无缝线路理论知识(5)

桥上无缝线路设计要点

桥上无缝线路设计要求合理选择轨道结构型式，长轨条布置和锁定方式， 恰当确定中和温度，使墩台、轨道受力及钢轨折断的断缝不超过允许值，并保证轨道有足够的稳定性和防爬能力。

桥上无缝线路中和温度的确定与普通无缝线路基本一样，只是在强度和稳定条件中均要考虑伸缩力或挠曲力的影响。对扣件的布置等问题前面均已涉及，下面仅就轨条布置，断缝计算等问题做一简要说明。 调查收集资料

设计之前应首先进行调查和收集有关资料：桥梁全长、孔数、桥跨结构、支座布置、墩台类型及状态；桥上及桥头两端线路的平面、纵断面、轨道结构的类型、状态及绝缘接头设置位置；收集桥梁的设计资料、竣工资料：

如墩台检算计算单、桥梁弦杆影响线图、设计中所采用的各项参数、有关规程、规范和技术条件的规定等，并了解运营有关部门对设计铺设无缝线路的要求。 (二）轨条布置

桥上长轨条的布置因根据桥梁的设备情况、自动闭塞区段绝缘接头设置的要求、施工条件和维修条件来确定。

一般说来，设计整根轨条通过全桥，使桥梁位于无缝线路固定区，伸缩区离桥头最好不小于10 m。这样就有结构简单、桥上不需要特殊设备、完全消除桥上的钢轨接头、减少冲击力、维修方便等优点。缓冲区的轨缝应按计算来设置并严格控制。伸缩调节器的基本轨、尖轨与长轨条焊接。在连续钢桁梁上轨条长度与一联梁长相同或轨条可跨越固定端处延伸到路基上或相邻的桥上。 (三）断缝检算

为了保证低温断轨时不危及行车安全，应选择钢轨受拉力最大和扣件阻力最小的断面进行断缝检算，如图5-21。假定钢轨在A点折断，则A点处的钢轨拉力降为零，两端按扣件阻力梯度放散温度力，A点处的断缝为λ=ω/EF≤[λ]，ω温度力的放散面积，[λ]为容许断缝值。我国规定，无碴桥[λ] ≤10 cm，有碴桥[λ] ≤8 cm。如超过容许值，需要重新布置扣件，调整阻力分布。 图5—21 断轨后纵向力分布图 (四）桥梁墩台及支座检算

1．墩台检算。在桥上铺设无缝线路后，由于伸缩力、挠曲力或断轨力的反作用，会使桥梁墩台受到额外的纵向水平力，其大小为梁两端纵向作用力的代数差，如图5-21中的PA－PB。曲线墩台还要受到钢轨中温度力的径向分力。在这些力的作用下，墩台和基础的强度是否足够，应当按《铁路工程技术规范》中的规定进行必要的检算。

2．支座螺栓的检算。按作用于桥梁的最大组合纵向力，检算支座螺栓的剪力强度。支座螺栓的剪力强度条件为：

(5-55) 式中 η--计算剪应力； T --最大纵向力； nF--个螺栓的截面积； [η]--螺栓容许剪应力。

第六节 超长无缝线路 概述 （一）超长无缝线路发展简况

超长无缝线路是指轨条长度跨越区间，轨条与道岔直接连接的无缝线路。也称跨区间无缝线路。

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根据无缝线路受力原理，理论上讲无缝线路的轨条长度可以无限长。目前在普通无缝线路上，由于各种原因，轨条长度一般在1500m左右。由于现有无缝线路仍存在着缓冲区，无缝线路的优越性没有得到充分发挥。以我国现有约2万多公里无缝线路为例，按每段无缝线路4根缓冲轨长约100m计，则在这2万余公里的无缝线路中仍有1000多公里为有缝线路，在这些地段每年养护维修工作量很大。同时缓冲区的存在对无缝线路的受力状态也有不良的影响。随着高速重载运输的发展，要求必须强化轨道结构，全面提高线路的平顺性和整体性。为此要求把缓冲区消除，无缝线路轨条延长，甚或于道岔焊成一体，我国称为超长无缝线路。超长无缝线路最大程度地减少了钢轨接头，实现了线路的无缝化，消除了缓冲区和伸缩区的影响，这是当代无缝线路的重要发展。

