨铺设时的实际锁定轨温。采用换轨小车铺设焊接长钢轨，通常取其始端和终端入槽时所测定的轨温平均值，即铺设时的平均锁定轨温t锁=。同时要求始终端就位时的轨温必须控制在设计锁定轨温范围内，否则应待轨温适宜时，将焊接长钢轨放散应力后重新锁定。采用换轨小车铺设焊接长钢轨的过程中，已铺的长轨一端处于锁定状态，待铺的另一端处于非锁定状态。而整个铺设过程历时3小时左右，总之长轨中的每一段的实际锁定轨温始终处于变化之中。也就是说，即使长轨铺设时始、终端就位时的轨温均在设计锁定轨温范围内，长轨中每一段的实际锁定轨温均不等于长轨的平均锁定轨温。这样长轨在铺设时就已经存在温度力纵向分布不均匀的问题，当然这仅仅是造成无缝线路纵向力分布不均匀的原因之一。原齐齐哈尔铁路局于一九八零年十月在最大轨温幅度97.5的平齐线白城至西青龙间355公里500米357公里500米铺设了两段无缝线路试验段。其中，第二焊接长轨长度为899.10米。爬行观测桩的布置见图3-2。图3-2第二长轨节铺设时锁定轨温为13，一九八一年五月放散应力后锁定轨温为27。该段温度应力放散采用滚筒法，长轨每隔8米置一滚筒。施工前二趟慢行，中间扣件隔一松一。封锁开始，即松开扣件，打下防爬，螺栓涂油，抬起长轨，放置滚筒；长轨置于滚筒上后，用木锤敲击长轨；长轨基本达到放散量后，从两端向中间撤滚筒；长轨落槽后，拧紧接头螺栓和中间扣件螺栓、安装、打紧爬防器、检查、开通线路。该段长轨理论计算伸长量和实际伸长量列于表3-1。表3-1桩 号12345678910计算伸长量（mm）71.357.841.324.88.38.324.841.357.874.3实际左股（mm）8268432331434568295实际右股（mm）8272482981634568290第二长轨节计算伸长量为148.5毫米，左股实际伸长量177毫米，比计算量多28.5毫米；右股实际伸长量172毫米，比计算量多23.5毫米。如果，我们将该节长轨上一年铺设时的锁定轨温13称为“名义施工锁定轨温”；那么该节长轨左股实际平均施工锁定轨温则为10.8，右股实际平均施工锁定轨温则为10.3。为了研究两桩间实际施工锁定轨温，我们将相邻两桩间计算伸长量和实际伸长量列于表3-2。表3-2桩 号1223344556677889910桩间计算伸长量（mm）16.516.516.516.516.516.516.516.516.5实际左股（mm）142520201720222613实际右股（mm）10241921241822268根据表3-2中数值，我们将相邻两桩间实际施工锁定轨温绘于图3-3。图3-3由于该段长轨线路坡度为0.8，上下行通过总质量相近。试验期间每周检查一次中间扣件扭力矩，发现不足，就及时复拧。故此，第2至第9桩间固定区钢轨基本未出现爬行。因此，温度应力放散时所表现出的实际与计算伸长量的不同，主要还是在铺设锁定时造成的。总之，施工锁定轨温是计算长轨条实际轨温变化幅度的依据，也是无缝线路养护维修的依据。因此，施工锁定轨温是普通无缝线路和超长无缝线路的重要资料，必须正确测量、记录、妥善保存。第五节 维修作业锁定轨温一根长度为1000m的cd段长轨条在轨温20时被完全锁定，那么cd段长轨条的施工锁定轨温t锁为20。当轨温上升至40时，cd段长轨条的长度未变，而其内部却产生了温度压应力t=242.820=4856n/cm2。图3-4如图3-4所示，cd段长轨条在20被锁定时，其中a、b段长度均为85m。