兰州枢纽货车北环线无缝道岔设计与检算

郭建喜

(兰州铁道设计院有限公司 线路运输所，甘肃 兰州 730000)

兰州枢纽货车北环线无缝道岔设计与检算

郭建喜

(兰州铁道设计院有限公司 线路运输所，甘肃 兰州 730000)

兰州铁路枢纽货车北环线各方向衔接线路较多，无缝线路设计特别是无缝道岔的设计与检算是其设计难点。强化了无缝道岔的设计，检算了钢轨及各部件的强度、稳定性和位移。结果表明:在各种最不利因素组合下，钢轨强度、转辙器等部件的稳定性、限位器及间隔铁螺栓的强度均可满足要求;尖轨尖端位移较大，在最不利工况下已接近允许限值，因此应严格执行铺设标准，确保无缝道岔的正常使用。

兰州枢纽货车北环线 跨区间无缝线路 无缝道岔 设计检算

1 兰州枢纽货车北环线概述

兰州枢纽货车北环线及其相关工程所在地区为大陆性半干旱气候区，昼夜温差大，降水量少，蒸发量大，七至九月为雨季。根据兰州气象站资料，年极端最高温度达39.8℃，极端最低温度－21.7℃，年平均气温9.5℃，年平均降雨量 319.6 mm，年平均蒸发量1 457.7 mm，年平均风速0.9 m/s，瞬时最大风速为29.5 m/s，最大积雪深度10 cm，最大土壤冻结深度为103 cm。工程范围内地震动峰值加速度为0.20g(相当于地震基本烈度八度)，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

兰州枢纽货车北环线东起陇海线桑园子车站西端，跨黄河设青白石站后，线路向西跨既有包兰线，设大砂坪站，穿仁寿山后在沙井驿设兰州北编组站，再折向南跨黄河至既有石岗车站，出站后线路经疏解后接入既有兰新线，如图1所示。枢纽内新建线路(含改建既有线、联络线等)建筑长度为109.720 1 km(单线长度)，其中货车北环线线路全长40.852 km(双线长度)［1］。

图1 兰州铁路枢纽总布置示意

设计全线铺设无缝线路，采用温度应力式无缝线路，钢轨采用60 kg/m U75V 100 m长无螺栓孔钢轨。基地焊接采用闪光焊，焊接成500 m的长轨条［2］。工地钢轨焊接采用闪光焊先焊接成设计的单元轨节长度，再焊接锁定为跨区间无缝线路。缓冲区采用60 kg/m U75V 25 m长带螺栓孔钢轨。钢轨接头采用10.9级高强度接头螺栓，10级高强度螺母，高强度平垫圈。道床顶面宽度3.4 m，砟肩使用碎石道砟堆高15 cm，堆高道砟的边坡坡率1∶1.75。渗水土及石质路基地段采用单层碎石道床，铺设厚度35 cm;非渗水土地段铺设双层道床，面砟采用30 cm厚碎石道砟，垫层采用20 cm厚中粗砂［3］。

2 兰州枢纽货车北环线跨区间无缝线路道岔区设计与检算

兰州枢纽货车北环线位于兰州市境内，根据兰州气象站资料，最高轨温取当地历年最高气温加20℃，最低轨温取当地最低气温。设计锁定轨温按下式［4］计算。

式中:Te为设计锁定轨温，℃;为最高轨温，℃;Tmin为最低轨温，℃;［ΔTd］为允许温降，℃;［ΔTu］为允许温升，℃;ΔTk为设计锁定轨温修正值，℃。

经检算，设计锁定轨温为(27±5)℃。

2.1 道岔区设计

兰州枢纽货车北环线上共有5个车站，正线铺设SC330及 GLC(07)04道岔［5］，形成跨区间无缝线路。由于这5个车站年轨温差差别不大，可以采用相同的设计锁定轨温，与区间线路相同，取(27±5)℃。

位移观测桩设置示意如图2。图中 A，B，C，D分别表示在道岔的始端和终端、尖轨跟端(或限位器处)、心轨对应位置设置位移观测桩。在每组12号道岔(SC330)的始端和终端、尖轨跟端(或限位器处)分别设置一组钢轨位移观测桩，18号道岔(GLC(07)04)在心轨处加设一组位移观测桩，当两道岔间插入短轨长L＞50 m时，在中间设置位移观测桩，多组焊联道岔的位移观测桩位置与单组道岔基本相同［6］。

图2 位移观测桩设置示意(单位:m)

2.2 检算项目与检算指标

1)基本轨强度

轨道强度可按下式检算

式中:σf为基本轨最大附加应力，MPa;ΔPmax为基本轨最大附加力，N;F为钢轨断面面积，mm2。对于U75V钢轨无缝道岔最大纵向力不能超过1 510 kN［7］。

2)螺栓剪切强度

尖轨跟端、心轨跟端限位器(间隔铁)联接螺栓剪切强度可按下式检算

式中:τ为螺栓剪切强度，MPa;T为限位器(间隔铁)连接螺栓承受的最大剪力，N;d为螺栓直径，mm;［τ］为螺栓允许剪切应力，MPa。

10.9级高强螺栓允许剪切应力可取415 MPa。此外，钢轨螺栓孔、限位器子母块螺栓孔、间隔铁螺栓孔强度，及限位器、间隔铁部件的强度均应在允许范围内。为简化分析，以螺栓强度不超限为控制标准。

3)尖轨、心轨位移

尖轨尖端相对于基本轨的位移可按下式检算

式中:Δlmax为尖轨尖端相对基本轨位移，mm;［Δl'］为尖轨尖端允许相对位移，mm;f0为尖轨跟端位移，mm;α为钢轨钢线膨胀系数，取1.18×10－5/℃;l0为尖轨自由伸缩长度，mm;ΔTmax为最大轨温差，℃;fj为尖轨尖端基本轨位移，mm。

