委内瑞拉Tinaco-Anaco铁路无缝线路设计研究

肖发明

(中国中铁国际集团有限责任公司委内瑞拉分公司， 北京 100039)

委内瑞拉Tinaco-Anaco铁路无缝线路设计研究

肖发明

(中国中铁国际集团有限责任公司委内瑞拉分公司， 北京 100039)

文章介绍了委内瑞拉Tinaco-Anaco铁路的无缝线路设计思路。文中说明了线路沿线的地形、气候特征，结合线路平纵特点、设计时速、运营荷载及轨道结构类型等影响因素对国际铁路联盟标准钢轨(UIC60)完成了无缝线路力学分析。将中国无缝线路设计思路灵活运用于国际工程环境中，确定了适用于Tinaco-Anaco铁路的无缝线路设计原则。

委内瑞拉； 无缝线路； 钢轨； 温度应力

无缝线路是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。随着高速、重载铁路的发展，强化铁路轨道结构和提高线路的平顺性、稳定性的要求日益突出，无缝线路设计已经成为现代化铁路设计中必不可少的组成部分。由于消灭了大量钢轨接头，无缝线路具有行车平稳性好、机车车辆及轨道维修费用低、使用寿命长等优点，但无缝线路将承受长钢轨锁定后轨温变化所带来的巨大温度应力，因此确定合理的锁定轨温是无缝线路设计的核心内容。

1 工程环境

1.1 地理位置

委内瑞拉位于南美洲大陆北部，赤道以北，北临加勒比海与大西洋，东有圭亚那，南为巴西，西边则与哥伦比亚接壤，国土面积91.67×104km2。Tinaco-Anaco铁路所经的奥里诺科平原位于委内瑞拉北部，故又称为北部平原铁路。

1.2 气候条件

委内瑞拉全国均属热带气候，全年气候炎热，具有明显的旱季和雨季，年降水量1000～1400 mm，暴雨主要集中在6～11月，具有强度大、持续时间长的特点。雨季降雨量占全年降雨量的80%以上。

委内瑞拉气温采集点少，且过于分散。但是Tinaco-Anaco铁路沿线温差变化不大，最低气温在10℃以上。Tinaco-Anaco铁路沿线可根据Valle De La Pascua地区的详细气温资料作为设计依据，相关城市气温资料如表1所示。

2 工程概述

2.1 线路

Tinaco-Anaco铁路全长468 km，全线无隧道工程，桥梁比例仅为2.84%，其余均为路基地段，属于典型的平原铁路，基本为浅丘平原区，地形较为开阔平坦，局部地段微有起伏。

线路起于科赫德斯州迪那科(Tinaco)站，先后经过埃尔帕奥、多斯卡米诺斯、圣保雷罗、恰瓜拉马斯、瓦耶德拉帕斯瓜、都古比多、萨拉萨和阿拉瓜站，最终到达安索阿特吉州的阿那科(Anaco)站。全线最小曲线半径为3 200 m，最大线路纵坡为1%。

表1 轨温计算表 ℃

2.2 主要技术标准

Tinaco-Anaco铁路预计年旅客运输需求约为580×104人次，年货运需求约为980×104t。为实现上述需求，建立一个多种模式大规模的客货交通运营系统，因此制定的主要技术标准如表2所示。

表2 主要技术标准表

3 无缝线路钢轨受力分析

3.1 轨道结构

委内瑞拉Tinaco-Anaco铁路作为中国修建的第一条海外高速铁路，是将中国高铁技术标准推向海外市场的关键一步。在轨道结构选用方面尽可能地选用了中国高铁的成熟技术，并根据业主方的指定要求进行了对应优化。

3.1.1 钢轨

全线采用UIC60 900B级钢轨，钢轨高172 mm，轨底宽150 mm，其主要断面尺寸见图1。钢轨主要化学成分如表3。

图1 UIC60钢轨断面

C/%Mn/%Si/%Pmax/%Smax/%0．55～0．751．3～1．70．1～0．5≤0．04≤0．04

3.1.2 轨枕及扣件

正线采用中国Ⅲa型有挡肩混凝土轨枕，其承载力、纵横向阻力和结构尺寸满足设计行车速度220 km/h的要求。Ⅲa轨枕的主要设计参数见表4。

表4 Ⅲa型轨枕主要设计参数

为了将中国Ⅲa型轨枕与UIC60 900B级钢轨相匹配，扣件选用了改进后的ω形弹性扣件WT-1型扣件。扣件主要技术参数如表5所示。

表5 WT-1型扣件主要技术参数

3.1.3 道床

全线采用碎石道床，道床断面及道砟材质要求沿用了中国高铁标准。道砟厚度350 mm，单线道床顶面宽度3 600 mm，砟肩宽度500 mm，道床边坡1∶1.75，砟肩堆高150 mm。道砟材质要求与中国特级道砟标准保持一致。