在运营过程中，由于种种原因a、b两段的长度变化为85.01m和84.99m，而cd段长度未变。此时，cd段长轨条的锁定轨温仍为20，而a段的锁定轨温改变为30，b段的锁定轨温改变为10。铁路线路维修规则（以下简称维规）第4.3.4条规定：“进行无缝线路维修作业，必须掌握轨温，观测钢轨位移，分析锁定轨温变化，按实际锁定轨温，根据作业轨温条件进行作业，”。上述a、b段改变后的锁定轨温就是本节所指的维修作业锁定轨温，维规中混凝土枕无缝线路维修作业轨温条件（表4.3.7）就是以维修作业锁定轨温为依据。第四章 普通无缝线路温度力的纵向分布温度力沿长轨条的纵向分布规律，常用温度力分布图表示。温度力分布图的横坐标表示钢轨长度，纵坐标表示钢轨的温度力，一般拉力为正，压力为负。钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持平衡是温度力纵向分布的基本条件。一根长轨条沿其纵向的温度力分布并不是均匀的。它不仅与阻力和轨温变化幅度等因素有关，而且还与轨温变化过程有关。第一节 长轨条铺设锁定后轨温变化过程长轨条若在秋季铺设，其轨温变化过程参见图1-4。长轨条若在春季铺设，其轨温变化过程参见图4-1。图4-1通常寒冷地区铺设无缝线路，长轨条的锁定轨温t锁t中。这样，长轨条的最大升温幅度maxt升小于最大降温幅度maxt降，长轨条固定区的最大温度压力maxpt小于最大温度拉力maxpt。第二节 长轨条的约束条件及其特点1、接头阻力的约束条件为简化长轨条温度力纵向分布规律的研究，通常假定接头阻力rj为常量。当温度力pt小于接头阻力rj时，钢轨与夹板间不发生任何相对位移，有多少温度力作用于接头上，接头就提供多少阻力与之相平衡。如果没有温度力作用于接头，接头就不提供任何阻力，接头阻力是被动力。仅当温度力大于接头阻力rj时，钢轨方能开始伸缩。此时，接头仍提供为常量的最大接头阻力rj，以与温度力相抗衡。当轨温变化使原来为缩短的长轨条转为伸长时，或从伸长转为缩短时，只有在原方向上的接头阻力rj已被抵消，反方向的接头阻力rj，（理论上，rj，的量值等于rj）已被克服后方能实现。即长轨条从缩短转为伸长，或从伸长转为缩短的过程中，必须克服双倍的接头阻力。2、道床纵向阻力的约束条件在现有的轨道条件下，只有当轨枕因温度力被带动在道床中产生一微小位移时，道床才能提供阻力。同样地，仅当温度力pt克服接头阻力rj后的余量大于道床纵向阻力时，钢轨方能开始伸缩。而当长轨条从缩短转为伸长，或从伸长转为缩短，也要克服双倍道床纵向阻力后方能实现。严格地说，道床纵向阻力不仅与轨枕位移量有关，而且动态响应与静态响应也不一样。但为了简化计算，通常假定道床的单位长度纵向阻力为常值，仅有方向上的变化，也不考虑动荷载作用的影响。第三节 长轨条温度力纵向分布及受力图综上所述，研究长轨条温度力纵向分布规律的基本前题如下：1、锁定轨温t锁高于中间轨温t中由于t锁t中，则有maxt降maxt升，maxptmaxpt，还有冬季长轨条的伸缩区长度伸夏季伸缩区长度。2、扣件阻力大于道床纵向阻力由于扣件阻力大于道床纵向阻力，则有轨道框架受轨温变化影响相对道床产生微量位移，而钢轨与轨枕间不产生相对运动。3、假定接头阻力rj为常值，假定道床的单位长度纵向阻力p为常量。研究长轨条温度力纵向分布，首先按图1-4，假定轨温变化的循环过程为：t锁tmin tmaxtmin。第五章 无缝线路的动态稳定性无缝线路推广使用的关键问题在于稳定性。胀轨跑道是无缝线路失稳的主要形式。