国内外在超长无缝线路方面都在进行研究并取得了一定进展。如德国铁路把区间无缝线路之长轨条与站内道岔直接焊接起来，焊接道岔数达11万组之多；法国在巴黎--里昂--马塞、巴黎--勒芒、巴黎--莫城等高速铁路上，多数无缝线路长轨条的长度贯穿区间，其中最长一段长达50km；俄罗斯在顿涅茨铁路上，一段无缝线路长轨条长达17.5km，在科沃夫铁路线上一段长轨条长10.5km；日本清涵隧道全长53.83km，在12‰的坡道上铺设无缝线路长轨条，全长53.78km。我国与60年代在北京局、广州局曾用铝热焊接方法或冻接接头方法焊成一跟轨条长达8km的超长无缝线路试验段，由于焊接强度不足没有得到发展。80年代开始对道岔进行焊接，进行无缝道岔和跨区间无缝线路试验。目前在京广线和京沪线的两段无缝线路长度分别为140km和104km，至1998年底全国已铺设超长无缝线路4359.5km。 （二）超长无缝线路的结构特点

超长无缝线路从本质上说与普通无缝线路没有什麽区别，但其在结构、铺设、养护维修等方面也具有不同的特点，并将带来很多新的技术问题。

1、用胶接绝缘接头替代了原有缓冲区的绝缘接头。整体性好、强度高、刚度大、绝缘性能好、寿命长、养护少的胶接绝缘接头的研制成功是超长无缝线路得以发展的重要保证。对这种胶接接头的使用寿命要求应该达到与基本轨同步的水平。目前美、日、俄、法等国胶接接头的质量水平较高。近年来我国从国外引进胶接材料进行试验研究，提高了质量，能满足超长无缝线路的要求。同时还要注意到胶接接头与焊接接头本质上还不一样，不能承受撕裂力，且缺少弹性，不能承受过大的弯曲和撞击。根据实验室试验表明，其疲劳强度低于焊接接头。所以在运输和铺设过程中，要尽量避免发生剧烈撞击、摔打或弯曲等行为。 2、超长无缝线路在现场的焊接和施工。超长无缝线路由于施工技术条件和运营条件所限，不可能在一个天窗时间内一次铺设完成（一次仅能铺设1~3km），只能把超长无缝线路分成若干单元轨条。通常把一次铺设的轨条长度叫单元轨条。道岔区及前后约200m的线路作为一单元，对两单元间的焊接必须在线路上进行，而且要求每单元长轨条在焊联后的锁定轨温相通，这就需要配备有较大拉伸能力的焊接设备或性能良好的拉伸机。由于超长无缝线路不是一次完成铺设，要使整个轨条温度力均匀，即锁定轨温一致。在铺设施工中，如何组织施工队伍，安排施工程序，使得铺设、焊接、放散应力、锁定等工作有序进行，且保证锁定轨温符合要求，这就成为施工中一个关键问题。

3、超长无缝线路的维修养护方法。如前所述，超长无缝线路的基本原理于普通无缝线路是一致的，因此原有的普通无缝线路维修养护方法还适用。但现有的普通无缝线路存在缓冲区，如对无缝线路进行较长区段的破底清筛，或抽换轨枕作业，尤其进行大修作业或出现温度力不均匀等情况时，往往可以放散应力后作业。超长无缝线路实施起来就比较困难，这时作业的轨温条件可能就会控制得很严，同时应配备有快速切割、拉轨方便、焊接简便等相应的施工设备，便于处理各种应急情况。另外在道岔区由于钢轨受力状态较为复杂，而道岔的各部件和各部位的尺寸要求也较严，在有温度力状态下如何作业尚没有经验。这些都有待进一步研究和实践总结。

4、道岔区轨道受力情况。道岔区是两股轨道交叉一起，接头很多，转辙器的尖轨是可以自由活动的，辙叉是整体性的，而目前已经投入运营的可动心轨辙叉，情况又更复杂。当将道岔焊接成无缝道岔后，岔内钢轨温度力的分布，伸缩位移的大小，强度和稳定等问题，都有待进一步研究完善。

总的来说需要建立一套超长无缝线路（包括道岔区在内）的设计、铺设施工、维修养护的方法和规则。 超长无缝线路的设计

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超长无缝线路不论是在新线或在运营线结合大修铺设，其线路平纵面设计与普通无缝线路设计一样。 超长无缝线路与普通无缝线路不同的是轨条贯通整个区间或区段，其长轨条不可能一次铺成，为此将长轨条分成若干个单元轨条，然后分次焊接联铺入。一般单元轨条含有胶接接头时，要把胶接接头设置在离单元轨条端200m外。单元轨条长度多长为合理，需要进行设计。此外还包括单元轨条的锁定轨温、轨条位移观测桩的设置、道岔区温度纵向力分布、轨道稳定和强度检算等内容。