3.2 轮载分析

3.2.1 静载计算

采用连续支承梁模型(E·Winkler模型)进行计算，轨道结构为连续支承基础上的梁。根据模型，可以列出弹性基础钢轨挠曲线方程：

式中:M为钢轨弯矩；E为钢轨弹性模量；I为钢轨断面水平惯性矩； dx为钢轨截面沿线路方向的位置变量的微分；dy为钢轨计算截面的垂向挠度值的微分。

由上式，根据均匀连续弹性基础理论和力的独力作用原理，可得静止车轮系作用下钢轨弯矩M0的计算式为：

式中：μ为钢轨基础弹性模量(MPa)；k为钢轨基础弹性模量与钢轨弯曲刚度的相对比值；a为轨枕间距(mm)；P0i为作用于钢轨上的各机车车轮静重(N)；μi、ηi为连续弹性基础上等截面无限长梁的影响线系数，μi=e-kx(coskx-sinkx)，ηi=e-kx(coskx+sinkx)。不同轮位距计算截面的距离x各不相同，因而各有不同的μi和ηi，如图2所示。

图2 影响线系数

式中：

式中：D为钢轨支点弹性系数。

机车的一个车轮压在钢轨计算截面上，除了该车轮对计算截面产生应力、挠度外，还应考虑邻轮的影响。距计算截面5 m以上时，这种影响可以略去不计。通常电力机车的转向架间距离超过5 m，由此可知只需取第一转向架进行计算。

将轮载、支点弹性系数、轨枕间距等各项参数参数代入计算可得静载情况下钢轨受力和变形情况如表6所示。

表6 静止车轮系作用下计算结果 N·mm

3.2.2 动态分析

由于列车运行的动态状况会增大钢轨承受的实际载荷，在无缝线路检算中还应考虑运行速度、曲线偏载因素影响。动态情况下钢轨弯矩的最大值按下式计算：

式中：α、β为速度、曲线偏载影响系数。速度影响系数α按下式计算：

偏载情况按未被平衡欠超高最大值Δh=78.5 mm考虑，故偏载影响系数β按下式计算：

β=0.002Δh=0.002×78.5=0.157

钢轨最大应力按下式计算：

式中 ：σ1d、σ2d为轨头、轨底边缘动弯应力最大可能值(MPa)；W1、W2为钢轨头部、底部对水平中性轴的截面模量(mm3)；f为横向水平力系数，当半径R≥800 m，横向水平力系数f=1.45。

根据UIC60 900B级钢轨截面参数可算得钢轨头部、底部对水平中性轴的截面模量W1，W2分别为335 500(mm3)、377 400(mm3)

结合静载计算结果可得无缝线路检算中钢轨动弯应力值如表7所示。

表7 钢轨动弯应力计算结果 MPa

3.3 温度力分析

钢轨温度应力是轨温变化时钢轨变形受限所引起，其大小取决于材料膨胀系数、轨温变化幅度，按下式计算：

式中：E为钢轨弹性模量，E=2.1×105MPa；α为钢轨线膨胀系数:α=1.18×10-5/℃；Δt为实际轨温与锁定轨温温差(℃)

由此可见温度应力大小仅取决于实际轨温与锁定轨温温差。

3.3.1 轨道强度允许温降[ΔTd]：

式中：[σ]为钢轨允许应力，根据UIC60 900B级钢轨研究测试结果取365.38 MPa；σd为列车动荷载作用下的钢轨应力最大值，取211.77 MPa(见表7)；σf为制动附加应力，取10 MPa；

根据上式计算可得[ΔTd]=57.8℃。

3.3.2 轨道稳定性允许温升[ΔTc]

上述公式中选用的计算参数及结果如表8所示。

表8 [ΔTc]计算参数及结果

3.3.3 锁定轨温计算

由于[ΔTd]、[ΔTc]>Tmax-Tmin=44.8℃(表1)，钢轨强度及稳定性均不控制锁定轨温，故无缝线路设计锁定轨温可按下列公式计算

式中 ：Te为设计锁定轨温；Tmax为当地历年最高轨温(℃)；Tmin为当地历年最低轨温(℃)； ΔTk为修正值，为0～±5℃。

结合气候数据及施工便利因素，将Tinaco-Anaco铁路整条线路的锁定轨温Te定为40℃。

由表1可得Δt最大值为27.7℃，计算可得温度应力最大值为：

σt=2.1×105×1.18×10-5×27.7=68.64MPa

3.4 钢轨应力检算

综合动弯应力、制动附加力和温度应力影响对UIC60 900B级钢轨进行检算如表9所示：

表9 钢轨应力检算 MPa

由表9可知，锁定轨温40℃时钢轨受力符合无缝线路要求。

4 结论与建议

(1)委内瑞拉Tinaco-Anaco铁路的气候环境及线路条件优越，利于采用全线跨区间无缝线路。

(2)全线统一40℃的锁定轨温适应当地施工环境，便于后期运营管理，经检算满足无缝线路受力要求。

(3)无缝线路设计思路适用范围广泛，在海外项目中应结合各个国家工程环境有效简化设计情况

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肖发明(1963～)，男，工学学士，高级工程师，长期从事铁路、公路工程设计、施工和工程管理技术研究。

U213.9+13

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[定稿日期]2015-01-29