第二章 钢轨
第一节 钢轨的功用和类型
不管铁路采用何种类型、何种形式的轨道结构，钢轨都是铁路轨道的主要部件。钢轨与机车车辆的车轮直接接触，钢轨质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。为了使线路能按照设计速度保证列车运行，钢轨必须具备以下几个方面的功能：
(1) 为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导机车车辆前进。车辆要求钢轨表面光滑，以减小轮
轨阻力；而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力，以发挥机车的牵引力；
(2) 钢轨要承受来自车轮的巨大垂向压力，并将以分散形式传给轨枕。在轨面要承受极大的接触应力。除
垂向力外，钢轨还要承受横向力和纵向力。在这些力的作用下，钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形，轨头的钢材还要产生塑性流动，磨损等； (3) 为轨道电路提供导体。
世界铁路所用钢轨的类型通常按每延米质量来分，在轴重大、运量大和速度高的重要线路上采用质量大的钢轨，在一般次要线路上使用的钢轨质量相对要小一些。我国铁路所使用的钢轨重量有43、45、50、60和75kg/m。钢轨刚度的大小直接影响到轨道总刚度的大小。轨道总刚度越小，在列车动荷载作用下钢轨挠度就越大，对于低速列车来说，不影响行车的要求，但对于高速列车，则就会影响到列车的舒适度和列车速度的提高。
目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢轨和普速铁路钢轨，如俄罗斯的重载铁路使用R75钢轨；美国使用136RE (65kg/m)和140RE(70kg/m)型钢轨；我国铁路干线也都使用CHN60钢轨。世界各国高速铁路基本上都采用了60kg/m的钢轨，如日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m级。我国CHN 60(实际重量为60.64kg/m)钢轨截面与UIC60(实际重量为60.34kg/m)钢轨截面相似，特别是轨顶面均为R=13-80-300-80-13五段式弧线。经轮轨动力仿真计算，在轮轨几何接触、轮轨动力性能、轮轨磨耗及现场实际使用效果等方面，国产CHN 60钢轨截面与UIC60钢轨截面没有明显的差异。高速铁路钢轨的重量没有随列车运行速度的提高而增大，主要原因是高速铁路线路的半径较大，钢轨磨耗减轻；高速列车的轴重相对较轻。从铁路现场对钢轨的使用、管理、钢轨与接头扣件、中间扣件及道岔的配套方面，在工务维修部门维修备件的装备方面，在钢厂生产工艺和设备的简化及生产短轨的利用方面考虑，为提高总体经济效益，我国高速铁路也倾向于采用CHN60钢轨。
城市轨道交通线路正线采用CHN60轨，站场线路除试车线、出入场线采用CHN60钢轨以外其余均采用CHN50轨。由于小半径曲线的因素，城市轨道交通线路正线近年来采用U75V热轧钢轨。
随着铁路的发展，世界各国修建高速和重载铁路，对钢轨的性能提出了更高的要求。我国目前的钢轨定长为12.5m和25m两种，世界各国的钢轨定尺长也有长有短。由于高速重载铁路都采用无缝线路，钢轨定尺长越短，钢轨焊接接头越多，所以世界各国都大力发展长定尺长钢轨，我国用于新建客运专线的长定尺钢轨的长度为50m或100m。
第二节 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状
如第一章所述，钢轨截面形状的发展也经过了相当长的时间。从构件截面的力学特性可知，工字型截面的构件具有较好的抗弯曲性能。可把钢轨看成是连续弹性地基梁，或连续点支承地基梁，在轮载的作用下，钢轨主要承受垂向弯曲，所以一般将钢轨截面设计成工字形，如图2-3所示。钢轨截面由轨头、轨腰和轨底三部分组成，相互之间用圆弧连接，以便安装钢轨接头夹板和减少截面突变引起的应力集中。钢轨的三个主要尺寸是钢轨高度、轨头宽度、和轨底宽度。根据钢轨的受力特点，对轨头、轨腰和轨底三部分
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的要求如下。
轨头宜大而厚，并具有与车轮踏面相适应的外形，以改善轨接触条件，提高抵抗压陷的能力，同时具有足够的支承面积，以备磨耗。钢轨顶面在具有足够宽度的同时，为使车轮传来的压力更为集中于钢轨中心轴，顶面形状为隆起的圆弧形。圆弧的半径不能太小，虽可使压力集中于钢轨中心轴，但又不致于轮轨间的接触面积太小造成过大的接触应力。实践表明，钢轨顶面被车轮长期滚压以后，顶面近似于200~300mm半径的圆弧。因此的我国铁路上，较轻型的钢轨顶面常用一个半径300mm圆弧组成，而较重型的钢轨顶面，则用三个半径分别为80-300-80或80-500-80mm的复合圆弧组成。轨头侧面型式在不增加轨顶面宽度而又能扩大轨头下部宽度，使夹板与钢轨之间有较大的接触面，并可使轨头下颚与轨腰之间用较大半径的圆弧连接起来，有利于改善该处的应力集中的前提下，宜采用向下扩大的型式。
