《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit》：Stress–free temperature variation and buckling potential in railway tracks: Dynamic finite element modelling and implications
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气候变化加剧了温度波动和极端天气事件，可能增加连续焊接钢轨（CWR）轨道的屈曲风险。当前的缓解策略，如在高温天气下实施保守的速度限制，主要是被动反应式的，可能成本高昂且具有破坏性。本文通过动态有限元分析研究了无应力温度（stress-free temperat
气候变化加剧了温度波动和极端天气事件，可能增加连续焊接钢轨（CWR）轨道的屈曲风险。当前的缓解策略，如在高温天气下实施保守的速度限制，主要是被动反应式的，可能成本高昂且具有破坏性。本文通过动态有限元分析研究了无应力温度（stress-free temperature）的变化及其对轨道屈曲潜力的影响。开发了一个三维Abaqus模型，该模型考虑了轨枕位置和钢轨几何形状的永久变形，以模拟轨道在温度循环作用下的动态响应。通过参数化研究考察了关键因素的影响：钢轨横向不平顺（lateral misalignment）、纵向温度梯度、扣件系统强度、列车速度、制动力和轨道曲率。研究结果揭示了连续焊接铁路轨道沿线轴向应力分布、残余位移和无应力温度变化的潜在范围。识别了易受损轨道区段，如暴露于差异加热和冷却、单向制动/加速以及扣件退化的区段。研究结果可用于支持更有效和主动的维护策略的开发，为现行标准的修订提供依据，并有助于减少运营中断。此外，该方法为面临类似气候变化引发风险的国际铁路运营商提供了一个可转移的框架。
研究背景：铁路是重要的社会和经济基础设施，承担客运和货运任务，有助于减少拥堵、污染和碳排放。然而，气候变化对铁路安全和效率构成挑战，尤其是极端温度事件频率增加。全球广泛使用的连续焊接钢轨（CWR）特别容易受热胀冷缩影响，高温下可能发生轨道屈曲（track buckling），低温下可能发生钢轨断裂。无应力温度（stress-free temperature）即纵向应力为零时的钢轨温度，常被用作管理这些风险的参数。偏离该值（目前英国干线铁路为27°C）会在钢轨中引发额外热应力；当应力足够大时，可能损害轨道稳定性，导致运营速度限制，极端情况下导致轨道屈曲或钢轨断裂，带来运营中断和安全隐患。当前英国的做法是在热浪期间实施临时速度限制，这会影响长距离线路，具有破坏性并产生运营和经济成本。随着极端天气事件日益频繁，这些成本可能越来越难以承受。部分原因是影响无应力温度局部和时间变化的因素及其在运营条件下对轨道稳定性的影响尚不清楚。来自遮荫、隧道、桥梁或路堑的局部加热和冷却可在沿线产生钢轨温度梯度。这种温度梯度是驱动钢轨纵向差异运动以及轨枕在道砟中永久移动的机制之一。在随后的冷却过程中，钢轨-扣件-轨枕-道砟系统中的摩擦和塑性效应可能阻止这种运动的完全恢复，可能导致残余轴向应力分布和局部无应力温度变化。列车通过可进一步改变这种状态。本文利用有限元分析研究影响沿线无应力温度变化和不同条件下屈曲潜力的关键因素。虽然屈曲风险未通过计算临界屈曲温度直接量化，但无应力温度和轨道不平顺被认为是屈曲敏感性的重要指标。本研究因此将无应力温度变化和残余不平顺作为相对屈曲敏感性的替代指标，而非临界屈曲温度的直接度量。本文的主要目标是量化横向不平顺幅度、扣件系统强度、轨道曲率、列车速度、制动力和沿线差异温度的影响。
