一种无缝线路锁定轨温的确定方法和装置技术领域
本发明涉及无缝线路领域，具体地，涉及一种无缝线路锁定轨温的确定
方法和装置。
背景技术
重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的
广泛重视。国内的三大重载线路(大秦、神朔、朔黄)都采用了区间无缝线
路。为使无缝线路保持足够的强度和稳定性，在铺设无缝线路时，应选择一
个适宜的温度范围，适当控制轨温的变化幅度，以降低钢轨内部的温度力。
由于长轨条在锁定施工过程中轨温是不断变化的，因而施工锁定轨温应
该是一个范围，通常为设计锁定轨温±5℃，困难条件下也可严格控制施工
锁定轨温的变化范围，取为Te±3℃。实际锁定轨温为零应力状态轨温，在
设计检算时为安全计，取最大升温为最高轨温与施工锁定轨温下限之差，最
大降温为施工锁定轨温上限与最低轨温之差。目前，我国无缝线路锁定轨温
的确定一般根据当地气象资料，无缝线路的允许温升、允许温降，并考虑一
定的修正量计算确定。
实际经验表明，由于重载线路列车轴重大、所处地区历年钢轨温差较高
等原因，将普通无缝线路锁定轨温确定方法应用到重载铁路无缝线路中并不
是十分合理。据统计，2007～2009年间，神朔重载铁路无缝线路冬季共发生
过62次断轨，占全年断轨次数的60％以上，导致断轨的重要原因之一就是
设计锁定轨温偏高造成冬季钢轨拉应力过大。因此需要更加完善的重载铁路
无缝线路锁定轨温的设计方法。
近年来，国内很多学者对重载铁路无缝线路锁定轨温的计算理论开展了
一些研究工作。他们中或者是根据工程经验提出了一些工程改良措施，或是
通过各种有限元软件根据自己假设的特定条件笼统地进行计算分析。但是，
这些计算分析对重载铁路无缝线路锁定轨温的设计分析及优化方法的研究
较少，缺乏系统的设计理论和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种无缝线路锁定轨温的确定方法和装置，该确定
方法能够准确反映重载铁路无缝线路合理的锁定轨温，极大地降低了轨道断
轨的情况。
为了实现上述目的，本发明提供一种无缝线路锁定轨温的确定方法，所
述确定方法包括：根据无缝线路参数建立模型；获得所述无缝线路运行环境
的最高温度和最低温度；将设定温度输入至所述模型中，获取在所述最高温
度时钢轨的压力P和在所述最低温度时钢轨的拉力F；以及根据所述最高温
度时钢轨的压力P和所述最低温度时钢轨的拉力F确定锁定轨温。
优选地，如果所述压力P小于所述钢轨的最大压力且所述拉力F小于所
述钢轨的最大拉力，则确定所述设定温度能够作为锁定轨温。
优选地，所述确定方法还包括：获取平直无缝线路在运行环境下的常规
锁定轨温；以及以所述常规锁定轨温为基础选择所述设定温度。
优选地，所述无缝线路参数包括以下至少一者：曲线参数、桥梁参数及
隧道口温度过度段长度。
优选地，在所述无缝线路为桥上无缝线路的情况下，根据钢轨断缝修正
所述锁定轨温。
优选地，根据钢轨断缝修正所述锁定轨温包括：所述锁定轨温与最低温
度的差值小于或等于所述钢轨断缝所允许的最大降温幅度。
相应地，本发明还提供一种无缝线路锁定轨温的确定装置，所述确定装
置包括：模型建立模块，根据无缝线路参数建立模型；温度获取模块，获得
所述无缝线路运行环境的最高温度和最低温度；以及处理模块，将设定温度
输入至所述模型中，获取在所述最高温度时钢轨的压力P和在所述最低温度
时钢轨的拉力F，根据所述最高温度时钢轨的压力P和所述最低温度时钢轨
的拉力F确定所述设定温度能够作为锁定轨温。
优选地，如果所述压力P小于所述钢轨的最大压力且所述拉力F小于所