轨顶面与侧面的连接圆弧半径为13mm(CHN 75钢轨为15mm)。这比机车
车辆轮的轮缘内圆角的半径16mm和18mm略小些。如此值再大，轮缘就有爬上钢轨的危险，若再小，将加速轮缘的磨耗。轨头底面称轨头的下颚，是和夹板顶面相接触的部分，其斜坡常用1:2.75，1:3，1:4。这个斜坡不宜过于平缓也不过于陡峻。过缓则使夹板受到过大的动力作用，加速了夹板螺栓的松动和磨耗；过陡则螺栓所受的拉力过大而容易折断。轨头下角亦应作成圆弧，以免应力过分集中，但又不使夹板的支承宽度减小过多，一般圆弧的半径在2~4mm之间。
轨腰必须有足够的厚度和高度，具有较大的承载能力和抗弯能力。轨腰的两侧或为直线，或为曲线，而以曲线最常用，以有利于传递车轮对钢轨的冲击动力作用和减少钢轨轧制后因冷却而产生的残余应力。
我国设计的标准CHN 50、CHN 60和CHN 75钢轨的轨腰圆弧半径分别采用350mm、400mm和500mm。轨腰与钢轨头部及底部的连接，必须保证夹板能有足够的支承面，并使截面的变化不致过分突然，以免产生过大的应力集中。为此，轨腰与轨头之间可采用复曲线的连接方式，如我国CHN60标准钢轨采用了25mm和8mm。轨腰与轨底之间的连接曲线，一般采用单曲线，半径为14~20mm。
轨底直接支承在轨枕顶面上中，为保持钢轨稳定，应有足够的宽度和厚度，并具有必要的刚度和抗锈蚀能力。轨底顶面可以作成单坡或折线坡的斜坡。如为单坡，则要求与轨头下颚的斜坡相同。如为折线坡，则支托夹板部分要求与轨头下颚同，其余部分可采用较平缓的斜坡，如1:6~1:9，两斜面
(a)CHN50钢轨
之间，用半径为15~40mm的圆弧连接。轨底的上下角也应作为圆角，半径一般为2~4mm。
图2-3 钢轨截面形状
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(b) CHN 60钢轨 (c) CHN 75钢轨
图2-4 我国三种主要钢轨的截面尺寸(mm)
钢轨高度要保证有足够的惯性矩和截面系数来承受车轮的竖直压力，并要使钢轨在横水平力作用下具有足够的稳定性。根据多种类型钢轨几何尺寸的设计资料，钢轨截面的四个主要尺按经验公式为，轨头顶面宽度：b=0.34M+51.70(mm)；轨腰厚度：t=0.16M+7.08(mm)；轨身高度：H=1.92M+54.16(mm)；轨底宽度：B=1.25M+69.25(mm)(M为每米钢轨的质量(kg))。轨身高与轨底宽之间应有一个适当的比例。一般为H/B≈1.15~1.20。
为使钢轨轧制冷却均匀，轨头、轨腰及轨底的面积，应有一个最适当的比例。根据上述要求，我国的CHN 75、CHN 60、CHN 50钢轨标准截面尺寸如图2-4所示，其余部分的截面尺寸及特征如表2-1。 表2-1 钢轨截面尺寸及特性参数 项 目 每米质量m(kg/m) 截面面积F(cm2) 重心距轨底面的距离y1(mm) 对水平轴的惯性矩Jx(cm4) 对竖直轴的惯性矩Jy(cm4) 底部截面系数W1(cm3) 头部截面系数W2 (cm3) 轨底横向挠曲截面系数Wy (cm3) 钢轨高度H(mm) 轨底宽度B(mm) 轨头高度h(mm) 轨头宽度b(mm) 轨腰厚度t(mm)
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钢轨类型 CHN 75 74.414 95.073 88 4490 665 509 432 89 192 150 55.3 75 20 CHN 60 60.64 77.45 81 3217 524 396 339 70 176 150 48.5 73 16.5 CHN 50 51.514 65.8 71 2037 377 287 251 57 152 132 42 70 15.5 CHN 45 44.653 57 69 1489 260 217 208 46 140 111 42 70 14.5 3
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第三节 钢轨材质及其力学指标
钢轨的材质是指钢轨的化学成分及其金相组织，要使钢轨具有高可靠性的前提是钢轨材质具有较高的纯净度和合理的化学成份。钢轨出现质量问题的主要形式是由于钢轨的内部夹杂、缺陷所引起的疲劳折损。所以提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、提高钢轨可靠性、延长使用寿命的有效途径之一。
钢轨钢的主要元素是碳和铁，并根据强度和硬度的需要增加其他化学元素，同时限制磷和硫等有害元素的含量。同一种类型的钢轨中，不同炉号和生产批次，其化学元素也有一些差别，所以钢轨中的化学元素含量是一个范围。
碳(C)是钢轨抗拉强度的主要来源，一般含量为0.65%，但一般小于0.82%，如含碳量过大，则会使钢轨的伸长率、断面收缩率和冲击韧性下降。
锰(Mn)可提高钢轨强度和韧性，并去除有害的氧化铁和硫类夹杂物，如钢材中的含锰量超过1.2%，则称为高锰钢，钢材的硬度，抗冲击性，耐磨性能能得到较大的提高，但锰对钢轨的焊接有不利影响。
硅(Si)易与氧结合，除去钢中的气泡，增加钢的致密度，如在钢轨中的含硅量较高，则也能提高钢轨的耐磨性能，如钢中SiO2以非金属夹杂物存在，则往往是钢轨的疲劳伤损源。