研究人员开展的研究：本研究改编了Harkness、Le Pen和Powrie在Shift2Rail计划下开发的模型。该模型通过Python脚本在Abaqus中实现，已针对已建立的屈曲程序和有限元解进行了基准测试，并针对英国铁路在英格兰Old Dalby（1979-1980）和德国联邦铁路（1984-1987）进行的全尺寸钢轨屈曲实验进行了验证。验证测试表明，在一系列代表性边界条件和支持特性下，模型与数值基准和实验结果高度一致。本研究对原始模型进行了扩展，以模拟局部温度变化和热循环，而非先前考虑的均匀全长温度升高。研究了有砟连续焊接钢轨轨道的直线段和曲线段。钢轨建模为三维两节点梁单元（Abaqus B31），间距0.65 m，260 m长轨道约400个节点，650 m长轨道约1000个节点。钢轨通过非线性Abaqus连接器单元连接到轨枕质量点，代表Pandrol FastClip系统型扣件的力学行为。轨枕（G44）建模为具有质量的刚体，可横向、纵向和竖向自由移动；旋转被约束。轨枕与道砟的相互作用通过三个组件表示：摩擦滑块、两个弹塑性连接器。热加载通过数学函数直接施加于钢轨节点作为规定温度分布。初始横向不平顺建模为波长6.5 m的平滑对称曲线。曲线轨道建模采用350 m和550 m半径代表相对紧密和较缓和的主线曲线。列车加载模拟为一系列移动点载荷，每个轴分配有效质量10000 kg。制动由作用于钢轨节点的额外纵向力表示。
研究结论及重要意义：研究结果表明：（1）沿线差异加热可显著增加无应力温度变化，而均匀加热不会。差异加热下残余无应力温度变化最高达4°C，而均匀加热产生可忽略的变化（低于0.1°C）。较大加热段产生较大峰值无应力温度变化和较宽的受影响区域。（2）钢轨扣件系统的作用可能至关重要。在全夹紧力下，峰值残余无应力温度变化较大但局限于约260 m区域，最小化更广泛的轨道影响。在零夹紧力下，峰值无应力温度变化相似或更低，但受影响区域约宽一倍（最高温度下达约585 m）。（3）直线连续焊接钢轨轨道受列车诱导力和温度波动的影响小于曲线轨道。虽然无应力温度变化可能不太显著，但较紧曲线中的热和列车加载可导致横向不平顺增长。直线轨道全制动下残余横向不平顺增长低于初始值的8%，而曲线轨道在56 mph相同加载下，550 m半径曲线残余不平顺增长达初始值的30%，350 m半径曲线达50%。（4）列车制动力显著影响残余横向不平顺增长，曲线轨道比直线段更易受损。直线轨道上制动使每次通过的屈曲增长约翻倍。曲线轨道上制动甚至在完美对齐轨道上也产生可测量的不平顺增长，且增长随列车速度和曲线紧度增加。研究结果表明，沿线无应力温度不太可能长期保持初始值，由于上述多种因素可导致其重分布。对整个轨道区段重新施加应力以均衡无应力温度在经济和实践中不可行。然而，关注易受高温天气事件影响的关键区域并确保道砟适当维护以提供足够的横向和纵向阻力可帮助防止轨道屈曲。经济有效的维护策略可集中于：（a）针对易受差异加热和冷却的区段；（b）确保钢轨扣件的适当维护；（c）监测轨道对齐；（d）针对经历频繁制动力的轨道区段。研究的意义在于提高预测能力并指导有针对性的维护策略，增强铁路基础设施对气候变化相关应力的韧性。
关键技术方法：研究采用三维动态有限元分析（Abaqus），钢轨建模为B31梁单元，扣件用非线性连接器单元表示（含摩擦滑移行为），轨枕为刚体质量点，道砟阻力用弹塑性连接器模拟（横向和纵向），热加载通过双曲正切空间分布函数实现局部差异加热和温度循环，列车载荷为移动点载荷（含离心力、制动力），初始不平顺为6.5 m波长平滑曲线。模型经英国铁路Old Dalby实验和德国联邦铁路实验验证。
研究结果：
差异加热对无应力温度变化的影响：通过比较均匀加热（Case 1）、半轨加热（Case 2）、中心加热130 m（Case 3）和中心加热26 m（Case 4）四种工况，得出均匀加热产生可忽略的残余无应力温度变化（低于0.1°C），而差异加热产生显著残余变化，峰值约3-4°C（40°C温升下），且较长加热段产生较大峰值和较宽重分布区域。
扣件系统强度对无应力温度变化的影响：通过比较全夹紧力（15.5 kN）、半夹紧力（7.75 kN）和零夹紧力条件下的残余无应力温度变化，得出半夹紧力结果与全夹紧力基本无差别（纵向力未超过摩擦滑移阈值），零夹紧力下受影响区域约宽一倍但峰值相似或更低，揭示了扣件强度的双重影响。
列车速度和制动力对直线和曲线轨道无应力温度变化的影响：通过在30°C均匀温升下模拟单次列车通过，得出直线轨道残余无应力温度变化低于0.1°C（无制动）和约1°C（全制动），列车速度无可测量影响；曲线轨道残余无应力温度变化同样较小（峰值低于约1°C），但残余横向不平顺增长显著大于直线轨道，350 m半径曲线在56 mph下5 mm和10 mm初始不平顺分别增长约40%和50%，550 m半径曲线增长约20%，完美对齐曲线轨道也产生可测量残余不平顺。
