重载铁路轨道结构

重载铁路因其极高的运输效率以及可观的利润前景，而受到各国的重视，线路及轨道问题特别是在幅员辽阔、资源丰富、煤炭、矿石等大宗货物运量占较大比重的工业发达国家和发展中国家, 得到迅速发展。

（一）国外以及国内重载轨道结构现状及不足
1、国外重载铁路轨道结构
在国外，充分利用既有站线长度，尽可能提高轴重是重载技术的发展趋势，而研究并采用新型重载轨道结构是实现这一目标的主要途径。

目前对于新型重载轨道结构的运用主要表现在以下方面[1][2][3]：
（1）新型轨道结构美国、加拿大、澳大利亚、南非等国家在重载线路上均采用无缝线路，提高重载列车运行平稳性，减少对线路的动力作用。

一系列新型轨道结构，包括无碴轨道，梯形轨道都在美国普韦布洛环线上进行大运量试验，考核其安全性及可靠性，以利于在重载线路上推广采用。

（2）采用可动心轨道岔及其他新型道岔美国、加拿大、南非、澳大利亚、巴西等国家在重载线路上正在普及采用可动心轨道岔及新型菱形辙叉，有利于减少线路道岔区间的动力作用，提高可靠性。

据美国2004 年试验证明，新型的菱形辙叉替代旧有的辙叉，使重载列车对线路的动载荷系数从3.0 降至1.3，全美国由于采用新型菱形辙叉，节省维修费用1 亿美元。

各种新型缓冲式轨下垫板正在普韦布洛环行线上进行试验比较。

（3）研究开发耐磨、防表面裂纹、防轨内裂纹的新型钢轨研究开发耐磨、防表面裂纹、美国已经针对重载线路最经常现的钢轨表面裂纹，轨内裂纹故障进行大量的研究试验，目前已经开发一种新型HE 型钢轨(Hyper Eutectold)，具有耐磨，抗表面裂纹及轨内裂纹生成的特殊性能。

在现场试铺证明，这种钢轨在曲线地段比普通的钢轨耐磨性提高38%。

俄罗斯研究的巴氏钢轨也取得较好的结果。

其主经指标Rm=1600N/m2，Rp0.2=1270N/m2，Kcu20=0.35～0.40MJ/m2，Kcu-60=0.26～0.30MJ/m2。

（4）采用铝热焊新技术无缝钢轨的焊接接头是重载线路的薄弱环节，经常发生焊接接头断裂事故。

法国已研发一套新型的铝热焊技术装备，保证接头部分的材质强度比钢轨母体还好。

（5）车轮与钢轨接触区得几何特性、以及走形表面打磨对于钢轨疲劳缺陷[]的发展速率有很大影响。

在涂油的钢轨上，轨头的打磨和油的质量对钢轨的侧磨会产生很大的影响。

在相当的养护维修和适当的涂油水平下，高强度钢轨比以前试验用的钢轨具有更长的使用寿命。

（6）轨枕采用混凝土宽枕或预应力混凝土枕，发展新的大面积形式，提高纵横向阻力，增大道床支承面积，减轻道床荷载，有利于道床稳定和减少维修。

2、国内重载铁路轨道结构[4]
在我国，以大秦线建设为契机，科研人员开展了一些重载铁路相关的研究项目，例如：铁科院的轨道动力实验室也曾进行过21、23吨周重对轨道、道岔的室内试验。

铁道部于2004年12月对大秦线进行了两次综合试验，成功实现了2万吨重载运输。

2005年铁道部科技司项目“25t轴重万吨重载列车对轨道、桥梁动力作用及对策的研究”。

大秦线全长653km，是一条电气化运煤专线铁路。

设计采用60km/m钢轨、有缝线路，1840根/m的Ⅱ型钢筋混凝土轨枕，Ⅱ级道砟道床。

1998年开始进行包括无缝线路等措施的轨道强化工作，2002年底，除二期区段道岔未更换实施焊接外，大秦下行线即重车线全部换铺75km/m钢轨超长无缝线路。

大秦线的轨
道结构如下所示：
钢轨：重车线75km/m钢轨（PD3钢轨为主，部分PD2钢轨、稀土轨），跨区间无缝线路（辙叉前后接头采用冻结）；轻车线60kg/m钢轨（U71Mn），有缝线路。