述钢轨的最大拉力，则确定所述设定温度能够作为锁定轨温。
优选地，所述确定装置还包括：常规锁定轨温获取模块，获取平直无缝
线路在运行环境下的常规锁定轨温；以及设定温度选择模块，以所述常规锁
定轨温为基础选择所述设定轨温。
优选地，所述无缝线路参数包括以下至少一者：曲线参数、桥梁参数及
隧道口温度过度段长度。
优选地，在所述无缝线路为桥上无缝线路的情况下，所述处理模块还用
于根据钢轨断缝修正所述锁定轨温。
优选地，所述处理模块根据钢轨断缝修正所述锁定轨温包括：所述锁定
轨温与最低温度的差值小于或等于所述钢轨断缝所允许的最大降温幅度。
通过上述技术方案，根据无缝线路参数建立模型，将设定温度输入至所
述模型中，根据最高温度时钢轨的压力P和所述最低温度时钢轨的拉力F确
定锁定轨温，如此能够准确反映重载铁路无缝线路合理的锁定轨温，极大地
降低了轨道断轨的情况。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与
下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在
附图中：
图1是根据本发明提供的无缝线路锁定轨温的确定方法的流程图；
图2是纵横垂向空间耦合的重载铁路无缝线路曲线地段整体计算模型图
示；
图3为32m简支梁实体计算模型图示；
图4为不同锁定轨温下夏季桥上无缝线路温度力图示。
图5为不同锁定轨温下冬季桥上无缝线路温度力图示
图6为最不利情况下钢轨锁定轨温为20℃时夏季隧道口内外的轨温图
示；
图7为最不利情况下钢轨锁定轨温为20℃时冬季隧道口内外的轨温图
示；
图8为隧道内外温度过渡段理论计算图示；
图9为不同锁定轨温下冬季隧道口无缝线路温度力图示；
图10为不同锁定轨温下夏季隧道口无缝线路温度力图示；
图11和图12分别为锁定轨温为10℃时夏季温度不同过渡段长度时隧道
洞口附近钢轨温度力和位移图；以及
图13是根据本发明提供的无缝线路锁定轨温的确定装置的结构示意图。
附图标记说明
21模型建立模块22温度获取模块
23处理模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，
此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发
明。
图1是根据本发明提供的无缝线路锁定轨温的确定方法的流程图，如图
1所示，本发明提供的无缝线路锁定轨温的确定方法可以包括：在步骤10
处，根据无缝线路参数建立模型；在步骤11处，获得所述无缝线路运行环
境的最高温度和最低温度；在步骤12处，将设定温度输入至所述模型中，
获取在所述最高温度时钢轨的压力P和在所述最低温度时钢轨的拉力F；以
及在步骤13处，根据所述最高温度时钢轨的压力P和所述最低温度时钢轨
的拉力F确定锁定轨温。如此能够准确反映重载铁路无缝线路合理的锁定轨
温，极大地降低了轨道断轨的情况。
其中，如果所述压力P小于所述钢轨的最大压力且所述拉力F小于所述
钢轨的最大拉力，则确定所述设定温度能够作为锁定轨温。
例如，可以基于有限元空间耦合模型来确定无缝线路的锁定轨温。其中
建立模型的方式可以如下：
对于钢轨建模时，可以采用梁单元进行模拟。钢轨可以按实际截面属性
进行建模，其中，考虑了钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩这些参数，钢
轨按照支承节点划分有限长梁单元，全面考虑纵、横、垂向线位移及转角；