磷(P)是有害成分，如钢轨中含磷过多，则就会出现冷脆性，在严寒地区，易造成钢轨断裂。 硫(S)也是有害成分，如钢材中含硫过多，则当钢轨温度达到800~1200℃时出现热脆性，造成钢轨轧制或热加工过程中钢轨断裂，出现大量废品。一般要求磷和硫的含量都小于0.04%，但国外有些钢轨磷和硫的含量达到或小于0.015%。
此外，目前世界各国也生产合金轨，即在钢轨中加入钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)等，以提高钢轨的材质，满足高速铁路的要求。我国和世界各国主要钢轨的化学成分如表2-2所示。 表2-2 中国和世界主要钢轨化学成分(％) 项 目 C Si Mn P S Al V b(MPa) ) 883 883 900 880~1030 s 8 8 (%京沪技术条件 U71Mn U71MnSi U75V(PD3) UIC 900A TGV EN规定(液) (固) 0.65~0.75 0.65~0.76 0.65~0.75 0.71~0.78 0.60~0.80 0.60~0.80 0.62~0.80 0.60~0.82 0.10~0.50 0.15~0.35 0.85~1.15 0.50~0.70 0.10~0.50 0.10~0.50 0.15~0.58 0.13~0.60 0.80~1.30 ≤0.025 0.008~0.025 1.10~1.40 ≤0.025 1.10~1.15 ≤0.04 ≤0.04 ≤0.04 ≤0.040 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.030 0.004 － － 0.004 － ≤0.004 ≤0.0004 ≤0.004 0.03 － 0.04~0.08 － － － 0.75~1.05 ≤0.025 0.008~0.025 0.80~1.30 ≤0.040 0.80~1.30 ≤0.035 0.70~1.20 ≤0.025 0.65~1.25 ≤0.030 10 － － JISE1101 0.63~0.75 0.15~0.30 0.70~1.10 ≤0.030 ≤0.025 注： EN—欧洲标准协会，JISE1101—日本工业标准1101-1993；b为抗拉强度；s为伸长率；U75V轨Al一栏内的V代表钒。
表 2-3 钢轨残留元素上限(%) 项 目 Cr(铬) Mo(钼) 京沪技术条件 0.15 0.02 平均值 0.028 0.004 TGV 偏 差 0.010 0.002 EN 0.15 0.15 Ni(镍) Cu(铜) 0.10 0.15 0.036 0.026 0.005 0.010 0.10 0.15 Sn(锡) 0.040 0.011 0.007 0.04 Sb(锑) Ti(钛) Nb(铌) V(钒) Cu+10Sn Cr+Mo+Ni+Cu+V 0.020 0.025 0.01 0.03 0.35 0.35 微量 0.02 微量 0.025 微量 0.01 微量 0.03 － 0.35 0.35 0.35 表2-3列出了对残留元素上限值的规定。可以看出，为了提高钢轨材质的纯净度，在化学成分上对P、S﹑Al﹑H、O等有害元素的含量进行了更严格的限制，并对残留元素的含量作了规定。京沪技术条件中的化学成分主要是参考了法国TGV及德国ICE使用UIC900钢种的经验及TGV和EN标准对UIC900A标准的部分补充和修订，并考虑到提高焊接性能的需要而对碳的含量作了小量调整之后而提出的，它综合了国外高速铁路钢轨的经验，因而具有更优良的性能。为了提高国产钢轨的纯净度，在冶炼和轧制过程中必须4 同济大学城市轨道与铁道工程系
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引人铁水预处理、碱性氧气转炉或电弧冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、高压水除磷等先进技术。
钢轨的力学性能也是钢轨的主要特性，包括强度极限b、屈服极限s、疲劳极限r、延伸率s、断面收缩率、冲击韧性ak及布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的承载能力、磨耗、压溃、断裂及其他伤损有很大的影响。高速铁路钢轨还对裂纹扩展速度、残余应力、落锤性能等提出了比常速铁路更高的要求。
近几年来，我国的钢轨制造技术和工艺都有较大的进步。京沪高速铁路根据世界各国高速铁路对钢轨的力学性能要求，提出了相应的技术条件，如表2-4。表中的各项指标值大体是参照UIC900A和EN标准制订的。