讨论部分总结：作者指出本研究列车诱导响应对应单次模拟加载事件，代表即时残余响应而非重复列车通过和热加载循环下可能发展的累积劣化。重复加载可能逐步累积残余不平顺并改变轨道响应。研究结果表明沿线无应力温度不太可能长期保持初始值。对整个轨道区段重新施加应力以均衡无应力温度在经济和实践上不可行。但关注易受高温天气事件影响的关键区域并确保道砟适当维护以提供足够横向和纵向阻力可帮助防止轨道屈曲。维护建议包括：针对易受差异加热和冷却的区段、确保钢轨扣件适当维护、监测轨道对齐、针对经历频繁制动力的轨道区段。模型局限性包括列车载荷简化为移动点载荷而非完全耦合车辆、沿钢轨长度扣件条件均匀的假设、除单一受控横向不平顺外轨道几何假设为完美。未来工作应考虑重复热和交通循环的影响、扣件夹紧力退化区域以及针对轨道几何现场测量的进一步验证。
研究结论翻译：本文研究了钢轨受热时影响无应力温度和连续焊接铁路轨道屈曲脆弱性的因素。结果表明：（1）沿线差异加热可显著增加无应力温度变化，而均匀加热不会。差异加热下残余无应力温度变化最高达4°C，而均匀加热产生可忽略的变化（低于0.1°C）。较大加热段产生较大峰值无应力温度变化和较宽的受影响区域。（2）钢轨扣件系统的作用可能至关重要。在全夹紧力下，峰值残余无应力温度变化较大但局限于约260 m区域，最小化更广泛的轨道影响。在零夹紧力下，峰值无应力温度变化相似或更低，但受影响区域约宽一倍（最高温度下达约585 m）。观察到的扣件夹紧力减少50%对无应力温度的有限影响特定于所研究的加载工况，不应解释为表明半退化扣件在更严重的热或纵向加载条件下不能影响无应力温度。（3）直线连续焊接钢轨轨道受列车诱导力和温度波动的影响小于曲线轨道。虽然无应力温度变化可能不太显著，但较紧曲线中的热和列车加载可导致横向不平顺增长。直线轨道全制动下残余横向不平顺增长低于初始值的8%，而曲线轨道在56 mph相同加载下，550 m半径曲线残余不平顺增长达初始值的30%，350 m半径曲线达50%。这与增加的动态列车加载相结合，将增加屈曲风险。（4）列车制动力显著影响残余横向不平顺增长，曲线轨道比直线段更易受损。直线轨道上制动使每次通过的不平顺增长约翻倍（如15 mm初始不平顺下0.5 mm vs 1.2 mm）。曲线轨道上制动甚至在完美对齐轨道上也产生可测量的不平顺增长（350 m曲线56 mph下高达约1 mm），且增长随列车速度和曲线紧度增加。应注意本研究报道的列车诱导响应对应单次模拟加载事件。结果代表即时残余响应而非重复列车通过和热加载循环下可能发展的累积劣化。重复加载可能逐步累积残余不平顺并改变轨道响应。综上所述，结果表明沿线无应力温度不太可能长期保持初始值，由于上述多种因素可导致其重分布。对整个轨道区段重新施加应力以均衡无应力温度在经济和实践上不可行。然而，关注易受高温天气事件影响的关键区域并确保道砟适当维护以提供足够的横向和纵向阻力可帮助防止轨道屈曲。此处识别的维护启示基于单次模拟加载事件的响应，因此应解释为可能易受劣化的位置或条件的指标，而非长期累积轨道行为的预测。经济有效的维护策略可集中于以下方面：（a）针对易受差异加热和冷却的区段。暴露于不均匀温度分布的轨道区段由于轴向应力波动和不均匀纵向位移更易发生屈曲。对热暴露不均匀的轨道段进行定期检查，特别是遮荫和阳光照射钢轨之间的过渡区，可识别潜在应力集中区域。（b）确保钢轨扣件的适当维护，特别是在扣件条件未知或被识别为关键的区域。（c）监测轨道对齐。结果表明横向不平顺影响局部无应力温度变化和钢轨纵向位移。因此，监测连续焊接钢轨轨道的对齐并识别局部不平顺发展以确保稳定性和安全性至关重要。（d）针对经历频繁制动力的轨道区段。列车制动力可显著影响连续焊接钢轨轨道的稳定性。在轨道温度变化不均匀分布的区域（例如隧道之间），影响被放大。因此，列车持续施加制动力或单向加速的区域（例如曲线前或接近站台处）需要密切监测，因为重复单向制动或加速载荷会放大应力变化。