随着列车运行速度的不断提高及重载列车的开行，列车的动力作用加剧，无缝线路的稳定性问题日益突出。胀轨跑道现象在各国铁路每年都有发生，严重地危及行车安全，一直为国内外铁路部门高度重视。历年来无缝线路造成事故之实例说明，多数事故都发生在线路状态恶化的情况下，在行车中轨道的臌曲多发生在脱线列车的中部和尾部。因此研究轨道动态失稳规律是稳定性研究的一项重要课题，受到各国轨道界的重视。第一节 弹动现象1、无缝线路动态失稳的前兆“弹动现象”铁道科学研究院对动态稳定试验的测试发现了动态失稳的前兆“弹动现象”，从试验中看出，无缝线路在温度力与列车动载的共同作用下，轨道不平顺处将产生弯曲变形。随着轨温升高和行车次数增加，轨道弯曲变形逐渐扩大。当轨温升到一定值时，一次过车弯曲变形突然剧增。有时即使轨温不再升高，随着行车次数的增加，弯曲变形继续扩大，轨道将产生“弹动现象”。有时无缝线路可能从稳定平衡直接进入不稳定平衡。轨道失稳不仅与平面不平顺有关，而且还与立面不平顺有关。根据上述试验结果，tb2098-89已将“弹动现象”列为无缝线路动态失稳的征兆，规定高温季节进行养护维修作业时，或在作业之后，若发现过车后线路弯曲变形突然扩大，必须立即设置停车信号防护并进行处理，防止发生行车事故。2、动态稳定性试验铁道科学研究院于19841985年在环形线试验基地进行无缝线路动态稳定性试验。试验轨道为60kg/m钢轨、混凝土轨枕每公里配置1840根、弹条i型扣件、碎石道床、肩宽4050cm、无缝线路锁定轨温t锁=-5。试验由轴重23t的韶山i型电力机车、轴重25t的c75货车、轴重21t的c61货车和轴重22.6t的c62货车组成。试验线预设平面或立面不平顺。在温度力与列车动载的共同作用下，试验中发生6次动态失稳，其中一次失稳情况如下：在r=600m曲线上试验编号no.10-1处，lo=10m、fo=28mm（标准正矢应为fo=22mm，曲线内股有fop=3mm的硬弯），试验前曾多次拔道，道床横向阻力降低，试验中列车以v=80km/h速度运行17次，轨温t=54，即温升，轨道弯曲变形扩大f=15mm，曲线正矢达fo=43mm，列车不间断运行，轨道弯曲变形继续扩大，以致轨道动态失稳。失稳过程如图5-1。图5-1b）直线地段，设置半波长，初始弯曲；不行车情况，轨温上升幅度 63；行车情况，轨温上升幅度 56，且列车通过总重1.5mt，轨道一直保持稳定。3、无缝线路产生“弹动现象”而失稳的主要原因铁道科学研究院认为，无缝线路产生“弹动现象”而失稳的主要原因是由于在列车轮重作用下，两转向架之间的轨排受负弯矩作用而浮起，造成道床横向阻力降低。在试验基地r=600m的曲线地段，测试轨排最大可能浮起量，行驶电力机车时为3.40mm，行驶c75货车时为3.05mm。为测量轨排浮起后的道床横向分布阻力，采用了轨排浮起装置，当浮起量达3.50mm时，测量的道床横向分布阻力比未浮起时的数值降低3040%。轨排浮起是考虑无缝线路动态稳定不应忽视的重要因素，尤其在列车动态通过时，浮起处与不平顺处重合时的情况，对无缝线路的稳定最为不利。以国内外研究情况而言，一般认为无缝线路的动、静态失稳问题是因较高的钢轨压力、弱轨道情况和车辆荷载引起的过大位移产生的。其中车辆荷载的影响包括：动态轨排浮起引起的道床阻力下降，惯性力的出现，以及竖向及横向车轮荷载的作用。弱轨道情况包括：横向阻力不足，轨道不平顺，锁定轨温的下降。