表2-4 钢轨的力学指标 参数 指标 疲劳寿命(次) K1c(MPam1/2) (r=-1,应变幅1350Hz) 最小值 平均值 65×10 26 29 da/dN(m/GC) 残余应力△K(MPam1/2) (MPa) 10 13.5 ≤250 17 1 b(MPa) 5(%) 硬度(HB) ≥880 ≥10 260~300 落锤 (1t,高9.1m) － 钢轨的硬度是一项重要指标，高硬度的钢轨一般较耐磨(要与车轮的硬度相匹配)，其使用寿命也相应提高。对于普通的高碳钢钢轨，一般布氏硬度为280~300HB，但低的也有260HB。对于有些特殊要求的钢轨，如曲线钢轨，当钢轨在800°C以上时，采用水雾冷却，使钢轨的硬度达355~390HB。目前对钢轨的热处理分两种，一种是铁路工务部门对钢轨轨头淬火，一种是钢铁厂在钢轨出厂前根据铁路工务部门的要求对钢轨进行淬火等热处理，一般钢铁厂对钢轨淬火的质量较好。工厂热处理的钢轨大大减小了钢体中珠光体薄片的间距，钢轨的最高硬度可达400HB。
第四节 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求
钢轨截面尺寸偏差和平直度也是钢轨质量的一个重要指标。如采用截面尺寸偏差过大，平直度不良的钢轨，则也就很难铺设高质量的铁路轨道。为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。表2-5列出了我国京沪高速铁路技术条件﹑国外高速铁路UIC860、JISE1011(日本工业标准1101-1993)、TGV、EN(欧洲标准协会)、及我国的GB2585和TB/T2344各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。表2-6列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定。
表2-5 世界主要高速铁路钢轨尺寸允许偏差(mm) 项 目 钢轨高度 轨头宽度 轨腰厚度 鱼尾板支撑表面 鱼尾板安装高度 轨底宽度 轨底边缘厚度 轨底平整度 京沪技术条件 UIC860 JISE1011 TGV EN(A) EN(B) GB2585 TB/T2344 ±0.5 ±0.6 ±1.0 ±0.5 ±0.6 ±0.6 +0.8,－0.5 ±0.5 ±0.5 ±0.5 ±0.8,－0.5 ±0.5 ±0.5 ±0.5 0.5 — －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 －0.5~+1.0 ±0.35 ±1.0,－0.5 外侧≤1.5 ±0.35 ±0.35 腰高 腰高 间隙 ±0.5 ±0.5 ±0.6 ±0.6 内侧≤0.5 ±0.6 ±0.6 ±1.0 －0.5~+1.0 ±0.8 ±0.8 ±1.0 ±1.0 +1.0,-2.0 +1.0,-2.0 ﹢0.75, －0.5 — — — ﹢0.75,－0.5 +0.75,－0.5 — — 凹陷≤0.3 — 不平≤0.4 — 凹陷≤0.3 凹陷≤0.3 凸出≤0.5 凸出≤0.5 头≤0.5 头对底偏移 头≤0.5 头≤0.5 断面不对称 ±1.5 ±1.5 ±1.2 ±1.2 底≤1.0 ≤0.5 底≤1.0 底≤1.0 端面垂直度 ≤0.6 ≤0.6 ≤0.5 ≤0.6 ≤0.6 ≤0.6 ≤1.0 ≤1.0 注：GB—中国国家标准；TB—中国铁路标准 表2-6 世界主要高速铁路钢轨平直度规定(mm) 部 位 项 目 京沪技术条件 UIC860 JISE1101 TGV EN(A) EN(B) 垂直平直度(向上) 0.4/2,0.3/1 0.7/1.5 1.7/1.5 0.4/2,0.3/1 0.4/2,0.3/1 0.5/1.5 轨 端 垂直平直度(向下) 0.2/2 0 0 0.2/2 0.2/2 0.2/1.5 水平平直度 0.5/2, 0.4/1 0.7/1.5 0.5/1.5 0.5/2,0.4/1 0.6/2,0.4/1 0.7/1.5 轨 身 垂直平直度 — — 0.3/3,0.2/1 0.3/3,0.2/1 0.3/30.2/1 0.4/3, 0.3/1 同济大学城市轨道与铁道工程系
GB2585 0.8/1 0.2/1 0.8/1 — TB/T2344 0.5/1 0.2/1 0.5/1 — 5
轨道工程 第二章 钢轨 重 叠 部 位 全 长 端 部 全 长 水平平直度 垂直平直度 水平平直度 上弯曲和下弯曲 侧弯曲 扭 曲 扭 曲 0.45/1.5 0.3/2 0.6/2 ≤5mm R>1500m 0.455/1 2.5m — — — — — 0.4/1 — — — — 10/10 10/10 — 1.0m 0.45/1.5 — — ≤5mm R>1500m — — 0.45/1.5 0.3/2 0.6/2 ≤5mm R>1500m 0.455/1 2.5m 0.6/1.5 0.4/1.5 0.6/1.5 ≤5mm R>1500m 0.455/1 2.5m — — — 0.5% — 0.1% — — — 0.5% — 0.1% 从总体看，EN标准的项目检查，其指标值EN(A)与TGV大体相近，可作为V=250~300km/h时的参考；EN(B)与UIC860，JISE大体相近，可作为200km/h≤V≤250km/h时之参考。我国GB2585和TB/T2344标准与高速铁路的要求尚有很大差距，必须在钢轨轧制，冷却，校直等生产环节引入先进技术，如万能法轧制、立卧复合矫直、压力机补矫等，才能逐步缩小差距，满足高速铁路对钢轨几何尺寸的偏差要求。 