扣件可以采用非线性弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵、横向阻
力和垂向刚度。纵、横向扣件弹簧作用于钢轨支承节点上，可阻止钢轨相对
于轨枕的纵、横向位移，扣件纵、横向阻力可按常量或变量形式输入，扣件
垂向刚度取扣件的支点刚度；
有砟轨道的轨枕可以采用实体单元进行模拟，考虑轨枕的截面积、高度
以及惯性矩等实际参数。轨枕按照较小间距的支承节点划分单元，全面考虑
纵、横、垂向线位移及转角。道床的纵横向阻力采用非线性弹簧单元进行模
拟，阻力值取单位岔枕长度的阻力，可按常量或变量形式输入；道床垂向刚
度用垂向弹簧模拟，其值取道床支承刚度；
桥梁可以采用实体单元进行模拟，全面考虑桥梁结构的几何尺寸和物理
特性。考虑桥梁墩台顶纵横向刚度基本为线性，采用线性弹簧单元进行模拟。
固定支座可以阻止桥梁的伸缩，所承受的纵横向力全部传递至墩台；不考虑
活动支座的摩擦阻力及支座本身的变形。
上述通过对重载铁路无缝线路各个关键位置的模拟和组合，分别建立了
纵横垂向空间耦合的重载铁路无缝线路曲线地段、桥梁、隧道口的整体计算
模型。建立的重载铁路无缝线路曲线地段整体计算模型如图2所示，32m简支
梁实体计算模型如图3所示。
基于上述计算模型的设计方法，无缝线路结构较为详尽，可按实际情况
考虑温度变化引起的钢轨力及位移，各种阻力均可为非线性阻力，取值可与
实测值一致；其中，考虑了曲线半径、梁轨相互作用以及隧道口温度过渡段
长度等影响因素；可计算不同曲线半径、不同桥梁跨度、不同温度过渡段长
度下的重载铁路无缝线路钢轨温度力及位移，并对重载铁路无缝线路进行结
构检算，进而得出满足各项控制条件的合理锁定轨温调整范围，可对重载铁
路无缝线路断轨或胀轨频发区段的设计锁定轨温调整提供指导意见。
其中，所述确定方法还包括：获取平直无缝线路在运行环境下的常规锁
定轨温；以及以所述常规锁定轨温为基础选择所述设定温度，如此可以将设
定温度的范围进行缩小，以提高效率。
以下将给出常规锁定轨温的计算方法。
无缝线路钢轨应有足够的强度以保证在轮载作用下的弯曲应力、温度应
力及其他附加应力的共同作用下，钢轨仍能安全工作。所以要求钢轨能承受
的各种应力总和不超过规定的容许值[σs]，即
σd+σt+σc≤[σs]
式中，σd—钢轨承受在轮载作用下的最大弯曲应力(MPa)；
σt—温度应力(MPa)；
σc—列车制动应力(MPa)；
[σs]—钢轨容许应力，为![]()
σs—钢轨钢的屈服强度；
K—安全系数。极限强度为785MPa的钢轨，σs＝405MPa；极限强度为
883MPa的钢轨，σs＝457MPa；一般钢轨K＝1.3，再用轨K＝1.35。
则可求得允许的钢轨降温幅度[Δtd]的计算式为
[
Δt
d
]
=
[
σ
s
]
-
σ
1
d
-
σ
c
E
α
]]>
式中，σ1d—轨底下缘动弯应力，由轨道强度计算所得。
从理论分析和实践观察都表明，钢轨的升温幅度不由强度控制，而是由
稳定性控制。在计算允许温升时，采用无缝线路稳定性计算结果[P]，然后按
下式计算钢轨的允许温升[Δtu]。
对于路基上无缝线路![]()
3.设计锁定轨温的确定
设计锁定轨温Te可以通过以下公式计算：
T
e
=
T
m
a
x
+
T
m
i
n
2
+
[
Δt
d
]
-
[
Δt
u
]
2
±
Δt
k
]]>
其中，Tmax、Tmin为铺轨地区的历史最高、最低轨温；
T
z
=
T
m
a
x
+
T
m
i
n
2
]]>为中间轨温
Δtk为设计锁定轨温修正值，可根据当地具体情况取0～5℃。