第二节 稳定性安全储备量的分析铁道科学研究院根据大量实测数据，绘制了各种情况下的p- f或平衡状态曲线。他们认为应按线路实际可能存在的不利情况计算临界膨曲温升，按限制横向累积变形的条件确定允许温升。并且采用基本安全系数ka和附加安全系数kc，对我国无缝线路稳定性的安全储备量作出了较合理的定量分析。1、基本安全系数ka他们认为，无缝线路稳定性计算，不能把临界温升作为允许温差使用。由于下列因素影响：a）初始弯曲分布的随机性，道床密实度、扣件拧紧度的不均匀性；b）轨温测量的不精确；c）计算结果的误差；d）高温下，无缝线路可能产生横向累积变形。因而，稳定性允许温差的计算，应当考虑一定的安全储备量，并以安全系数ka：定量评价无缝线路稳定性安全储备量。式中 ka无缝线路稳定性基本安全系数；无缝线路丧失稳定时的临界温差，其值大小表征线路为保持稳定性能承受的最大轨温变化的幅度；无缝线路稳定性允许温差。允许温差的设计，“统一公式”取轨道变形量对应的误差作为允许温差，并认为轨枕位移量在0.2cm以内，道床处于弹性变形范围。他们认为，根据实测资料，在荷载作用下，轨枕微量位移，卸载后，道床也会产生残余变形，因此取对应于的轨温差作为允许温差，高温季节轨道会产生累积变形而降低稳定性。他们认为，允许温差的确定，应把限制轨道累积变形作为基本条件，有利于提高无缝线路的稳定性。他们根据测得的日温差频数及轨温昼夜变化下无缝线路的横向累积变形，经计算，取所对应的轨温差作为无缝线路稳定性允许温差。f取值与轨道结构类型及道床密实度有关，通常取。这样，只要初始弯曲不超过设计允许值，锁定轨温至最高轨温的温度差也不超过允许值，在高温季节一昼夜时间内，无缝线路的最大弯曲变形量不超过0.02cm，经过一个季节运营后，累积变形量就不会超过0.2cm。如果轨道结构采取加强措施，临界轨温差提高，在保证安全储备量不改变的情况下，f值也可采用0.020.05cm。他们根据三种机型、混凝土轨枕1840根/km、列车轮重作用下两转向架之间的轨排受负弯矩作用而浮起的实测阻力，计算求得直线及不同半径曲线的临界温差，允许温差，从而求得基本安全系数ka，见表5-1。表5-1钢轨类型在线及r2000m曲线曲 线 半 径 （m）100080060040060kg/m1.441.551.511.501.5450kg/m1.361.521.551.541.692、附加安全系数kc。由于以下两个附加因素：a）无缝线路纵向力分布不均匀；b）运营过程中锁定轨温的变化。他们认为还应考虑附加安全系数kc。稳定性计算时，不论直线或曲线均应考虑在轨道弯曲变形范围内，纵向力分布不均匀的峰值相当10温度力，把其换算为均匀分布纵向力，经计算相当8温度力，在稳定性计算中予以考虑。在确定稳定性允许温差时，还应考虑无缝线路经过长期运营后锁定轨温的变化。根据试验及统计分析，锁定轨温变化在8以内，由设计予以修正。对锁定轨温变化的修正，直线与曲线区段采取不同处理办法。在直线及半径r2000m曲线区段上，为保证有充裕的养护维修作业时间，考虑高温季节也可以安排必要的养护维修作业。因此，设计时在允许铺轨温差中，修正锁定轨温8的差异。在半径r800m曲线，道床肩宽40cm；r800m曲线，道床肩宽45cm且碴肩堆高16cm，不同线路平面，稳定性临界温差，允许温差、安全系数，结果如表12-3所列。所谓三种机型是指、前进型蒸汽机车、东风4型内燃机、韶山2型电力机车。