蘭州樞紐貨車北環(huán)線無縫道岔設(shè)計(jì)與檢算

郭建喜

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司 線路運(yùn)輸所，甘肅 蘭州 730000)

蘭州樞紐貨車北環(huán)線無縫道岔設(shè)計(jì)與檢算

郭建喜

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司 線路運(yùn)輸所，甘肅 蘭州 730000)

蘭州鐵路樞紐貨車北環(huán)線各方向銜接線路較多，無縫線路設(shè)計(jì)特別是無縫道岔的設(shè)計(jì)與檢算是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)。強(qiáng)化了無縫道岔的設(shè)計(jì)，檢算了鋼軌及各部件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和位移。結(jié)果表明:在各種最不利因素組合下，鋼軌強(qiáng)度、轉(zhuǎn)轍器等部件的穩(wěn)定性、限位器及間隔鐵螺栓的強(qiáng)度均可滿足要求;尖軌尖端位移較大，在最不利工況下已接近允許限值，因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保無縫道岔的正常使用。

蘭州樞紐貨車北環(huán)線 跨區(qū)間無縫線路 無縫道岔 設(shè)計(jì)檢算

1 蘭州樞紐貨車北環(huán)線概述

蘭州樞紐貨車北環(huán)線及其相關(guān)工程所在地區(qū)為大陸性半干旱氣候區(qū)，晝夜溫差大，降水量少，蒸發(fā)量大，七至九月為雨季。根據(jù)蘭州氣象站資料，年極端最高溫度達(dá)39.8℃，極端最低溫度－21.7℃，年平均氣溫9.5℃，年平均降雨量 319.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 457.7 mm，年平均風(fēng)速0.9 m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速為29.5 m/s，最大積雪深度10 cm，最大土壤凍結(jié)深度為103 cm。工程范圍內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度八度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

蘭州樞紐貨車北環(huán)線東起隴海線桑園子車站西端，跨黃河設(shè)青白石站后，線路向西跨既有包蘭線，設(shè)大砂坪站，穿仁壽山后在沙井驛設(shè)蘭州北編組站，再折向南跨黃河至既有石崗車站，出站后線路經(jīng)疏解后接入既有蘭新線，如圖1所示。樞紐內(nèi)新建線路(含改建既有線、聯(lián)絡(luò)線等)建筑長(zhǎng)度為109.720 1 km(單線長(zhǎng)度)，其中貨車北環(huán)線線路全長(zhǎng)40.852 km(雙線長(zhǎng)度)［1］。

圖1 蘭州鐵路樞紐總布置示意

設(shè)計(jì)全線鋪設(shè)無縫線路，采用溫度應(yīng)力式無縫線路，鋼軌采用60 kg/m U75V 100 m長(zhǎng)無螺栓孔鋼軌。基地焊接采用閃光焊，焊接成500 m的長(zhǎng)軌條［2］。工地鋼軌焊接采用閃光焊先焊接成設(shè)計(jì)的單元軌節(jié)長(zhǎng)度，再焊接鎖定為跨區(qū)間無縫線路。緩沖區(qū)采用60 kg/m U75V 25 m長(zhǎng)帶螺栓孔鋼軌。鋼軌接頭采用10.9級(jí)高強(qiáng)度接頭螺栓，10級(jí)高強(qiáng)度螺母，高強(qiáng)度平墊圈。道床頂面寬度3.4 m，砟肩使用碎石道砟堆高15 cm，堆高道砟的邊坡坡率1∶1.75。滲水土及石質(zhì)路基地段采用單層碎石道床，鋪設(shè)厚度35 cm;非滲水土地段鋪設(shè)雙層道床，面砟采用30 cm厚碎石道砟，墊層采用20 cm厚中粗砂［3］。

2 蘭州樞紐貨車北環(huán)線跨區(qū)間無縫線路道岔區(qū)設(shè)計(jì)與檢算

蘭州樞紐貨車北環(huán)線位于蘭州市境內(nèi)，根據(jù)蘭州氣象站資料，最高軌溫取當(dāng)?shù)貧v年最高氣溫加20℃，最低軌溫取當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁?。設(shè)計(jì)鎖定軌溫按下式［4］計(jì)算。

式中:Te為設(shè)計(jì)鎖定軌溫，℃;為最高軌溫，℃;Tmin為最低軌溫，℃;［ΔTd］為允許溫降，℃;［ΔTu］為允許溫升，℃;ΔTk為設(shè)計(jì)鎖定軌溫修正值，℃。

經(jīng)檢算，設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(27±5)℃。

2.1 道岔區(qū)設(shè)計(jì)