无缝线路铺设时，施工锁定轨温应有一个范围，一般取设计锁定轨温±
5℃，则
施工锁定轨温上限tm＝te+5℃；
施工锁定轨温下限tn＝te-5℃；
且需满足Tmax-tn＜[Δtu]和tm-Tmin＜[Δtd]。
如上所述，所述无缝线路参数可以包括以下至少一者：曲线参数、桥梁
参数及隧道口温度过度段长度。
以下将通过具体实施例来详细描述本发明，但是应该注意的是本发明并
不限制于此。
实施例1
曲线的存在使钢轨的温度力产生了指向轨道外侧的径向分力，并且径向
分力随曲线半径的减小而增大。因此较直线地段，温度力对曲线轨道的稳定
性影响更大。
本实施例以神朔重载铁路韩家楼地段小半径曲线为例，该曲线长629m，
缓和曲线长110m，曲线半径395m，超高105mm。该地段所在地区最高轨
温为58℃，最低轨温为-30.5℃。
根据上述现有的设计锁定轨温计算公式得到钢轨的设计锁定轨温为
(33.7±5)℃。现将设计锁定轨温分别提高和降低1～5℃，即以43.7，42.7，
41.7，40.7，39.7，27.7，26.7，25.7，24.7，23.7为设定温度来检算无缝线路
在冬季的强度和夏季的稳定性是否满足要求。
将上述设定温度输入至无缝线路模型中，锁定轨温调整后钢轨冬季的最
大拉力和夏季的最大压力的主要计算结果见表1。
表1：不同锁定轨温条件下曲线钢轨最大拉(压)力值
![]()
![]()
由表1可知，设计锁定轨温调整后无缝线路的强度和稳定性均满足要求，
并且存在一定的安全余量。因此如果该曲线地段存在冬季断轨(或夏季胀轨)
问题，可以考虑在利用现有锁定轨温公式计算得到的设计锁定轨温基础上下
调(或上调)1～5℃，具体数值应结合现场的实际情况确定。
实施例2
道床横向阻力对曲线地段无缝线路的稳定性影响较大。当线路进行养护
维修作业时，对道床产生的扰动会导致道床横向阻力的降低。而这会影响到
锁定轨温的调整。表2列出了维修作业前后道床横向阻力的变化值。
本实例仍以神朔重载铁路韩家楼地段小半径曲线为例，选取表2中维修
作业前后道床横向阻力的变化值，根据本发明提供的无缝线路锁定轨温的确
定方法，分别计算了锁定轨温为27.7，26.7，25.7，24.7，23.7时无缝线路在
夏季的最大压力。
在不同横向阻力下，设计锁定轨温调整后的钢轨夏季最大压力的主要计
算结果见表3。
表2：维修作业前后道床横向阻力
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![]()
表3：不同道床横向阻力下无缝线路保持稳定性允许的最大压力及锁定轨温
调整范围
![]()
由表3可知，扒砟作业结束后锁定轨温仍满足5℃的下调量。但当夯拍
和回填作业结束后，由于道床横向阻力减小到作业前的75％和71％，锁定
轨温的最大下调值相应减少到了3℃和2℃。而当捣固作业结束后，由于道
床横向阻力减小过大，因此短时间内不允许通过下调锁定轨温的方法来减少
断轨的发生。
实施例3
桥上无缝线路梁轨相互作用机理相对复杂，当桥梁温度跨度过长时，会
引起轨道与桥梁间过大的相互作用力。因此在锁定轨温设计中，必须考虑无
缝线路与桥梁的相互作用，严格控制轨道与桥梁相互作用产生的伸缩附加
力。
本实施例以神朔铁路趄坡沟大桥为例，该桥的设计跨度为196.2m，该
地段所在地区最高轨温为58℃，最低轨温为-30.5℃。
根据现有的设计锁定轨温计算公式得到钢轨的设计锁定轨温为(22.7±
5)℃。现将设计锁定轨温分别提高和降低1～5℃，即以现有锁定轨温为32.7，
以31.7，30.7，29.7，28.7，16.7，15.7，14.7，13.7，12.7为设定轨温来检算