表5-3钢轨类型（kg/m）临界温升允许温升安全系数直线及r2000m曲 线曲 线 半 径（m）10008006005004005090501.8285481.7785471.8180441.8276391.9571342.086095501.9087481.8183471.7775421.7969381.8263331.917588481.8375461.6375451.6768401.7063361.7557301.90第三节 由“弹动现象”引发的不同观点由于“弹动现象”的发现，在对无缝线路动态稳定性的深入研究中，我国铁路界中的一些学者提出了以下观点：有人认为，“考虑到行车时轨排浮起后的道床阻力将有所降低，在碎石道床、混凝土枕轨道的q值可参照表5-4数值取用。”表5-4每千米线路轨枕铺设置（根）碎石道床、混凝土枕肩宽40cm肩宽45cm、堆高15cm176059.2(n/cm)66.8(n/cm)184061.3(n/cm)69.3(n/cm)有人认为，“计算结果表明，在同一条件下（即q、ej均相同的情况下），如取安全系为1.2 1.25，则临界状态公式的计算值十分接近于“统一公式”的计算值。也就是说，在p-f曲线上，“统一公式”取值的点已接近临界点。“统一公式”安全系数取1.25，其相对临界状态的储备只有45%50%，似乎偏低。根据线路的实际状态分析轨道的稳定性，若采用临界状态公式，其安全系数应取2。”有人认为，“寒冷地区无缝线路温度力大，长轨节的伸缩量也大，因此，根据情况不同，采用温度应力式或定期放散温度应力式。”还认为“对于使用50kg/m钢轨、混凝土枕、轨枕配置根数1840根/km、碎石道床、肩宽45cm、碴肩堆高16cm、年轨温变化幅度100地区，可在直线及半径r800m曲线上铺设温度应力式无缝线路。”有人认为，“哈尔滨以北地区均在100以上，。综上所述，在年轨温差95以下的地区，可以铺设温应力式无缝线路。但这仍不能满足更广大的寒冷地区铺设温度应力式无缝线路的客观需要。”凡熟悉无缝线路稳定性计算的人都知道，如果等效道床阻力q值采用表12-4中数值计算，寒冷地区还能否铺设无缝线路将成为疑问；如果取安全系数k=2，对韶山2型机车，v=100km/h 、50 kg/m钢轨、混凝土枕1840根/ km、碎石道床、肩宽40cm的计算条件，将使历年轨温变化幅度80以上地区都成为铺设温度应力式无缝线路的“禁区”。凡熟悉我国无缝线路发展史的人都知道，1980年我国在试图突破寒冷地区不能铺设无缝线路这一“禁区”时，原东北五局各试铺了二公里50kg/m钢轨的温度应力式无缝线路试验段，当1989年对该项部级重大科研成果鉴定后，寒冷地区大规模铺设的是60kg/m钢轨的温度应力式无缝线路。个别著名学者只肯定寒冷地区十公里50kg/m钢轨试验段，而对寒冷地区十余年来铺设的数千公里60kg/m钢轨的普通无缝线路和区间无缝线路却只字不提。我们不禁要问，是应将它们拆除？还是将它们改成定期放散温度应力式？第六章 胀轨跑道的防治寒冷地区历年轨温变化幅度越大，冬季或夏季无缝线路所承受的温度拉力或压力越大，钢轨折断及胀轨跑道的几率越大。二十余年寒冷地区试铺和大规模铺设无缝线路的实践表明，寒冷地区冬季由于道床处于冻结状态，道床纵横向阻力增大，焊接长钢轨断裂后的断缝值一般均小于理论计算值。因此，冬季钢轨一旦折断，只要能及时发现和处理，均不危及行车安全。由此，只要夏季能够防止胀轨跑道，寒冷地区铺设的无缝线路就能保证运输安全。