1、单元轨条长度设计。超长无缝线路长轨条长度的设计，与普通无缝线路不同，超长无缝线路长轨条的设计是一次铺入长度的设计，即单元铺设长度的设计。单元轨条长度的合理定量，就是单元铺设长度设计的主要内容。超长无缝线路单元轨条长度的设计，受施工天窗长短、线路平面条件、铺设技术、铺设方法、焊接技术、轨温变化状态、施工组织、人员素质等诸多因素的制约，同时要考虑到各路局的具体情况和铺设现场存在的问题来确定。按目前现有的技术能力应以2~2.5km为基数，争取2.5~3.0km。 2．锁定轨温和单元轨条之间焊连温度的选择。超长无缝线路设计锁定轨温的确定与普通无缝线路的设计方法和原理是一致的，一根轨条同一个设计中和轨温。但超长无缝线路是由在不同时间铺设的各单元轨条焊连成的，如何保证其全长内温度力均匀是一个关键。普通无缝线路考虑到铺设实际情况，一般铺设时锁定轨温容许有±5℃变化范围，如果强度和稳定得到保证，在特殊情况可适当放宽到±8℃，但这并不意味着一根轨条的锁定轨温可有这一范围变化。因此超长无缝线路在各个单元轨条焊接时，从焊接时间上最好选择在设计中和轨温时间，且两相邻单元之间的锁定轨温差小于±5℃内来进行，并在焊接前后采用拉轨机将轨条应力调整均匀。其最终焊接必须选择在靠近中和轨温的温度下进行，并做好局部应力放散。 3、爬行观测桩和标定轨长的设置。通过爬行观测桩和标定轨长的观察与换算，分析研究锁定轨温有无变化，钢轨纵向力的分布是否均衡，对超长无缝线路来说是十分重要的。 爬行观测桩，普通无缝线路通常设置7对。超长无缝线路以每一单元轨条长为一设桩单元，观测桩布置与普通无缝线路一样，但也有如保定工务段采用桩距为85m的布置方法：轨端一对，每隔85m、2×85m设两对，再每隔3×85m即2×3×85m又设两对，则中间两对桩的距离为L=13×85m。其设置根据是当钢轨85m发生1mm变化时相当于检算轨温变化1℃，以便于计算管理。道岔区单元轨条位移观测桩的布置为：单元轨条起点、每组道岔基本轨前焊点、尖轨限位器或尖轨跟端、辙岔前焊接点、道岔与道岔之间大于100m的设一对，单元轨条终点处各设一对，共计6对以上观测桩。 采用轨长标定法标定时，在普通无缝线路上为每250m设置一处，而在超长无缝线路上，应加密标定，可每50m一处。如观测桩采取等距离设置，则两观测桩之间的锁定轨温改变，由轨长标定监控。实行观测桩、轨长标定双重控制，增加了监控的可靠度。

4、无缝道岔单元轨条设计。无缝道岔单元轨条是把一组或几组道岔及其前后50m以上的线路焊联成一个单元轨条，以便同时铺设（或放辙）同时锁定，按同一锁定轨温管理。

无缝道岔单元是超长无缝线路很重要的单元，道岔单元中接头多，钢轨纵向力分布复杂，同时还会遇到不同材质的钢轨焊接问题，所以对无缝线路的接头焊联设计、岔内钢轨纵向力分布、强度和稳定性检算，是超长无缝线路设计的重要组成部分。 （1）无缝道岔的接头焊连设计。目前我国超长无缝线路焊接的道岔一般有两种类型：一种是60kg/m钢轨AT尖轨整铸锰钢辙叉12号单开道岔。无缝道岔直基本轨焊接，曲基本轨接头焊接或冻结。

（2）无缝道岔钢轨纵向力分析、强度和稳定性检算等内容见下面有关介绍。 无缝道岔

超长无缝线路中的道岔应当是没有任何轨缝的道岔，道岔中所有的钢轨接头都应焊接或胶接起来，道岔两端也需要与直股或与直股和侧股的无缝线路长轨条焊接在一起，这样的道岔称为无缝道岔。 无缝道岔是超长无缝线路的一个重要组成部分，它与长轨条一样要承受无缝线路温度力的作用。道岔中的钢轨不但承受巨大的温度力作用，而且里侧轨线两端受力状况不同，这种不平衡的温度力状态使无缝道岔中的钢轨受力与变形位移发生变化，是无缝道岔设计、铺设、维修养护中需要处理的核心问题。 （一）无缝道岔里轨伸缩位移