无缝线路在冬季的强度和夏季的稳定性是否满足要求。
图4和图5分别为设计锁定轨温调整后夏季和冬季桥上无缝线路温度力
图，设计锁定轨温调整后钢轨冬季的最大拉力和夏季的最大压力的主要计算
结果见表4。
表4：不同锁定轨温条件下桥上钢轨最大拉(压)力值
![]()
![]()
由表4可知，锁定轨温调整后无缝线路的强度和稳定性均满足要求，且
存在一定的安全余量。但是，与曲线地段相比，桥上无缝线路还必须检算断
缝值，根据钢轨断缝修正所述锁定轨温。其包括：所述锁定轨温与最低温度
的差值小于或等于所述钢轨断缝所允许的最大降温幅度。
桥上无缝线路设计应进行钢轨断缝检算，一般按下式检算：
λ
=
E
A
(
αΔT
d
m
a
x
)
2
r
≤
[
λ
]
]]>
式中：λ—钢轨折断断缝值；
E—钢轨钢的弹性模量；
A—钢轨的截面积；
α—钢轨钢的线膨胀系数；
r—一股钢轨的线路纵向阻力，15kN/m/线；
一般情况下桥上无缝线路允许的断缝值为70mm，根据钢轨断缝检算公
式得到该桥上无缝线路允许的最大降温幅度为61.5℃，即设计锁定轨温最大
不允许超过31℃，因此该桥上无缝线路在锁定轨温为27.7℃时最大允许上调
3℃。但是如果该桥上无缝线路冬季断轨问题较突出，则可以将设计锁定轨
温下调1～5℃，具体数值应结合现场的实际情况确定。
实施例4
当无缝线路穿越隧道时，由于隧道口附近轨温差变化较大，钢轨承受的
温度力在隧道内外明显不同，这时就会在洞口产生一个温度力过渡区。过渡
区的长度因隧道长短、方向和通风条件的不同而不同，一般为10～50m。如
果线路的阻力无法提供足够的约束，钢轨就会发生纵向位移，产生的附加力
会对无缝线路的稳定性产生不利的影响。因此在研究隧道口附近的锁定轨温
时，必须得考虑隧道内外温度力不均产生的影响。
本实施例以神朔铁路霍家梁隧道为例，该地区近30年最高轨温为
58.9℃，最低轨温为-25.7℃，根据现有的设计锁定轨温计算公式得到钢轨的
设计锁定轨温为(20±5)℃。现将设计锁定轨温分别提高和降低1～5℃，即
以30，29，28，27，26，14，13，12，11，10为设定温度来检算隧道口附
近无缝线路冬季的强度和夏季的稳定性是否满足要求。
根据隧道内外无缝线路轨温和气温的变化规律，考虑最不利情况，即夏
季隧道内比隧道外轨温低30℃，冬季隧道内比隧道外轨温高8℃，同时认为
钢轨已经或将要产生爬行，即温度力变化梯度大于或等于道床纵向单位阻
力，暂不考虑通风等自然条件的影响。图6和图7为最不利情况下钢轨锁定
轨温为20℃时冬季隧道口内外的轨温图。
隧道口温度过渡段长度的理论计算公式为：
1
=
E
F
α
Δ
t
r
]]>
式中：E—钢轨钢的弹性模量；
F—钢轨的横截面积；
α—钢轨钢的线膨胀系数；
△t—隧道口钢轨内外温差；
r—道床纵向阻力；
l—隧道口温度过渡段长度。
图8为隧道内外温度过渡段理论计算图示。其中，横坐标为轨道长度，
纵坐标为轨道所受的压力(或拉力)。倾斜部分线段表示过渡段长度的钢轨
所受的压力(或拉力)，其左边是隧道内的钢轨所受的压力(或拉力)，右边
是隧道外的钢轨所受的压力(或拉力)。
通过理论计算公式得出夏季隧道内外轨温差为30℃时温度过渡段长度
为47.1m，冬季轨温差为8℃时温度过渡段长度为12.6m。图6为锁定轨温
为20℃，最不利情况时隧道口内外夏季和冬季的轨温。图9和图10分别为
设计锁定轨温调整后冬季和夏季隧道洞口无缝线路温度力图，设计锁定轨温
调整后钢轨冬季的最大拉力和夏季的最大压力的主要计算结果见表5。
表5：不同锁定轨温下隧道口钢轨最大拉(压)力值