寒冷地区无缝线路防止胀轨跑道的指导思想，我们认为可以用以下三句话概括：一是注意发展保持稳定的因素，克服、限制丧失稳定的因素；二是可靠的线路结构和良好的线路状态对保持无缝线路的稳定同样起决定性作用；三是高温季节应集中力量对薄弱地段采取有效措施实施重点监控，确保行车安全。第一节 影响无缝线路稳定性的因素对无缝线路胀轨跑道事故大量调查后得出的结论是：很多次胀轨跑道事故并非温度力过大所致，而是由于对无缝线路起稳定作用的因素认识不足，在养护维修中破坏了这些因素而发生的。因此，我们必须研究丧失稳定与保持稳定两方面的因素，注意发展有利因素，克服、限制不利因素，防止胀轨跑道事故，以充分发挥无缝线路的优越性。1、稳定因素保持无缝线路稳定的因素有道床横向阻力和轨道框架刚度a）道床横向阻力道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称道床横向阻力，它是防止无缝线路胀轨跑道，保证线路稳定的主要因素。据苏联经验，稳定轨道的力，65%是由道床提供的，而轨道框架刚度为35%。道床对每根轨枕的横向阻力q，用试验方法求取。图12-6是铁道科学研究院和呼和浩特铁路局1987年在寒冷地区最大轨温幅度93.4、r=400m曲线上试铺60kg/m钢轨无缝线路测定的。图中可见，道床横向阻力q和轨枕横向位移y存在相关关系，q随y的增大而增长。对于经过维修作业后的曲线，当y达到某一定值时，q接近常量，y继续增大，道床即被破坏。此外，道床横向阻力还与轨枕类型、质量、尺寸、每千米配置根数，道床断面尺寸，道碴材质，道床密实度，道床脏污程度，以及累计通过总质量等因素有关。b）轨道框架刚度轨道框架刚度ej是反映其自身抵抗弯曲能力的参数。轨道框架刚度愈大，弯曲变形愈小，所以是保持轨道稳定的因素。轨道框架刚度，在水平面内，等于两股钢轨的水平刚度及钢轨与轨枕节点间的阻矩之和。节点阻矩与轨枕类型、扣件压力及钢轨相对于轨枕的转动有关。中间扣件的扣压力愈大，钢轨与轨枕联结愈紧密，轨道框架的水平刚度就愈大。轨道框架的水平刚度可取为：式中 轨道框架刚度的换算系数。2、丧失稳定因素促使轨道丧失稳定的因素有温度压力和轨道原始弯曲。a）夏季高温季节焊接长钢轨内巨大的温度压力。b）轨道原始弯曲钢轨在制作过程中或在外力作用下，难免存在一些原始弯曲。如钢轨轧制出厂允许有的弯曲；线路方向允许有10m弦量矢度不超过4mm的弯曲；长轨联合接头的焊接，要求1m范围内，焊接变形弯曲矢度不超过0.5mm等。这些原始的微小弯曲对无缝线路的稳定性影响很大。通过试验发现，原始弯曲愈小，轨道框架丧失稳定的临界压力愈大；原始弯曲愈大，丧失稳定的临界压力愈小。轨道原始弯曲通常包括塑性原始弯曲和弹性原始弯曲。塑性原始弯曲是钢轨在轧制、运输、焊接和铺设过程中形成。弹性原始弯曲是在温度力和列车横向力的作用下产生的。实践证明，在正常的轨道结构条件下，无缝线路的稳定是有足够安全度的。上述影响无缝线路稳定的四个主要因素中，温升引起的温度压力是构成稳定问题的根本原因。在巨大的温度压力作用下要保持轨道的稳定，单凭轨道框架的抗力是不够的，主要靠的是道床横向约束力。但道床是由散体介质构成的，它的约束阻力易于发生变化，这是无缝线路稳定问题区别于其他结构稳定问题的主要特点。道床约束阻力的削弱或被破坏常是造成轨道失稳的直接原因。初始弯曲是影响稳定性的最敏感同时也最直观的因素，初始弯曲矢度增加几毫米，可导致膨曲临界力的大幅度降低。因此，加强对不平顺矢度的监控，对保证轨道的稳定，有着重要的作用。