表2-7 高速铁路焊接接头平直度标准 (mm) 部位 顶 面 内侧工 作面 项 目 接触焊 铝热焊,气压焊 接触焊 铝热焊,气压焊 京沪技术条件 +0.2/1m , -0/1m +0.2/1m, -0/1m +0.2/1m, -0/1m ±0.3/1m TGV +0.2/1m, -0/1m +0.2/1m, -0/1m +0.2/1m, -0/1m ±0.3/1m 日本新干线 +0.3/1m, -0/1m +0.3/1m, -0/1m +0.3/1m, -0/1m ±0.3/1m TB/T1632-91 +0.3/1m, -0/1m +0.3/1m, -0/1m +0.3/1m, -0/1m ±0.3/1m 由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。钢轨焊接接头分三种，接触焊、气压焊和铝热焊。三种焊接方法的焊接接头质量也有差异，铝热焊钢轨接头的质量最差。所以钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。为保证高速列车的高速、平稳性地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出了更高的要求。所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控制部位。表2-7列出了中国和世界主要高速铁路焊接接头的平直度标准。
第五节 钢轨伤损
钢轨是轨道结构的重要部件。由于机车车辆的动力作用、自然环境和钢轨本身的质量等原因，钢轨经常发生裂纹、折断和磨耗等现象。钢轨伤损是铁路上一个较为突出的问题，并严重影响行车的安全。我国根据钢轨的伤损种类，伤损位置及伤损原因进行分类，共分为9类32种伤损，并用2位数编号，如表2-8所示，十位数表示伤损部位和状态，个位数表示造成伤损的原因。以下介绍几种常见的钢轨伤损。 表2-8 钢轨伤损分类编号表（TB1778-1986） 0 1 2 3 4 5 6 伤 钢轨制钢轨金钢轨断钢轨保车轮造工具撞钢轨焊损 造方面属接触面设计养和使成的伤击或其接工艺主 的缺陷疲劳造或接头用方面损 他机械缺陷造要 造成的成的损连接结的缺点作用造成的伤原 伤损 伤 构缺点造成的成的伤损 因 造成的伤损 损 伤损位置及状态 伤损 1 轨头表面金属碎裂或剥离 10 11 14 2 轨头横向裂纹 20 21 24 26 3 轨头纵向的水平或垂直裂纹 30 4 轨头表面压陷或磨耗 40 41 43 44 46 5 轨腰伤损 50 52 53 55 56 6 轨底伤损 60 62 66 7 钢轨折断 70 8 钢轨锈蚀 9 钢轨的其他伤损 95 6 同济大学城市轨道与铁道工程系 7 钢轨淬火工艺缺陷造成的伤损 8 9 钢轨焊上述以补工艺外的其缺陷或他原因连续线造成的焊接不缺陷 良造成的缺陷 18 38 49 79 89 99 17 27 47 轨道工程 第二章 钢轨
一、钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹
在普通线路上，钢轨接头无法避免。一般在轨腰中和轴附近钻孔，以便安装接头螺栓。由于轨腰钻孔，强度被削弱，钢轨在应力传递过程中，在螺栓孔周围产生应力集中，同时由于车轮通过接头时产生冲击，螺栓孔周围应力集中现象更为严重。研究结果表明，轮轨高频冲击荷载P1和低频冲击荷载P2决定轨端第一螺栓孔的应力水平，P2力决定第二螺栓孔的应力水平。在轮轨冲击荷载作用下，螺栓孔周围先产生肉眼看不见的45º斜向(与主应力垂直方向)细微裂纹，也称裂纹萌生期，在列车荷载的进一步作用下，裂纹进一步扩展并产生断裂，如图2-5所示。
研究表明，裂纹萌生期远大于扩展期，一般情况下是四倍左右，所以控制裂纹萌生期是延长螺栓孔裂纹发展的有效措施。一般措施有：提高钢轨接头区轨道结构的弹性，降低轮轨冲击荷载P1和P2力，螺栓孔应力可减小30%左右；提高螺栓孔表面的加工光洁度和在孔口倒棱；对螺栓孔表面进行硬化、防锈等处理，提高螺栓表面的强度。
图2-5 钢轨接头螺栓孔裂纹 图2-6 钢轨焊接接头的断裂
钢轨焊接接头的轨面平顺性较普通螺栓接头好得多，但由于焊缝(主要是铝热焊接头)材料与钢轨母材不一致，造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致而产生轨面不平顺，增大了轮轨冲击荷载，从而造成焊接接头钢轨的断裂，如图2-6所示。
二、轨头核伤
轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢伤损。在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨发生突然猝断，如图2-7所示。
图2-7 轨头核伤
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轨道工程 第二章 钢轨
钢轨核伤的内因是由于钢轨在制造过程中，在钢轨中的非金属夹杂物或微小气泡；外因是在列车荷载作用下，产生巨大的接触应力，使钢轨接触疲劳破坏。研究表明，轴载与轨头横向裂纹发展的关系为：
dP2(当钢轨内部最大夹杂物直径小于0.15mm) 和dP3.3(当钢轨内部最大夹杂物直径大于