蘭州樞紐貨車北環(huán)線上共有5個(gè)車站，正線鋪設(shè)SC330及 GLC(07)04道岔［5］，形成跨區(qū)間無縫線路。由于這5個(gè)車站年軌溫差差別不大，可以采用相同的設(shè)計(jì)鎖定軌溫，與區(qū)間線路相同，取(27±5)℃。

位移觀測(cè)樁設(shè)置示意如圖2。圖中 A，B，C，D分別表示在道岔的始端和終端、尖軌跟端(或限位器處)、心軌對(duì)應(yīng)位置設(shè)置位移觀測(cè)樁。在每組12號(hào)道岔(SC330)的始端和終端、尖軌跟端(或限位器處)分別設(shè)置一組鋼軌位移觀測(cè)樁，18號(hào)道岔(GLC(07)04)在心軌處加設(shè)一組位移觀測(cè)樁，當(dāng)兩道岔間插入短軌長(zhǎng)L＞50 m時(shí)，在中間設(shè)置位移觀測(cè)樁，多組焊聯(lián)道岔的位移觀測(cè)樁位置與單組道岔基本相同［6］。

圖2 位移觀測(cè)樁設(shè)置示意(單位:m)

2.2 檢算項(xiàng)目與檢算指標(biāo)

1)基本軌強(qiáng)度

軌道強(qiáng)度可按下式檢算

式中:σf為基本軌最大附加應(yīng)力，MPa;ΔPmax為基本軌最大附加力，N;F為鋼軌斷面面積，mm2。對(duì)于U75V鋼軌無縫道岔最大縱向力不能超過1 510 kN［7］。

2)螺栓剪切強(qiáng)度

尖軌跟端、心軌跟端限位器(間隔鐵)聯(lián)接螺栓剪切強(qiáng)度可按下式檢算

式中:τ為螺栓剪切強(qiáng)度，MPa;T為限位器(間隔鐵)連接螺栓承受的最大剪力，N;d為螺栓直徑，mm;［τ］為螺栓允許剪切應(yīng)力，MPa。

10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓允許剪切應(yīng)力可取415 MPa。此外，鋼軌螺栓孔、限位器子母塊螺栓孔、間隔鐵螺栓孔強(qiáng)度，及限位器、間隔鐵部件的強(qiáng)度均應(yīng)在允許范圍內(nèi)。為簡(jiǎn)化分析，以螺栓強(qiáng)度不超限為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)尖軌、心軌位移

尖軌尖端相對(duì)于基本軌的位移可按下式檢算

式中:Δlmax為尖軌尖端相對(duì)基本軌位移，mm;［Δl'］為尖軌尖端允許相對(duì)位移，mm;f0為尖軌跟端位移，mm;α為鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10－5/℃;l0為尖軌自由伸縮長(zhǎng)度，mm;ΔTmax為最大軌溫差，℃;fj為尖軌尖端基本軌位移，mm。

根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，尖軌相對(duì)于基本軌允許伸縮位移±40 mm，心軌相對(duì)于翼軌允許伸縮位移±20 mm。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 單組道岔

軌溫變化幅度為45℃，考慮與相鄰線路的鋪設(shè)軌溫差，道岔直側(cè)股全焊。采用前述計(jì)算參數(shù)，鋪設(shè)時(shí)限位器子母塊間隙取4 mm和10 mm，分別計(jì)算出單組道岔鋼軌縱向力分布，見圖3。

由圖3(a)可見，基本軌所承受的最大縱向力為1 143.6 kN，出現(xiàn)在尖軌跟端附近，在鋼軌強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。尖軌跟端最大位移為8.1 mm，考慮尖軌的自由伸縮位移6.7 mm，尖軌尖端位移為14.8 mm，若再考慮10 mm的鋼軌爬行量，仍能滿足40 mm的伸縮位移要求。心軌跟端最大位移為3.8 mm，考慮心軌的自由伸縮位移4.1 mm，心軌尖端位移為7.9 mm，若再考慮10 mm的鋼軌爬行量，仍能滿足20 mm的伸縮位移要求。間隔鐵所承受的最大縱向力為144.3 kN，即間隔鐵螺栓剪切應(yīng)力為159.5 MPa，滿足高強(qiáng)螺栓剪切強(qiáng)度要求。限位器所承受的最大縱向力為192.5 kN，即限位器螺栓剪切應(yīng)力為212.8 MPa，滿足高強(qiáng)螺栓剪切強(qiáng)度要求。無縫道岔穩(wěn)定性檢算按最高升溫幅度45℃計(jì)算，最不利情況下穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.42，滿足安全性要求。