第二节 良好的线路状态对无缝线路稳定性 同样起决定性影响无缝线路产生“弹动现象”而失稳的主要原因固然与在列车轮重作用下轨排反弯曲处道床横向阻力降低有关。然而，当列车通过曲线时，由于轮对横向水平力的作用，会迫使轨道产生一定的横向位移。如果线路不平顺，道床较松散，则变形将加大，变形后不能完全复原，从而产生变形的积累。而较大的变形将诱发“弹动现象”的产生。无缝线路的平衡稳定问题具有一般工程结构物平衡稳定问题共同属性，同时由于它自身的特点，又是有它的特殊性。列车昼夜不停地在轨道运行，气温朝夕不断变化，原来平直的轨道在立面与平面内均产生不平顺，因而必须定期维修。刚刚完成作业后，虽然轨道平顺性得到改善，但由于道床密实度受到破坏，阻力降低，不当的养护维修作业方法，严重降低无缝无线稳定性，线路状态的恶化经常成为胀轨跑道的主要原因。良好的线路状态与可靠的线路结构，对无缝线路的稳定性都同样起决定性影响。第三节 防止胀轨跑道的措施首先，由于寒冷地区历年轨温变化幅度大，高温季节钢轨内部的温度压力也大。因此，必须采取加强轨道结构的措施。部标tb2098-89规定，寒冷地区铺设无缝线路可增加混凝土轨枕每公里配置根数，由1760根/km，可逐步增至1840根/km、1920根/km、2000根/km；历年轨温变化幅度大于90地区的道床肩宽为45cm，并在碴肩堆高16cm。另外，我们认为寒冷地区提速区段铺设的无缝线路宜采用低合金钢轨、新型混凝土枕、s-iii型混凝土枕、弹条ii型扣件。采取上述加强措施可有效提高道床横向阻力和轨道框架刚度，增大保持稳定的因素，以平衡高温季节钢轨内较大的温度压力。其次，应避免焊接长钢轨的实际锁定轨温低于设计锁定轨温的下限，即避免高温季节钢轨的实际温度压力超过设计最大温度压力值。焊接长钢轨低温铺设时虽经拉伸，但拉伸不到位、不均匀，结果拉伸端的锁定轨温高，而另端的锁定轨温依然偏低，这样在高温季节将产生过大的温度压力；冬季无缝线路钢轨折断时，若在低温下进行永久性修复，则钢轨断口前后线路的锁定轨温将下降至修复时的轨温，该处所将在高温季节出现过大的温度压力；对于易产生温度压力峰的处所，如：固定区与伸缩区交界处附近、复线行车方向的道口前方、复线行车方向固定区终端、无碴桥前、行车方向曲线头部、竖曲线的坡底、制动地段等，应采用爬行观测桩和标定轨长法进行观测。处于锁定状态的焊接长钢轨，每85m长，若缩短1mm，则锁定轨温降低1。高温季节前，这些处所的实际锁定轨温若低于设计锁定轨温的下限，必须进行应力调整。否则高温季节将因温度压力过大，而导致胀轨跑道。第三，应做好无缝线路区段的线路方向控制无缝线路方向偏差的扩大，将降低无缝线路的稳定性。线路方向偏差扩大1.5倍，例如由6mm扩大到9mm，临界温差将缩小20%。也就是说，线路方向偏差的扩大，意味着线路稳定性安全度的降低，因此，可以把它看作无缝线路胀轨的预兆。对于钢轨硬弯，在焊接长钢轨铺设后即刻进行调直；对于线路方向偏差，用10m弦量，日常管理值取6mm，高温管理值取8mm，线路方向偏差一经达到此限值，就应立即进行整修，防患于未然、扼制胀轨跑道于萌生之前。第四，强化和保持道床阻力，是防止胀轨跑道的重要保障线路维修作业，道床阻力显著下降，严重的会下降7080%之多。另据推算，道床阻力下降50%以上，临界温差将下降30%以上。在进入高温季节之前，应做好线路强化工作。如拨正线路方向、紧固扣件、补充石碴、堆高碴肩、夯实道床等等。务使道床阻力保持在设计值内，以保证无缝线路经常处于稳定状态。进入高温季节，一般不轻易动道，不进行影响线路稳定性的作业，以防道床阻力下降。