第三章 无缝线路

第三章无缝线路第一节概述一、铺设无缝线路的意义普通线路是由标准长度的钢轨（长度为12.5m或25m）利用接头联接零件联接而成的，线路上存在着大量的钢轨接头。

钢轨接头是铁路线路的薄弱环节，接头的存在不仅加剧列车通过时对线路产生的冲击和振动，促使道床板结、溜坍，混凝土轨枕破裂损坏，使接头处线路产生较严重的病害，而且还会加剧线路的爬行，降低钢轨和机车车辆的使用寿命，影响行车的速度和平稳性，并产生振动和噪音，使旅客感觉不舒适。

另外，大量的接头需消耗大量的接头零部件，为整治接头病害还将大大增加线路的养护维修工作量和养护维修费用。

随着轴重、运量和行车速度的不断增长，普通线路的上述缺点更为突出。

实践统计表明，列车对钢轨接头的冲击力比对非接头区的冲击力大3倍以上。

在普通线路上，接头的养护维修费用约占全部养护维修费用的35％～50％，钢轨由于轨端损坏而需更换的数量也较因其他部位损坏而需更换的数量多2～3倍。

显然，从根本上消除钢轨接头，对列车运行、旅客的舒适条件和线路的养护维修等方面均极为有利，无缝线路也因此而迅速发展起来。

所谓无缝线路，就是把标准长度的钢轨一根一根地焊接成具有相当长度的长钢轨（我国铁路规定不短于200m）用以代替标准钢轨而铺设的线路。

与普通线路相比，无缝线路在很大程度上消灭了钢轨接头，减少了列车对轨道的动力冲击和振动作用，因而具有行车平稳、噪音低、减少材料消耗、降低养护维修费用、延长维修周期、延长线路设备和机车车辆的使用寿命、减少行车阻力等优点，能适应高速行车的需要，有利于发展高速、重载铁路。

无缝铁路作为一种先进的轨道结构形式，是铁路轨道结构发展的方向之一。

早在二十世纪二十年代，国外就已经开始铺设无缝线路。

我国从1957年开始试铺无缝线路，随着铺设技术的日趋完善，特别是全区间和跨区间无缝线路铺设技术的不断成熟，近几年来，无缝线路的铺设进程明显加快，到目前为止，我国铁路已铺设无缝线路约3万多公里，占正线延展长度的40％以上，并将继续得到大力发展。

二、无缝线路的分类无缝线路按处理长钢轨内部因轨温变化而引起的温度应力方式的不同，分为温度应力式和放散温度应力式两种类型；按长轨节的长度不同可分为普通无缝线路、全区间无缝线路和跨区间无缝线路等三种。

温度应力式无缝线路，每股由焊接长钢轨及两端2～4根标准轨（或厂制缩短轨）组成，长钢轨两端的接头采用普通接头型式。

这种型式的无缝线路铺设锁定后，由于钢轨不能随轨温变化而自由伸缩，因而在钢轨内部产生一个应力，称为温度应力，温度应力的大小随轨温变化而变化，因此叫做温度应力式无缝线路。

长钢轨随轨温变化而引起的伸缩受到接头阻力和钢轨基础部分阻力的约束，在长钢轨中间一定长度的一段钢轨的伸缩完全被阻力所阻止，不因轨温的变化而伸缩，称为无缝线路的固定区；在长钢轨的两端，当钢轨内部的温度力大于接头所能提供的最大阻力后，将有一段钢轨发生伸缩，当轨温变化幅度达到最大时，这段发生伸缩的钢轨长度也将达到最大，长钢轨两端可能发生伸缩的这个范围，称为无缝线路的伸缩区；两根长钢轨之间铺设的2～4根标准轨（或厂制缩短轨）地段，它的主要作用是调节轨缝、应力放散时调换调节轨、设置绝缘接头，以及作为与道岔连接的过渡段等，称为无缝线路的缓冲区。