轨枕：以Ⅱ型枕为主，铺设948.4km，Ⅲ型枕铺设59.2km，26座隧道内铺设轨枕板110.6km，混凝土桥枕120.5km，另铺设少量Ⅰ型枕。

扣件：Ⅱ型弹条扣件337.6km，Ⅰ型弹条扣件917.3km。

道床：碎石道床，石灰岩与玄武岩混砟道床。

重车线铺设75kg/m道岔132组（大秦一期重车线贯通），铺设60kg/m道岔104组：轻车线铺设60kg/m道岔204组。

相比国外重载技术的发展，我国略显落后。

截止2002年，国外重载铁路最大轴重已达35.7t，正在积极研究39t轴重的可行性。

美国、加拿大、澳澳大利亚等国家的重载铁路轴重普遍达32.5t至35.7t；瑞典、巴西的重载列车轴重已提高到30t。

截止2008年，世界货车轴重的发展又有了新的篇章，最新的资料表明，澳大利亚BHP公司重载铁路的平均轴重已经达到40t。

列车牵引质量也已经向10万t铁矿石的重载单元列车试验买进。

在大秦线25万t轴重成熟使用中，出现了一系列国内独特的关于轨道结构的问题，主要表现为[5][6]：
(1)轨道大修周期太短。

轨道大修周期主要取决于钢轨的安全疲劳寿命。

由于列车重量大幅度增加，行车密度进一步提高，在客货混运的繁忙干线上，旅客列车的运行速度也在不断提高，线路的年通过总重越来越大，钢轨寿命无法达到所希望的年限。

因此, 弄清提高轴重和速度对钢轨安全疲劳寿命的影响, 是我国制订“发展大型货车”和“提高行车速度”等技术经济政策时必须解决的问题。

(2)对轨面擦伤, 钢轨接头等薄弱环节, 由于出现轮轨冲击, 加大了轨道各部件的应力和振动。

不仅大大增加了这些部位的养护维修工作量, 甚至会由于超应力而造成部件折损。

因此, 轴重和速度的提高对这些部位的轮轨冲击及其危害, 也应在制订有关技术经济决策时予以考虑。

综合我国轴重较低和运营出现的问题，可以得知我国需要研究更高轴重的重载技术以及根据国内具体情况设计更合理的轨道结构，来适应重载运输的需求。

（二）铁路轨道结构静、动力学特性研究现状及不足
1、轨道结构的静力学研究
以弹性基础上无限长梁支承方式的不同，可分为两种计算模型：
（1）连续弹性支承梁模型
1867年，Winkler提出了将轨道视为连续弹性基础上的无限长梁理论，20世纪30年代，美国学者A.Zimmermann、A.N.Talbot对该理论进行了进一步的发展与完善，使其成为轨道结构承载能力计算得经典理论[7]。

此后日本学者小野一郎根据钢轨实际支承情况提出了连续弹性点支承梁理论，这一理论假设更接近实际的钢轨支承情况，计算结果比较合理，同样成为了轨道结构静力分析的重要理论，尽管连续基础梁理论及连续弹性点支承梁理论具有不同的假设条件，但由于钢轨实际支承情况既不是连续支承也不是连续点支承，而是介于两者之间，因此两种理论均是实际情况的近似，两种理论的计算结果差异也不大。

（2）弹性点支承梁模型
从20世纪60年代开始，首先爱林顿提出了应用差分法求解弹性点支承无限长梁问题，到70年代，谢天辅[]系统地研究了弹性点支承无限长梁的静力计算问题，并在1979年制定了铁路轨道强度计算方法和数表。

曾树谷等[5]根据大量
现场实测资料分析认为，轨下垫层、道床路基整体进行了非线性分析。

刘尚文[8]研究了非线性弹性点支承连续梁的静力计算问题，邢书珍[9]针对新型轨下垫板与扣件装配体系的特点，提出了双向非线性弹性点支承梁静力计算模型，而Torby 采用有限元方法，对钢轨、轨枕、道床、路基整体进行了非线性分析。

整个轨道结构的计算包括以下过程：首先计算出轨道的受力，再计算轨枕的受力，最后分析道床及道床的受力情况。

轨道的受力按上述两种方法之一进行计算，然后按弹性理论或扩散角方法或Odmark理论[10]来进行计算包括道床和基床在内的多层系统受力情况。

Ching.S.Chang，etal.[11]总结以前轨道模型，并针对轨道的活载反应和永久变形提出了Geotrack计算模型；Kuang-Han Chu[12]提出了Kuang-Han Chu轨道模型，这是两个有代表性的静力模型，但不能满足动力分析的需要。

2、轨道结构的动力学研究
轨道结构是一个离散的系统，考察轨道结构的性能首先必须了解各部件的性能；同时，轨道结构又是一个大系统，其强烈的非线性特性要求试验条件必须与实际状况相接近。