0.15mm)(d为夹杂物直径，P为轴载)。防止和减缓核伤的发生和发展的措施有：提高钢轨的纯净度，减少钢轨中的非金属夹杂物；提高钢轨的接触疲劳强度；提高轨道结构的弹性，减小轮轨冲击荷载。
三、轨头剥离
轨头剥离是当今重载铁路运输中经常出现的一种钢轨伤损，主要发生在轨头内侧圆角处。发生的主要原因是由于在轨头内侧圆角处的轮轨接触应力较大，钢轨表面下几毫米处的剪应力使得钢轨产生剪切疲劳，生产裂纹后，钢轨表面掉块。剥离的最初阶段，钢轨表面出现间距呈规律的45º细微斜裂纹，裂纹方向与行车方向相反，如图2-8所示。之后轨头表面下出现微裂纹，当裂纹在表面下发展几毫米后，几乎成水平裂纹，当裂纹面积达到一定程度后，裂纹顶层在列车车轮碾压下产生塑性变形，最后断裂，轨面出现凹坑，如图2-9所示。
图2-8 轨头圆角处45º细微斜裂纹 图2-9钢轨表面的剥离掉块
钢轨剥离的主要原因是接触应力过大，钢轨强度不足；钢轨材质有缺陷；车轮和轨道的维修工作不良等。钢轨剥离使得轮轨接触区产生较大变化，如细微裂纹下向发展，就有可能有形成轨头核伤，造成钢轨断裂。
四、钢轨磨耗
钢轨磨耗分轨顶成垂直磨耗、轨头侧面磨耗和波浪形磨耗。不管在直线还是在曲线轨道上，都存在垂直磨耗。垂直磨耗与轮轨之间的垂直力和轮轨之间的蠕滑、摩擦等因素有关，随着线路通过总质量的增大，垂直磨耗也相应增大。当垂直磨耗量达到一定值时，就得更换钢轨。在正常情况下决定钢轨使用寿命的两项依据是：钢轨强度下降和车轮轮缘不与接头夹板上缘碰撞。
钢轨侧面磨耗主要发生在曲线轨道的外股钢轨。随着电力、内燃机车的应用和机车牵引功率的增大，钢轨侧磨的情况更加严重。钢轨侧磨直接影响到曲线钢轨的使用寿命，特别是在半径800m以下的曲线，这一情况更加严重。在半径600m的曲线上，运量达到1亿t就要更换，仅为其使用寿命的七分之一。
钢轨侧磨使得轨头宽度变窄，如图2-10所示。钢轨在侧磨过程中，轨头下侧钢材产生塑性变形，产生裂纹，严重时形成核伤等病害，如图2-11所示。
钢轨侧磨的主要原因是机车车辆通过曲线时，作用在外股钢轨轨头内侧的轮缘力和轮轨冲击角。而轮缘力和轮轨冲击角的大小受机车车辆的动力性能、转向架固定轴距的长短、曲线半径的大小、轨道的动力性能、轨道几何参数设置等诸多因素有关。工务方面减缓曲线轨道钢轨侧磨的措施有：合理调整轨道结构8 同济大学城市轨道与铁道工程系
轨道工程 第二章 钢轨
参数，如轨距、轨底坡、超高等；改善轨道结构的动力性能，如改变轨道结构弹性；钢轨侧面涂油等。
图2-10钢轨侧磨及量测 图2-11 钢轨侧磨及轨头侧面核伤
我国把钢轨磨耗分为轻伤和重伤两类，如表2-9所示。总磨耗量为垂直磨耗加上一半侧面磨耗。垂直磨耗在轨顶距标准断面作用边三分之一处测量，侧面磨耗在钢轨标准断面的轨顶面下16mm处测量，如图2-9所示。工务部门要求对轻伤钢轨要加强观测，对重伤钢轨必须及时更换。 表2-9 钢轨头部磨耗的轻、重伤标准 轻伤标准 钢轨类型 CHN 75 CHN 75~CHN 60 CHN 60~CHN 50 CHN 50~CHN 43 CHN 43以下 16 14 12 10 9 总磨耗 正线及到发线 其他站线 18 16 14 12 10 垂直磨耗 正线及到发线 10 9 8 7 7 其他站线 11 10 9 8 8 侧面磨耗 正线及到发线 16 14 12 10 9 其他站线 18 16 14 12 11 重伤标准 垂直磨耗 12 11 10 9 8 侧面磨耗 21 19 17 15 13 钢轨波浪形磨耗(Corrugation，简称波磨)是指钢轨投入运行后在钢轨表面上出现的有一定规律的周期性磨损和塑性变形，如图2-12所示。钢轨的波磨问题一直是制约铁路高速重载发展的重要因素，其发生和发展规律的机理相当复杂，至今仍未被人们所掌握。根据波长可将波磨分两大类：波长在30~80mm，波深0.1~0.5mm，波峰亮、波谷暗，规律明显，此类波磨称为波纹磨耗；波长为150~600mm及以上，波深0.5~5mm，波峰、波谷都发亮，波浪界线不规则，此类波磨称为长波磨耗。
波磨一般出现在曲线地段，在半径为300m至4500m的曲线上都可能发生波磨。列车制动地段的波磨出现概率和磨耗速率都较大。直线地段出现波磨的情况很少。波磨的成因十分复杂，有钢轨材质原因，也有机车车辆动力性能的原因，还有列车运
行工况的原因。防止和减缓钢轨波磨的措施有：提高轨道结构的弹性；合理设置曲线轨道的参数；钢轨表面打磨等。
五、钢轨探伤
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图2-12 钢轨的波浪形磨耗
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轨道工程 第二章 钢轨