温度应力式无缝线路结构简单，不需要特殊设备，铺设和养护维修方便，是一种比较好的无缝线路结构型式，被广泛采用。

我国已铺设的无缝线路，除特大桥梁的个别梁跨外，均为温度应力式无缝线路。

放散温度应力式无缝线路适用于年最高和最低轨温差较大的地区，根据温度应力放散方法的不同，可分为自动放散式和定期放散式两种。

自动放散温度应力式无缝线路，是在焊接长钢轨两端设置钢轨伸缩调节器（即尖轨接头），使长钢轨能随着轨温的变化而伸缩，随时将温度应力释放。

在温差较大的地区和特大桥上，为了消除或减少钢轨内部的温度力和尽量消除桥梁伸缩附加力的影响，可采用这种型式的无缝线路。

定期放散温度应力式无缝线路，其结构型式与温度应力式无缝线路相同。

它是根据当地轨温条件，在每年春、秋两季的适当轨温条件下，把长钢轨内部的温度应力进行放散。

放散时，松开焊接长钢轨的全部扣件和钢轨接头，使它自由伸缩，从而放散内部温度应力，利用更换缓冲区不同长度调节轨的办法，保持必要的轨缝。

这种形式的无缝线路曾在我国年轨温差较大的地区试用，但由于放散作业工程量较大，且作业不便，每次放散应力时需耗费大量的人力物力，故目前已不使用。

现今世界各国主要采用的是温度应力式无缝线路，因此本章将主要介绍温度应力式无缝线路的有关知识。

普通无缝线路是指长轨节的长度为1000～2000m的无缝线路；全区间无缝线路是指不跨越车站只跨越闭塞分区，整个区间用一根长钢轨联结的无缝线路；跨区间无缝线路也称超长无缝线路，是指轨节长度跨越车站道岔并贯穿区间的无缝线路。

三、长钢轨的焊接无缝线路上铺设的长钢轨，是由标准长度的钢轨焊接而成的，长钢轨的焊接质量将直接关系到无缝线路能否达到规定的设计强度。

现代焊接技术的发展（如采用接触焊接技术等），已能使钢轨焊接接头的力学性能基本上和钢轨母材相同。

目前，我国主要采用的长钢轨焊接方法是，将轨端不钻孔的25m标准轨，在焊轨厂用接触焊（也叫电阻焊）或气压焊，焊接成200～500m的长度，然后用长钢轨专运列车将其运到铺设地点，再用小型气压焊或铝热焊把钢轨焊接成设计长度，最后选择适当的轨温条件，把它换铺到轨道上，并借助于拧紧接头夹板螺栓、上紧中间扣件和打紧防爬设备等，把长钢轨固定在线路上（即锁定线路），完成无缝线路的铺设。

第二节无缝线路基本原理一、钢轨内的温度应力和温度力无缝线路铺设后，随着轨温的变化，长钢轨由于热胀冷缩不能实现，因而在其内部产生应力，称为温度应力，特别是在轨温很高或很低时，钢轨内将产生巨大的温度应力。

对整个钢轨断面而言，由轨温变化而产生的力，相应地称为温度力。

（一）钢轨的自由伸缩量一根不受任何限制可以自由伸缩的钢轨，当轨温变化时，其自由伸缩量可按下式计算：α∆l·L·t∆（3-1）=式中：l∆——钢轨的自由伸缩量（mm）；α——钢轨的线膨胀系数，α=0.0118mm/m℃，即每米长的钢轨，当轨温变化1℃时，钢轨将伸缩0.0118mm；L——钢轨长度（m）；t∆——轨温变化幅度（℃）。

【例3-1】若钢轨长度为 1000m，轨温变化为 20℃，则其自由伸缩量为：l∆=0.0118×1000×20=236（mm）可见，长钢轨的自由伸缩量是相当大的。

（二）温度应力和温度力如果长钢轨被完全锁定，不能随轨温变化而伸缩，则随着轨温的变化，在钢轨内部将产生温度应力。

根据虎克定律，在一股钢轨上产生的温度应力为：E t =σ·E t =ε·Ll ∆ 将α=∆l ·L ·t ∆代入上式得： E t =σ·t E LtL ∆=∆αα （3-2）式中 t σ——钢轨内部产生的温度应力（N/cm 2）； E ——钢的弹性模量，E =2.1×107（N/cm 2）；t ε——钢轨的温度应变（轨温变化时钢轨未能实现的长度变化率）。