线路左右水平，前后高低出现坑洼，尽量采用垫片起道法整平，不轻易起道捣固。必须大动道时，要先放散应力而后作业，以保证下降了的道床阻力，仍能同温度压力保持平衡。脏污的道床在多雨的高温季节，阻力值大幅下降，车站正线曾因此发生竖向胀轨，幸被及时发现和处理，未造成行车事故。区间无缝线路道床全断面破底清筛施工应选择在钢轨内温度压力较小，或钢轨内出现温度拉力时进行。如果必须安排在高温季节进行施工，则应先放散应力，而后再清筛。第五，高温季节应集中力量对薄弱地段采取有效措施实施重点监控，确保行车安全。所谓薄弱地段是指直线地段中易产生温度压力峰的处所和半径较小的曲线地段。寒冷地区在设计无缝线路时，通常对直线和半径较小的曲线地段采取同一最大容许温升值。这样，直线地段稳定性的安全储备比半径较小曲线要大得多。铁道科学研究院在无缝线路动态稳定性试验中发现，对于直线地段，即使设置波长，矢度的平面不平顺，在不行车的静态下，温升；或在列车通过总重1.5mt的动态下，温升，轨道仍然保持稳定。这就说明，直线区段抵抗动态失稳的能力高于曲线地段。所谓有效措施主要是指降温措施。笔者对吉林省白城地区19501980年气温资料的统计发现，三十年间最大气温差为77.5（历年轨温变化幅度应为97.5），最高气温40.6，而气温超过40，只有1天；气温超过35，有95天，占总天数千分之八点七，年均出现天数为3.2天。可见，寒冷地区高温天气出现的天数较少。哈尔滨铁路局（2002）哈铁工电第545号关于做好当前无缝线路防止胀轨工作的通知中要求，“当气温持续达30以上高温时，对无缝线路的曲线、大坡道和易胀轨跑道地段在11-16时对线路洒水降温，确保线路的稳定。”高温季节在无缝线路出现胀轨跑道以前，主动对薄弱地段实施洒水降温，减小钢轨内的温度压力。这种作法在国内外均属首创，不失为防止胀轨跑道的有效措施。但洒水车中的水温要低，洒水车应置于阴凉处待命，以保证降温效果。据悉绥化工务段研制了简易的降温装置，受此启示，各工务段在高温季节还可备用轨道车，其上设大型冰柜，对个别出现“碎弯”等胀轨先兆的地段用白布包冰块置于钢轨外侧腹部，降温效果将会十分明显。第六、寒冷地区无缝线路区段都应成为优质线路，良好的线路状态对无缝线路稳定性同样起决定性影响纵观铁道科学研究院所作无缝线路动态稳定性试验中r=600 m曲线动态失稳过程，首先是预设了平面或立面的不平顺；其次，试验前多次拨道，致使道床阻力降低；第三，在温度力与列车荷载共同作用下轨道弯曲变形急剧扩大情况下，未及时加以纠正；第四，在较大不平顺出现后，列车仍然不间断运行，终导致轨道动态失稳。倘若，寒冷地区无缝线路区段都是优质线路，就将失去轨道动态失稳的先决条件。第七章 无缝线路应力放散与调整第一节 应力放散无缝线路应力放散，就是要把没有在设计允许锁定轨温范围以内锁定的无缝线路，以及在运营中锁定轨温发生了变化的无缝线路，将其锁定轨温，通过放散，重新准确地设定在设计允许范围之内。应力放散的要求是：1、无缝线路的应力放散，应做到均匀、准确。2、放散后，重新设定的锁定轨温必须在设计允许范围之内。第二节 温度放散法温度放散法，即在适当轨温范围内，松开全部联结零件，使长钢轨自由伸缩放散应力，然后加以锁定。属于这类放散方法，以滚筒放散法最为典型。用滚筒放散应力，应先封锁线路，然后将长钢轨上的扣件全部松开，同时拆除两端夹板。在长钢轨底部810m设置滚筒，并用木锤敲击钢轨，待钢轨的伸缩量达到预先规定的数值后，取下滚筒，锁定线