无缝线路稳定性分析及加强措施

无缝线路稳定性分析及加强措施

无缝线路在钢轨内部巨大的温度力作用下，容易引起轨道的横向变形，在列车动力或人工作业等干扰下，轨道弯曲变形有时会突然增大，这一现象常称为胀轨跑道，在理论上称为丧失稳定。这对列车运行的安全是个极大威胁。无缝线路的稳定性分析主要目的是研究轨道臌曲的发生规律，分析产生轨道臌曲的力学条件和主要影响因素。通过分析这些因素，制定相应的预防措施，提高无缝线路的稳定性。

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一、无缝线路稳定性影响因素

1.道床横向阻力对无缝线路稳定性的影响

道床的约束阻力主要受到维修的扰动和其他原因的影响而发生改变。道床纵向阻力系指道床抵抗軌道框架纵向位移的阻力。它是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。道床抵抗轨道框架纵向阻力的位移是由轨道与道床的摩阻力和枕木盒内道碴抗推力组成的。道床横向分布阻力是指道床抵抗轨道框架的横向阻力。它是防止胀轨跑道，保持轨道稳定的重要原因。道床横向阻力是由轨道两侧及底部与道碴接触面之间的摩阻力和轨枕端头阻止横移的阻力组成。道床横向阻力对于无缝线路横向稳定性的影响很敏感，是保持无缝线路稳定的主要因素。有关资料结果表明，保持轨道的稳定性，道床横向阻力起65%的作用。道床的饱满程度，道床肩宽，道床肩部堆高，道砟种类及粒径尺寸，线路维修作业影响，行车条件和轨枕类型是影响道床横向阻力的主要因素[1]。

在无缝线路轨道沉降段，由于路基沉降引起轨枕和道床接触减小，道床横向阻力降低。由“统一公式”，道床横向阻力减小，即等效道床阻力Q值降低，轨道允许温度力[P]降低，无缝线路稳定性减低[2]。

由不等波长稳定性计算公式，初始道床横向阻力降低，无缝线路处于平衡状态的温度力降低，稳定性降低。

即沉降段中，由于道床横向阻力的降低，无缝线路稳定性降低。

2.轨道框架刚度对无缝线路稳定性影响

轨道框架刚度在水平面内等于两股钢轨的水平刚刚度（即横向刚度）以及钢轨与钢轨结点间的扣件阻矩之和。两股钢轨水平面内的刚度之和（为一根钢轨对竖直轴的惯性矩）。本文中采用的是单根钢轨模型计算分析，轨道框架远比实际情况小，但不影响其他因素的分析。

由“统一公式”和不等波长公式可知，钢架刚度EI直接影响值容许温度压力

[P]的大小。因此，增大轨道框架刚度有利于无缝线路稳定性的提升。

3.轨道初始不平顺对无缝线路稳定性影响

3.1初始弯曲是影响轨道稳定性的直接原因，胀轨跑道一般都发生在轨道的初始弯曲处。

初始弯曲一般可分为弹性初始弯曲和塑性初始弯曲。塑性初始弯曲矢度约占总初始弯曲矢度58%。

通过统一无缝线路稳定性计算公式分析初始弯曲对无缝线路稳定性的影响。分析在初始弹性弯曲矢度为0.3cm，重载无缝线路曲线半径800m，轨道等效道床值84N/cm。改变初始塑性弯曲矢度，计算得到无缝线路容许温度压力。塑性初始弯曲矢度与容许温度压力的曲线关系如图3.1.1所示。

图1塑性初始弯曲与容许温度压力关系曲线

由计算可得，随着塑性初始弯曲矢度的增大，无缝线路容许温度压力逐渐减小，即线路稳定性降低。所以要提高无缝线路的稳定性就要控制钢轨的初始弯曲，提高钢轨在制造过程的工艺，保证在制造、运输过程中的平顺。

3.2 沉降段无缝线路稳定性分析和加强措施

在重载无缝线路中，沉降多发生在病害较多的路桥过渡段处。由于桥上和路基上轨道的轨下支承条件不同，其轨下基础乃至轨道整体刚度及其变形就不会相同，致使路桥连接部分产生不均匀沉降等现象。在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，提高无缝线路稳定性，保证列车安全，达到平稳、舒适运行的目的[3，4]。

朔黄铁路昼夜温差变化较大，因此需要我们特别注意线路的稳定性问题，需要采取多种措施来保证线路的稳定性。无缝线路除了要承受的温度力和列车荷载外，还要承受桥梁、道岔等结构物体等所产生的附加力。因为长轨经历的线路、气候和环境条件变化大，承受的轨温变化幅度不相同，温度力分布也会不均匀。因此保持无缝线路稳定应该预防为主。

路桥过渡段由于桥墩与路基之间的刚度差异，造成在列车荷载下路基沉降[5]，路桥过渡段稳定性分析对于重载铁路无缝线路至关重要。

沉降差对无缝线路稳定性的影响：

根据所建的ANSYS有限元模型计算结果，不同沉降差对无缝线路纵向力值的大小影响如图2所示。

图2不同沉降差下纵向力变化曲线

由图可得，在正常情况下，轨道未发生沉降，轨道纵向阻力逐渐减小，传递到道床路基上；一旦发生沉降，导致道床纵向阻力减小引起钢轨纵向力的重分布。

由计算结果得，沉降差导致无缝线路的纵向力增大，沉降差越大，纵向力相对越大。这对无缝线路的稳定性是不利的，沉降差越大，在较高纵向力的作用下，无缝线路有可能发生胀轨跑道等失稳问题。

沉降段长度对无缝线路稳定性的影响：

根据所建的ANSYS有限元模型计算结果，不同沉降段长度对无缝线路纵向力值的大小影响如图3所示。

图3不同沉降段长度纵向力变化曲线

当沉降段长度越长时，纵向力相对较大，使得无缝线路越趋于不稳定状态，使无缝线路发生失稳的情况可能发生，对无缝线路的安全运行不利。

即沉降长度影响路桥过渡段无缝线路稳定性，沉降段越长，路桥过渡段稳定性越差。对于以上两类沉降情况，由计算结果此可见，相同的温度力作用下，沉降使得钢轨纵向力增加。当钢轨纵向力增加的时候，由稳定性理论，温度压力越大，无缝线路越趋于不稳定，且压力随着轨道沉降的增加而增加，随沉降度长度增长。即不均匀沉降越大，无缝线路稳定性越低；沉降度长度越长，无缝线路稳定性越低。對于更为严重的轨枕完全空吊情况，轨枕完全失效，钢轨纵向力相对增大，并且此时道床横向阻力为0，在这种情况下极易发生无缝线路的失稳。所以要防止这样严重病害的产生。

三、结语

由以上的稳定性分析可知，无缝线路稳定性影响因素主要包括四个：温度力、轨道不平顺、道床阻力、框架刚度。

1.对于温度力，选择适合的锁定轨温，使轨道的升温、降温幅度在满足轨道稳定性范围之内。在轨道的设计和维护过程中，重视轨温的变化，维持无缝线路的稳定性。

2.轨道不平顺有曲线半径、初始弯曲矢度等。曲线半径越小，无缝线路容许温度压力越小，轨道稳定性越差。因此，在路基沉降段要控制轨道的曲线半径，特别是在路桥过渡段中，最好使用直线的过渡段，以增强轨道稳定性。

3.道床阻力是控制线路稳定性的主要因素。沉降对于线路的稳定性危害极大，在沉降段的道床横纵向阻力均减小，无缝线路稳定性降低。