长无缝钢轨温度应力研究

北京力学会第18届学术年会论文集：工程应用

长无缝钢轨温度应力研究

安向阳张铮

（北京航空航天大学固体力学研究所，100191）

摘要：随着无缝铁轨在铁路轨道结构中使用的增加，由温度应力导致轨道失稳而产生的脱

轨灾难数量极大的增多。本文就无缝钢轨的温度应力计算在ANSYS软件中进行了杆、梁模

型的简化。杆模型讨论了不同温差、扣件间距、扣件刚度对钢轨温度应力和端头位移的影

响。梁模型讨论了不同扣件间距和刚度对钢轨特征值屈曲的影响。

关键词：无缝铁轨，轨道，温度应力，有限元

一、引言

无缝线路是由普通长度钢轨焊接起来的长钢轨线路，基本取消轨缝。由于气温变化

等因素，钢轨出现热胀冷缩的现象，无缝线路被锁定后，自由伸缩量杯大大限制，造成

无缝线路钢轨内部极大的温度应力，严重影响了轨道的稳定性。

二、模型及结果

2.1 杆模型参数及结果：

用杆或梁单元模拟铁轨，弹簧单元来模拟钢轨和轨枕的扣件连接，扣件弹簧单元X、Y、Z方向的弹性系数分别记为K fx，K fy，K fz，轨枕固定于刚性地基上，如图1。枕轨间

距为500mm，枕轨布置1999根/km，钢轨为60kg/m的T60钢轨。横截面面积为A=77.45cm2,

弹性模量为E=205GPa，其泊松比u=0.3，热膨胀系数为α=1.18×10-5，取扣件弹簧单元

的弹性系数K fz=0.833×104 N/cm（Z方向为铁轨延伸方向，X、Y方向的弹簧刚度对计算

没有影响）。由于杆单元模型计算量小且相对简单，故选择单根钢轨的长度为1000m进

行分析。

图1有限元模型示意图

表1温差变化

温差（︒C）20 30 40 50 60 最大应力（Mpa）47.99 71.99 95.99 119.99 143.99

端部位移（mm） 2.624 3.936 5.247 6.559 7.871 伸长区估计（m）120 128 130 140 150

表2锁定60︒C温差，改变弹簧刚度

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弹簧刚度N/cm 166.6 416.5 833 1666 4165 8330 833000

最大应力（Mpa）144 144 144 144 144 144 144

端部位移（mm）17.4 11 7.87 5.6 3.6 2.6 0.97 伸长区估计（m）280 200 120 110 80 60 20

从表1-2可知，最大应力与端部位移都随温差线性变化，温度每增大10度，最大

温度应力提高24Mpa，伸长区在120m左右，由于构造要求扣件的纵向刚度可探讨的空

间不大。最大温度应力保持不变，但是伸区和端部位移会随扣件刚度反向变化。

表3锁定温差刚度，改变扣件间距

扣件间距（cm）25 40 50 100 250 最大应力（Mpa）143.993 143.993 143.993 143.993 143.993 端部位移（mm） 5.528 7.023 7.781 11.24 18.11 伸缩区估计（m）90-100 100-120 120 200 200以上

比较表2-3可知，在只考虑静力情况下，扣件刚度和间距一定程度上是等效的，即

扣件刚度增加一倍与扣件间距加密一倍对伸长区和端部位移的影响可以认为相同。

2.2 梁模型及其结果

梁模型参数：钢轨选择仍为60kg/m，钢轨侧向刚度为I=524cm4,竖向刚度为I y=3122 cm4，其余参数参见杆模型。

表4三向刚度不同(K fz K fy ,，K fx )

弹簧刚度N/mm 833/833/4165833/1666/4165833/833/8330

一阶屈曲温差（ C）338 338 498

竖向弹簧在防止轨道横向失稳中基本未起作用，因为在铁轨结构中，竖向抗弯刚度

是横向的6倍左右。若横向弹簧的刚度不高于竖向的6倍，失稳就总表现为横向失稳。

三、结论

（1）钢轨中的最大温度应力总是出现在钢轨中间段，且在中间800m左右的区段保

持不变，最大温度应力只与温差呈线性关系，轨端最大位移与扣件刚度、间距和温差有关。

（2）弹簧的横向刚度对对铁轨的稳定性影响最大，也就是说，可以从增加扣件和道

床的横向刚度来增加长无缝钢轨的稳定性，效果明显。

参考文献

1 张朝晖. ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社，2008

2 李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社，2004

3 周宁. ANSYS-APDL高级工程应用实例分析与二次开发[M].北京：中国水利水电出版社，2007

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