圖3 鋼軌縱向力分布

由圖3(b)可見，基本軌所承受的最大縱向力為1 076.5 kN，出現(xiàn)在尖軌跟端附近，在鋼軌強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。尖軌跟端最大位移為12.0 mm，考慮尖軌的自由伸縮位移6.7 mm，尖軌尖端位移為18.7 mm，若再考慮10 mm的鋼軌爬行量，仍能滿足40 mm的伸縮位移要求。心軌跟端最大位移為5.5 mm，考慮心軌的自由伸縮位移4.1 mm，心軌尖端位移為9.6 mm，若再考慮10 mm的鋼軌爬行量，仍能滿足20 mm的伸縮位移要求。間隔鐵所承受的最大縱向力為132.5 kN，即間隔鐵螺栓剪切應(yīng)力為146.4 MPa，滿足高強(qiáng)螺栓剪切強(qiáng)度要求。限位器所承受的最大縱向力為18.9 kN，即限位器螺栓剪切應(yīng)力為20.9 MPa，滿足高強(qiáng)螺栓剪切強(qiáng)度要求。無縫道岔穩(wěn)定性檢算按最高升溫幅度45℃計(jì)算，最不利情況下穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.47，滿足安全性要求。

2.3.2 道岔組

道岔組檢算結(jié)果見表1。

表1 道岔各種組合條件下檢算結(jié)果

由表1可見:①在各種最不利因素組合下，鋼軌強(qiáng)度、轉(zhuǎn)轍器穩(wěn)定性、限位器及間隔鐵螺栓強(qiáng)度均可滿足要求;②尖軌尖端位移較大，在最不利工況下已接近允許限值，因此應(yīng)進(jìn)一步嚴(yán)格鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保無縫道岔的正常使用［8-10］。

3 結(jié)論與建議

蘭州樞紐貨車北環(huán)線作為蘭州鐵路樞紐客貨分線的組成部分，通過加強(qiáng)道岔區(qū)無縫道岔的設(shè)計(jì)，并檢算各薄弱環(huán)節(jié)是否滿足跨區(qū)間無縫線路允許溫升(溫降)要求，保證了道岔結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換設(shè)備的正常使用，保持了跨區(qū)間無縫線路道岔區(qū)軌道的穩(wěn)定性，減少了養(yǎng)護(hù)維修量。通過本線的設(shè)計(jì)和檢算得出以下結(jié)論和建議:

1)在各種最不利因素組合下，鋼軌強(qiáng)度、轉(zhuǎn)轍器穩(wěn)定性、限位器及間隔鐵螺栓強(qiáng)度均可滿足要求。

2)應(yīng)盡可能延長(zhǎng)道岔側(cè)股焊接長(zhǎng)度，增大接頭阻力。

3)無縫道岔尖軌卡阻是最為嚴(yán)重、最易引發(fā)安全事故的一種病害，在其它線路上經(jīng)常發(fā)生。應(yīng)在無縫道岔鋪設(shè)過程中，嚴(yán)格一些關(guān)鍵的鋪設(shè)技術(shù)條件，如道床縱向阻力、間隔鐵及限位器螺栓扭矩、限位器子母塊間隙、與相鄰軌節(jié)的鋪設(shè)軌溫差等。無縫道岔的道床縱向阻力嚴(yán)格達(dá)到10 kN/枕以上，限位器子母塊嚴(yán)格居中布置，限位器、間隔鐵及扣件螺栓扭矩均應(yīng)達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，盡可能與相鄰軌節(jié)不要存在鋪設(shè)軌溫差。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建鐵路蘭渝線蘭州樞紐初步設(shè)計(jì)［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009．

［2］陳偉國，高成鋼，鄒良甫．鋼軌閃光焊接頭熱處理工裝和工藝的優(yōu)化［J］．鐵道建筑，2014(11):167-170．

［3］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建鐵路蘭渝線蘭州樞紐施工圖(軌道篇)［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB 10015—2012 鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2013．

［5］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB 50091—2006 鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2006．

［6］鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):站場(chǎng)與樞紐［M］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 10082—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［8］練松良．軌道工程［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［9］中華人民共和國鐵道部．鐵路主要技術(shù)政策［Z］．北京:中國鐵道出版社，2013．

［10］中華人民共和國鐵道部．鐵運(yùn)［2006］146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則［S］．北京:中國鐵道出版社，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，寧夏中寧人，工程師。

(責(zé)任審編 葛全紅)