![]()
由表5可知，设计锁定轨温调整后无缝线路的强度和稳定性均满足要求,
且存在较大的安全余量，但是在计算温度过渡段长度时仅考虑了钢轨温差和
道床纵向阻力的影响。
实施例5
为了进一步研究温度过渡段长度变化对隧道洞口无缝线路强度和稳定
性的影响，本实施例仍以神朔铁路霍家梁隧道为例，取轨温差最大的夏季并
且过渡段长度分别为10m，20m，30m、40m和50m进行分析。图11和图
12分别为锁定轨温为10℃时夏季温度不同过渡段长度时隧道洞口附近钢轨
温度力和位移图，锁定轨温调整后钢轨夏季的最大压力和纵向位移值的主要
计算结果见表6。
表6：不同过渡段长度夏季钢轨的最大温度力和纵向位移
过渡段长度/m
钢轨最大压力/KN
钢轨最大纵向位移/mm
10
1117
3.17
20
1114.4
2.82
30
1111.4
2.55
40
1106.7
2.30
50
1099.9
2.07
由表6可知，夏季在相同锁定轨温条件下，温度过渡段长度从50m减
小到10m时，钢轨的最大温度力由1099.9KN增加到1117KN，钢轨纵向位
移由2.07mm增加到3.17mm。温度过渡段长度的变化对钢轨温度力影响较
小，但对钢轨纵向位移影响较大。由于温度过渡段长度的不确定性，如果隧
道口处冬季断轨问题突出，可以考虑将设计锁定轨温下调1～5℃，但为保持
线路夏季的稳固状态，减少或消除过渡段钢轨的伸缩位移，应进行防爬检算，
必要时设置防爬设备。
相应地，本发明还提供一种无缝线路锁定轨温的确定装置，如图13所
示，所述确定装置包括：模型建立模块21，根据无缝线路参数建立模型；温
度获取模块22，获得所述无缝线路运行环境的最高温度和最低温度；以及处
理模块23，将设定温度输入至所述模型中，获取在所述最高温度时钢轨的压
力P和在所述最低温度时钢轨的拉力F，根据所述最高温度时钢轨的压力P
和所述最低温度时钢轨的拉力F确定所述设定温度能够作为锁定轨温。如此
能够准确反映重载铁路无缝线路合理的锁定轨温，极大地降低了轨道断轨的
情况。
其中，如果所述压力P小于所述钢轨的最大压力且所述拉力F小于所述
钢轨的最大拉力，则所述处理模块确定所述设定温度能够作为锁定轨温。
为了缩小设定温度的范围，以提高效率，所述确定装置还包括：常规锁
定轨温获取模块，获取平直无缝线路在运行环境下的常规锁定轨温；以及设
定温度选择模块，以所述常规锁定轨温为基础选择所述设定轨温。
其中，所述无缝线路参数包括以下至少一者：曲线参数、桥梁参数及隧
道口温度过度段长度。
另外，在所述无缝线路为桥上无缝线路的情况下，所述处理模块还用于
根据钢轨断缝修正所述锁定轨温。其中所述处理模块根据钢轨断缝修正所述
锁定轨温包括：所述锁定轨温与最低温度的差值小于或等于所述钢轨断缝所
允许的最大降温幅度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限
于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明
的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特
征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必
要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其
不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。