根据钢轨探伤设备的工作原理，分电磁探伤和超声波探伤两大类。我国和大多数国家铁路使用超声波钢轨探伤仪器。超声波在不同材料中传播的声速和波长不同(超声波探伤中最常使用的频率范围为0.5~10MHz，在5MHz时，声速的波长如表2-10所列)，当超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质上时，如果两种介质不同，则在界面上会产生声波反射、折射和波型转换现象，且超声波在传播过程中如果遇到尺寸不同的障碍物时，则发生不同的反射、折射和透射。超声波探伤就是利用这一原理进行工作的。当超声波射入钢轨的核伤、裂纹或其他伤损时，在钢与空气的界面上受阻，产生反射波，经过电子仪器的接收并显示，就能发现钢轨内部存在的伤痕。还可以根据超声波发射与反射的时间间隔及其在钢轨内的传播速度，判断伤痕的深度。
表2-10 几种不同材料的声速和5MHz时的波长 材料 铝 钢 有机玻璃 水 油 空气 密度 (g/cm3) 2.69 7.8 1.18 1.0 0.92 0.0012 6300 5900 2700 1500 1400 240 纵波 波速C0(m/s) 波长(mm) 1.3 1.2 0.54 0.30 0.28 0.07 3130 3200 1120 -- -- -- 横波 波速C0(m/s) 波长(mm) 0.63 0.64 0.22 -- -- -- 钢轨探伤的主要元件是超声波探头，探头是一个能量转换装置，它可以将电能转换为声能，也可把声能转换为电能。在每一探头盒内装有两片压电换能器，一片发射超声波，一片接收。探头有各种角度的发射晶片，不同的探伤仪使用不同声波角度的探头，一般有0º、30º、35º、50º、70º探头角度。图2-13为一个6通道的超声波探头排列。这种排列方式可探测轨头和轨腰的水平、垂向裂纹，螺栓孔裂纹和角度达20º的轨头核伤。
图2-13 6个超声波探头的排列
图2-14 SRI-10手推钢轨探伤小车
线路上的探伤设备有手推式探伤小车和大型探伤车。世界各国有各种形式的钢轨探伤小车，但原理基本相同。图2-14为以色利ScanMaster Systems公司生产的SRI-10手推钢轨探伤小车。一般钢轨探伤小车由车架、仪器、水箱及其他一些附件。水箱是给轨面刷水，使得探头与轨面接触良好，减少杂波的产生。 10 同济大学城市轨道与铁道工程系
轨道工程 第二章 钢轨
探伤小车的效率较低，工人劳动强度较大，所以近年来越来越多地使用大型探伤车。大型钢轨探伤车通常是指能同时对两股钢轨进行快速探测，并能实时分析、处理和记录探测结果的钢轨探伤设备。钢轨探伤车主要由动力、供电、车辆行走、制动等系统以及钢轨探伤检测系统和生活设施等部分组成。
图2-15 轮探头在钢轨上的位置
我国自1993年开始引进美国生产的SYS-1000型钢轨探伤车，到2004年底全路已有该型号探伤车14台。SYS-1000超声波钢轨检测系统集计算机控制技术、信息处理技术和超声波检测技术于一体，其先进的钢轨缺陷模式识别软件使钢轨探伤车检测的一致性、准确性以及自动化程度得到大大提高。适用于检测从CHN 43到CHN75的所有轨型，可检测出常见的钢轨伤损。目前各铁路局在役钢轨探伤车最高检测速度为40km/h，2003年部基础设施检测中心GTC-001号钢轨探伤车通过系统改造升级，最高检测速度已超过70 km/h。
SYS-1000系统用超声波检测钢轨中的缺陷，其工作原理与用手工探伤仪探测钢轨缺陷是一样的。它利用各种不同角度的超声波换能器向钢轨发射超声波，并采集回波信息，再通过计算机技术分析处理超声波回波信号，并由系统完成对钢轨伤损的自动识别，如图2-15所示。
钢轨探伤车探测小车架共安装有四个结构完全相同的超声波轮探头，每股钢轨上两个，同侧钢轨上的两轮探头以镜像方式安装。每个轮探头内有6个换能器：1个0º，3个70º，1个45º，1个侧向45º。这6个换能器以不同的角度进入钢轨并最大限度地覆盖钢轨。工作时，同股钢轨上的两个轮探头并不完全独立，系统判伤时要同时借助两个轮探头的回波信息。但左右两轨上的轮探头却无任何联系，可单独工作。这样，钢轨探伤车在正常情况下应该是24个通道同时工作，只要有一个轮探头不能正常工作，整个系统也就不能正常探伤。不同角度换能器声束在钢轨中的覆盖范围如图2-16所示。
图2-16 不同角度换能器声束在钢轨中的覆盖范围
0º换能器的作用有三个：①检测伤损：0º纵波(3.5MHz)声束垂直于轨面进入钢轨，通过轨腰到达轨底，
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因此该换能器可探测到那些挡住轨底回波的缺陷。可检测钢轨中诸如轨头和轨腰中水平方向的缺陷，另外还可探测螺孔裂纹及其他螺孔缺陷和轨头纵向劈裂。②底波监视：0º换能器有一个非常重要的作用就是监视0º声束的钢轨轨底回波作为探头调整和对中调节的基准信号。③界面跟踪：检测钢轨界面回波，产生界面跟踪闸门。
45º换能器的作用：45º横波声束(2.25MHz)主要用于探测轨腰部分缺陷，尤其是螺孔裂纹，该换能器还可探测70º换能器漏掉的特殊取向的缺陷，在同一钢轨的两个轮探头中45º换能器相对安装，一个向前，一个向后。
70º换能器的作用：三束横波声束(2.25MHz)探测轨头及轨腰上部缺陷，同一探头上的三个70º换能器沿轨面宽度方向并排平行安装，各自独立，角度和声束方向相同，用一次波探伤，覆盖整个轨头截面，主要探测如轨头核伤和焊缝缺陷，另外还可探测轨头中的垂直劈裂。同一钢轨上两探头中的70º换能器向对安装，一个向前，一个向后。