由于温度力的作用，无缝道岔的尖轨与可动心轨要发生纵向位移，尖轨或可动心轨尖端的伸缩位移为

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跟端处钢轨伸缩位移与自由伸缩长度之和，通常在尖轨尖端与可动心轨尖端的伸缩位移最大，为了不致于影响转辄机械的搬动，钢轨的最大伸缩位移不能超过容许限值。

不同的道岔类型、不同的辄跟结构、不同的翼轨结构、直股与侧股的不同焊接情况、不同的岔枕类型等条件下，跟端处钢轨伸缩位移不同，但基本计算原理是相同的。

间隔铁辄跟结构将会把里轨温度力传递到基本轨。同钢轨接头阻力一样，辄跟若为限位器结构，则在轨温升高或降低的初始阶段，道岔里股钢轨将不会通过辄跟传递温度力，待辄跟处里股钢轨有了一定的伸缩位移（7~10 mm），限位器结构部件相互接触后才传递温度力，并且可传递很大的温度力，此时可认为辄跟处里股钢轨不再进一步产生伸缩位移。

道岔中由于岔枕长度不同，里外轨间距不同，钢轨在每一根岔枕处道床纵向阻力均是不相同的，岔枕单位长度的纵向阻力一般应通过实测获得。

采用轨长标定法标定时，在普通无缝线路上为每250m设置一处，而在超长无缝线路上，应加密标定，可每50m一处。如观测桩采取等距离设置，则两观测桩之间的锁定轨温改变，由轨长标定监控。实行观测桩、轨长标定双重控制，增加了监控的可靠度。

4、无缝道岔单元轨条设计。无缝道岔单元轨条是把一组或几组道岔及其前后50m以上的线路焊联成一个单元轨条，以便同时铺设（或放辙）同时锁定，按同一锁定轨温管理。

无缝道岔单元是超长无缝线路很重要的单元，道岔单元中接头多，钢轨纵向力分布复杂，同时还会遇到不同材质的钢轨焊接问题，所以对无缝线路的接头焊联设计、岔内钢轨纵向力分布、强度和稳定性检算，是超长无缝线路设计的重要组成部分。

当道岔钢轨扣件足够强固时，四轨线岔枕在里轨温度力的作用下将产生弯曲变形，其上的里轨将不会自由伸缩，岔枕的弯曲刚度则相当于钢轨的一种纵向阻力阻止其自由伸缩。对于直股与侧股均焊接的无缝道岔，里股钢轨均要承受无缝线路温度力，钢轨相对于岔枕发生纵向位移，通过扣件致使岔枕承受作用力。对于仅有直股焊接的无缝道岔，直股里轨承受无缝线路温度力作用；侧股里轨为普通线路，温度力较小可忽略不计。

岔枕所承受里股钢轨所传递的温度力若大于扣件的推移阻力，则里股钢轨传递给岔枕的作用力将保持不变，等于里股钢轨的扣件推移阻力。 （二）无缝道岔基本轨附加温度力

无缝道岔基本轨焊接后，相当于无缝线路的固定区，在不受外力作用下不会发生伸缩位移。而道岔里股钢轨焊接后相当于无缝线路的伸缩区，它将释放的温度力转换成伸缩位移。由于构造原因，道岔基本轨通过岔枕、辙跟间隔铁等部件与里轨相联，参与里轨阻止在温度力作用下的伸缩位移，从而使道岔基本轨承受了道岔里轨传来的附加温度力。无缝道岔设计的一项重要内容，就是计算道岔外侧基本轨承受的附加温度力，把它于基本轨承受的初始温度离叠加，进而检算基本轨的强度以及道岔前二轨线地段的无缝线路的稳定性。

计算中首先求得间隔铁结构及每一根岔枕传递于基本轨上的作用力，然后叠加基本轨下的道床阻力即可得到该处基本轨所承受的附加温度力。由于无缝道岔基本轨处于无缝线路的固定区，在道岔两端足够远的钢轨上无任何伸缩位移，当无缝道岔基本轨承受附加温度力后将产生伸缩位移，附加力造成的钢轨拉伸与压缩变形是相等的，即基本轨附加温度力图上拉力区面积与压力区面积相等，以保证道岔两端足够远处钢轨位置不变。采用与桥上无缝线路伸缩附加力计算类似的试算方法，按附加温度力的发向逐点叠加形成无缝道岔基本轨附加温度力图。图5-22即为一典型的固定辙叉无缝道岔基本轨附加温度力图。