建立部件试验装置与模拟轨道结构实际尺寸与条件的实尺试验系统进行试验，同时在试验基础上，应用识别的参数，进行仿真计算。

将仿真结果与实测结果相拟合，然后通过仿真计算，研究没有试验的其他因素对轨道的影响。

这样，就可以得到可靠的仿真结论[13]。

在仿真计算中，最关键的内容是轮轨相互关系。

为此需要建立合理的轮轨关系模型。

20世纪70年代之前，针对铁道车辆和轨道系统动力学与振动问题一直是分开进行的，并形成了车辆动力学、轨道动力学两个相对独立的学科领域。

直到英国Derby铁路试验中心首次将机车车辆与轨道的相互作用关系引入模型，并以轨道不平顺作为系统激励源进行分析[14][15]，这标志着轮轨作用力研究进入了新阶段。

1972年，Lyon和Jenkins等人建立了轮轨动力作用分析的基本模型，并首次研究了车辆与轨道基本参数对轮轨动力作用的影响[16]。

1979年，Newton 和Clark对Lyon和Jenkins所建立的模型作了局部修改，即以Timoshenko梁代替Euler梁来模拟钢轨，并在这一模型的基础上研究了车轮踏面擦伤对轨道的动力作用[17]。

1982年，Clark等为研究车辆在破浪形磨耗钢轨上行驶的动态效应，采用了弹性点支承连续梁模拟轨道，并单独考虑了轨枕振动的影响，使模拟更趋于实际[18]。

与此同时，国内的一些研究工作者也对轮轨系统动力学进行了一系列的深入研究。

如国内的李定清、李克奇、陈道兴、杨少文、王澜等学者，分别对轨道接头区轮轨动力效应、道床振动、轨道结构减振措施、非线性轮轨动力效应、轨道动力响应、轨道结构随机振动理论等方面进行了深入的研究[19][20][21][22][23]。

1990年，西南交通大学的翟婉明开始将车辆和轨道系统作为一个相互耦合的整体系统开展了车辆-轨道耦合动力学的理论研究，从车辆-轨道这一相互作用的整体系统来研究轮轨动力作用问题[24]。

同时，国内其他铁路科研单位及研究人员陆续开展了大量关于车辆-轨道耦合动力学领域的理论与应用研究。

但这些研究对道床参振影响的考虑较少。

参考文献：
[1]钱立新.国际铁路重载技术发展水平.铁道运输与经济，2003,25（8）
[2]钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展. 中国贴到科学,2003,24（3）
[3]Frank Richter.美国铁路重载运输.国外铁道车辆，2006（5）：1-5
[4]常卫华. 30吨轴重重载铁路轨道结构力学特性研究.北京交通大学【硕士】，2009，06
[5]曾树谷. 重载轨道结构的动力试验.铁道学报.1998,10
[6]杨德修. 重载铁路运输轨道结构面临的主要问题及强化措施. 铁道标准设计,2005(12)
[7]陈秀方.轨道工程.北京：中国建筑工业出版社，2005
[8]刘尚文.非线性弹性点支承连续梁的计算.北京：铁道科学技术研究院，1981
[9]邢书珍.铁道轨道强度计算得新方法.铁道学报，1985,7（1）
[10]Kerr A.D.著.上海铁道学院译.轨道力学及轨道工程.中国铁路出版社，北京，1983
[11]ChingS.Chang etal.Geotrack model for railway track performace.J.of Geo.Engrg.Div.ASCE,1980.106(11)
[12]Kuang-Han Chu etal.Track foundation stresses under vertical loading.Rail Internation,1997
[13]赵国堂. 轨道结构综合试验技术及其应用.铁道工程学报，1997,3
[14]Lyon D.The calculation of track forces due to dipped Rail joints, wheel flats and Rail welds. The Second ORE Colloquium on Technical Computer Programs,1972 [15]Jenkins H H etal.The effect of track and vehicle parameters on wheel/Rail vertical dynamic forces.Railway Engineering Journal,1974,3(1)
[16]何设猛，娄平，刘永存.轨道左右不对称的车辆-轨道系统动力响应，石家庄铁道学院报（自然科学版），2008年03期
[17]Newton S G,Clark R A.An investigation into the dynamic effects on the track of wheel flats on Railway vehicles.Journal of Mechanical Engineering Science,1979,21(4)
[18] Clark R A,Dean P A,Elkins J& Newton S G. An investigation into the dynamic effects of Railway vehicle running on corrugated Rail.Journal of Mechanical Engineering Science,1982,24(2)
[19]李定清.轨道接头区轮轨动力效应研究.长沙铁道学院学报，1985年04期
[20]罗克奇，王远清，赵方民.铁道道床振动计算和试验，长沙铁道学院学报，1986年02
[21]陈道兴.非线性轮轨动力效应的研究，铁道科学研究院【博士】，1986
[22]杨少文.轨道动力响应及其模拟试验研究，铁道学报，1988年01期
[23]王澜.轨道结构随机振动理论及在轨道结构减振研究中的应用，中国铁道科学，1989年02期
[24]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学（第二版）.中国铁道出版社，北京，2001。