将E 、α的数值代入式（3-2）得：t σ=t t ∆=∆⨯⨯⨯-8.247108.11101.267（N/cm 2） （3-3）相应地，整个钢轨断面所承受的温度力为t t P σ=·F =247.8t F ∆ （N ） （3-4） 式中： t P ——温度力（N ）；F ——钢轨断面面积（cm 2）。

对于75、60、50、43kg/m 的标准钢轨，其断面面积分别为95.04、77.45、65.8、57.Ocm 2。

【例3-2】60kg/m 钢轨无缝线路，F =77.45cm 2，线路锁定后，轨温每升降l ℃时，在钢轨内部产生的温度应力和温度力分别为：t σ=247.8×1=247.8（N/cm 2）t P =247.8×1×77.45≈19192（N ）即 60kg/m 长钢轨铺设锁定后，轨温升（或降）1℃时，一股钢轨上将承受19192N 的温度力，若轨温变化较大，则钢轨承受的温度力将更大。

由此可见，长钢轨内部承受巨大的温变力，这是温度应力式无缝线路区别于普通线路的一个重要特征，也是在无缝线路设计、施工及养护维修工作中必须考虑的一个特殊问题。

不同类型的长钢轨轨温变化1℃时钢轨内部的温度力值见表3-1。

表3－1 轨温变化l℃时钢轨内部产生的温度力值表3－1 轨温变化l℃时钢轨内部产生的温度力值从式（3－3）、（3－4）可以看出，无缝线路长钢轨锁定后，随着轨温的变化，钢轨内部所承受的温度应力和温度力与轨温变化幅度t∆成正比，而与钢轨的长度L无关。

也就是说，不同类型的长钢轨只要轨温变化幅度相同，不论长短，在其内部产生的温度应力是一样的；对于同一类型不同长度的钢轨，如果轨温变化幅度相同，那么其内部所承受的温度力大小是一样的。

根据这个道理，从理论上讲，无缝线路焊接长钢轨的长度可以任意长，而不会影响其内部的温度应力值，这就是无缝线路得以铺设的主要理论依据。

考虑到施工及管理技术的限制，长钢轨的长度也不能太长，我国普通无缝线路长钢轨的长度一般以一个闭塞分区长度来考虑，采用1000～2000m。

为便于锁定线路和进行养护维修，以及充分体现无缝线路的优越性，我国铁路规定，无缝线路焊接长钢轨的长度不应短于200m，特殊地段不应短于150m。

随着无缝线路铺设技术的不断完善和胶结绝缘接头的推广应用，为最大限度地减少钢轨接头，无缝线路长钢轨的长度正在向超长发展，目前我国最长的长钢轨铺设在沪（上海）宁（南京）线上，长度达303km。

从式（3－3）、（3－4）可以看出，无缝线路长钢轨锁定后，随着轨温的变化，钢轨内部所承受的温度应力和温度力与轨温变化幅度t∆成正比，而与钢轨的长度L无关。

也就是说，不同类型的长钢轨只要轨温变化幅度相同，不论长短，在其内部产生的温度应力是一样的；对于同一类型不同长度的钢轨，如果轨温变化幅度相同，那么其内部所承受的温度力大小是一样的。

根据这个道理，从理论上讲，无缝线路焊接长钢轨的长度可以任意长，而不会影响其内部的温度应力值，这就是无缝线路得以铺设的主要理论依据。

考虑到施工及管理技术的限制，长钢轨的长度也不能太长，我国普通无缝线路长钢轨的长度一般以一个闭塞分区长度来考虑，采用1000～2000m。

为便于锁定线路和进行养护维修，以及充分体现无缝线路的优越性，我国铁路规定，无缝线路焊接长钢轨的长度不应短于200m，特殊地段不应短于150m。

随着无缝线路铺设技术的不断完善和胶结绝缘接头的推广应用，为最大限度地减少钢轨接头，无缝线路长钢轨的长度正在向超长发展，目前我国最长的长钢轨铺设在沪（上海）宁（南京）线上，长度达303km。