图5—22 固定辙叉无缝道岔基本轨附加温度力图 （三）无缝道岔检算

无缝道岔的检算包括钢轨强度检算和叉前线路稳定性检算两项内容。

在相对辙跟与可动心轨弹性可弯中心处的基本轨上出现附加温度力峰值，该处的钢轨应进行强度检算。若无缝道岔钢轨不能满足其强度条件时，应采取措施提高钢轨强度，尤其要保证基本轨焊接接头质量。若

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仍不能满足强度条件，应适当调整无缝道岔的锁定轨温。

岔前线路稳定性检算可采用普通无缝线路稳定性计算公式进行计算。需要说明的是，由于岔前线路温度力并非均匀分布，因而需确定的检算位置。一般取尖轨端前4m处作为稳定性检算的位置。岔前线路若不能满足无缝线路稳定性要求，则需要采取提高无缝线路稳定性的措施，例如，保持道床饱满、密实及足够的道碴肩宽；在碴肩适当堆高石碴；按规定拧紧钢轨扣件等。在仍不能满足稳定性要求的条件下，可适当提高无缝道岔及区间线路的锁定轨温。 超长无缝线路的铺设和养护 (一) 超长无缝线路的铺设

超长无缝线路的铺设是以单元轨条为一段依次分段焊连施工的。焊连时保证锁定轨温不超限（在设计中和轨温范围）是关键。所以根据施工作业轨温和施工条件一般有两种施工方法，一种叫\连入法\，一种叫\插入法\。

1．连入法：采用连入法施工时，是在一个天窗时间内把要铺设的单元轨条始端用焊接法与前一天铺设的单元轨条终端焊连，铺设时同时焊接同时放散，做到一步到位。也就是说，在认为锁定轨温相符的条件下，新轨引进换轨车龙门之后，换轨车边前进边进行长轨条的始端焊接。这种施工组织难度较大，一般适用于封闭线路铺设和轨温变化不大，与锁定轨温相同的条件。

2．插入法：是在一个天窗内，与铺设普通无缝线路一样，在两单元轨条之间设一根缓冲轨（长度不短于6m）。而在另一个天窗时间取出缓冲轨，插入经计算确定的轨长放散应力，然后进行最终焊接。第二次焊接作业，可以选在正在铺设新轨区间或相邻区间铺设新单元轨条时的同一个天窗内来进行。作业地点间隔以相互施工不发生影响，最好不小于三个单元轨条长。这种施工方法原则上可以任意轨温下铺设，施工难度较小，容易做到温度力均匀，符合设计中和轨温要求。 (二）超长无缝线路的养护

超长无缝线路的基本原理与普通无缝线路相同，因此，普通无缝线路的一切养护维修办法，都适用于超长无缝线路。但超长无缝线路因其轨条特长，也有一些不同于普通无缝线路的特点。

超长无缝线路一经锁定，其锁定状况，因其超长而不易改变。例如，锁定轨温不准、轴向力分布不均时，只能进行局部调整，几乎无法进行整体放散。因此，\锁定轨温要准\对超长无缝线路来说格外重要。为此，必须做好：

1．跟踪监控。大修换轨时，工务段要派遣分管无缝线路的技术人员，对施工中锁定轨温的设置实行跟踪监控。施工单位确定的锁定轨温之依据是否可靠；新轨的入槽轨温和落槽轨温的测定是否准确适时；低温拉伸时，其拉伸温差和拉伸量的核定是否无误，拉伸是否均匀等等，都要认真监视、检查和记录。 2．严格验收。工程验交时，有关记录锁定轨温的资料，必须齐全，同时要一一查对核实，如有疑问必须核查清楚。 3．最终复核。工程验交以后，工务段要对验交区段的轨长表顶进行一次取标测量，去掉可疑点，算出各分段的锁定轨温值。而后将跟踪监控、交验资料、取标测算三方面的情况进行一次最终核查，将查定的锁定轨温作为日后管理的依据。

4．日常监测。在日常管理中，要对爬行观测桩和轨长标定的设标点进行定期观测，并互相核对。如发现两观测桩之间有位移，则进一步对两观测桩之间的设标点进行取标测量，详查发生位移的实际段落所在。核定后进行局部应力调正，使之均匀。

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