根据《铁路无缝线路设计规范》，尖轨相对于基本轨允许伸缩位移±40 mm，心轨相对于翼轨允许伸缩位移±20 mm。

2.3 计算结果

2.3.1 单组道岔

轨温变化幅度为45℃，考虑与相邻线路的铺设轨温差，道岔直侧股全焊。采用前述计算参数，铺设时限位器子母块间隙取4 mm和10 mm，分别计算出单组道岔钢轨纵向力分布，见图3。

由图3(a)可见，基本轨所承受的最大纵向力为1 143.6 kN，出现在尖轨跟端附近，在钢轨强度允许范围内。尖轨跟端最大位移为8.1 mm，考虑尖轨的自由伸缩位移6.7 mm，尖轨尖端位移为14.8 mm，若再考虑10 mm的钢轨爬行量，仍能满足40 mm的伸缩位移要求。心轨跟端最大位移为3.8 mm，考虑心轨的自由伸缩位移4.1 mm，心轨尖端位移为7.9 mm，若再考虑10 mm的钢轨爬行量，仍能满足20 mm的伸缩位移要求。间隔铁所承受的最大纵向力为144.3 kN，即间隔铁螺栓剪切应力为159.5 MPa，满足高强螺栓剪切强度要求。限位器所承受的最大纵向力为192.5 kN，即限位器螺栓剪切应力为212.8 MPa，满足高强螺栓剪切强度要求。无缝道岔稳定性检算按最高升温幅度45℃计算，最不利情况下稳定性安全系数为1.42，满足安全性要求。

图3 钢轨纵向力分布

由图3(b)可见，基本轨所承受的最大纵向力为1 076.5 kN，出现在尖轨跟端附近，在钢轨强度允许范围内。尖轨跟端最大位移为12.0 mm，考虑尖轨的自由伸缩位移6.7 mm，尖轨尖端位移为18.7 mm，若再考虑10 mm的钢轨爬行量，仍能满足40 mm的伸缩位移要求。心轨跟端最大位移为5.5 mm，考虑心轨的自由伸缩位移4.1 mm，心轨尖端位移为9.6 mm，若再考虑10 mm的钢轨爬行量，仍能满足20 mm的伸缩位移要求。间隔铁所承受的最大纵向力为132.5 kN，即间隔铁螺栓剪切应力为146.4 MPa，满足高强螺栓剪切强度要求。限位器所承受的最大纵向力为18.9 kN，即限位器螺栓剪切应力为20.9 MPa，满足高强螺栓剪切强度要求。无缝道岔稳定性检算按最高升温幅度45℃计算，最不利情况下稳定性安全系数为1.47，满足安全性要求。

2.3.2 道岔组

道岔组检算结果见表1。

表1 道岔各种组合条件下检算结果

由表1可见:①在各种最不利因素组合下，钢轨强度、转辙器稳定性、限位器及间隔铁螺栓强度均可满足要求;②尖轨尖端位移较大，在最不利工况下已接近允许限值，因此应进一步严格铺设标准，确保无缝道岔的正常使用［8-10］。

3 结论与建议

兰州枢纽货车北环线作为兰州铁路枢纽客货分线的组成部分，通过加强道岔区无缝道岔的设计，并检算各薄弱环节是否满足跨区间无缝线路允许温升(温降)要求，保证了道岔结构及转换设备的正常使用，保持了跨区间无缝线路道岔区轨道的稳定性，减少了养护维修量。通过本线的设计和检算得出以下结论和建议:

1)在各种最不利因素组合下，钢轨强度、转辙器稳定性、限位器及间隔铁螺栓强度均可满足要求。

2)应尽可能延长道岔侧股焊接长度，增大接头阻力。

3)无缝道岔尖轨卡阻是最为严重、最易引发安全事故的一种病害，在其它线路上经常发生。应在无缝道岔铺设过程中，严格一些关键的铺设技术条件，如道床纵向阻力、间隔铁及限位器螺栓扭矩、限位器子母块间隙、与相邻轨节的铺设轨温差等。无缝道岔的道床纵向阻力严格达到10 kN/枕以上，限位器子母块严格居中布置，限位器、间隔铁及扣件螺栓扭矩均应达到规定的标准，尽可能与相邻轨节不要存在铺设轨温差。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司．新建铁路兰渝线兰州枢纽初步设计［Z］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009．

［2］陈伟国，高成钢，邹良甫．钢轨闪光焊接头热处理工装和工艺的优化［J］．铁道建筑，2014(11):167-170．

［3］中铁第一勘察设计院集团有限公司．新建铁路兰渝线兰州枢纽施工图(轨道篇)［Z］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

［4］中华人民共和国铁道部．TB 10015—2012 铁路无缝线路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2013．

［5］中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局．GB 50091—2006 铁路车站及枢纽设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2006．

［6］铁道第四勘察设计院．铁路工程设计技术手册:站场与枢纽［M］．北京:中国铁道出版社，2004．

［7］中华人民共和国铁道部．TB 10082—2005 铁路轨道设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［8］练松良．轨道工程［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［9］中华人民共和国铁道部．铁路主要技术政策［Z］．北京:中国铁道出版社，2013．

［10］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］146号 铁路线路修理规则［S］．北京:中国铁道出版社，2006．

U213.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．31

1003-1995(2015)07-0111-04

2015-03-20;

2015-05-10

郭建喜(1982— )，男，宁夏中宁人，工程师。

(责任审编 葛全红)