侧打45º换能器：指向钢轨内侧或外侧的横波声束(2.25MHz)，目的是查钢轨颚部界限及其尺寸，主要用于探测轨头垂直劈裂缺陷。
钢轨探伤车探测小车架的主要作用是在钢轨探伤中支持和控制超声波轮探头，如图2-17所示。小车组件设计用控制系统帮助操作者保持轮探头对准钢轨中部，保持轮探头对中良好对获得准确的探伤结果十分重要。每根钢轨上的两个轮探头都由水平和倾角调节控制，小车同时提供一个装置以将小车走行轮按钢轨的轨距锁定，这样以保证由水平和倾角控制机构控制的对准功能。当探伤车不检测时，探测小车架保持在收缩升起状态。
探测小车架上安装有控制小车各部件动作的各种气压、液压、传感及电子等器件。各种信号线、电缆、电气控制线等都通过不同接线盒连接到车上检测和控制系统。通过探伤车操作室内的小车控制面板，可实现控制小车的各种动作，如小车升降、气缸伸缩、探头对中调节、耦合水开关、过岔锁定等。
第六节 钢轨接头
钢轨长度决定于轧制、运输、铺设，在两根定长的钢轨之间，用夹板连接成连续的轨线，称为钢轨接头，而钢轨接头致使线路在运行过程中产生各种病害。为了减少钢轨接头，应尽量采用长的钢轨；但钢轨长度越长，轧制越困难，所以各国铁路的钢轨长度都限制在一定的范围以内。如前苏联的标准钢轨长度为25m和50m；德国的标准钢轨长度为36m和120m；美国的标准钢轨长度为11.89m和23.96m；日本的标准钢轨长度为25m；我国的标准长度为25m和12.5m，用于客运专线上的有50m和100m两种，CHN75钢轨，只有25m一种。用于普通线路的钢轨轨端淬火，并有工厂加工的夹板螺栓孔。用于无缝线路的钢轨轨端不淬火，也不钻孔。
随着无缝线路的出现，铁路上的钢轨长度已远远长于标准轨长度，大量地减少钢轨接头，为改善列车运行提供了有利的条件。
一、接头联接零件
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图2-17 钢轨探伤车探测小车架
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钢轨接头的联结零件由夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成。
接头夹板的作用是夹紧钢轨。夹板以双头对称式(对称度在10%以内)为最常用。接头夹板分斜坡支承型和圆弧支承型两种，如图2-18所示。我国目前标准钢轨接头用斜坡支承型双头对称式夹板。这种夹板的优点在竖直荷载作用下，具有较大的抵抗弯曲和横向位移的能力。夹板上下两面的斜坡，能楔入轨腰空间，但不贴住轨腰。这样，当夹板稍有磨耗，以致联结松弛时，仍可重新旋紧螺栓，保持接头联结的牢固。接头夹板有4孔和6孔，我国铁路使用的夹板上有6个螺栓孔，圆形与长圆形孔相间布置。圆形螺栓孔的直径较螺栓直径略大，长圆形螺栓孔的长径较螺栓头下长圆形短柱体的长径略大，当夹板就位后，螺栓头部的长圆形柱体部分与夹板的长圆孔配合，拧螺母时螺栓就不会转动。依靠钢轨圆形螺栓孔直径与螺栓直径之差，以及夹板圆形螺栓孔直径与螺栓直径之差，就可以得到所需要预留的轨缝。夹板的6个螺栓头部交替布置，以免列车脱轨时，车轮轮缘将所有的螺栓剪断。我国铁路使用的接头夹板和接头螺栓如图2-19所示。夹板的主要尺寸如表2-11所示。
(a) 斜坡支承型 (b) 圆弧支承型
图2-18 接头夹板的支承形式
(a) 钢轨接头螺栓
(b) 接头夹板
图2-19 钢轨夹板螺栓与夹板图
表2-11 接头夹板的主要尺寸(单位：mm) 尺寸 a b c d e f 1:g 1:k1,1:k2 L l1 l2 l3 D R k 13
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轨道工程 第二章 钢轨
CHN75钢轨 129.4 45.5 14.5 63.1 21.0 3.0 CHN 50钢轨 106.8 46.0 13.0 56.2 19.0 6.0 1:4 1:4 1:4 1:4 1000 130 220 202 820 140 150 140 26 26 26 13 13 13 8 8 8 CHN 60钢轨 125.5 45.0 14.0 64.3 20.0 11.0 1:3 1:3,1:20 820 140 140 160 螺栓需要有一定的直径，螺栓直径愈大，紧固力愈强。但加大螺栓直径势必加大钢轨及夹板上的螺栓孔直径，这将削弱轨端与夹板的强度，因此宜用高强度的碳素钢制成的螺栓，并加以热处理，以提高螺栓的紧固力和耐磨、耐腐蚀的性能。
接头螺栓按其机械性能划分等级。1985年前，将螺栓分为一、二、三级，它们的抗拉强度分别882、686、490Mpa，一级用于无缝线路，二、三级用于普通线路。为按照国际标准划分，分成10.9级和8.8级两种高强度螺栓，抗拉强度分别相当于1090和880Mpa。过去的一级螺栓相当于10.9级，二级螺栓相当于8.8级。螺母由Q275钢材制成。螺母直径有22mm和24mm两种。螺母的许用拉伸应力为1060MPa。
为防止螺栓松动，要加弹簧垫圈(单圈)，有圆形和矩形两种。在无缝线路伸缩区的钢轨接头加设高强度平垫圈。材料为55Si2Mn、60Si2Mn或55SiMn、60SiMn。
二、接头轨缝
为了让钢轨能热胀冷缩，在普通线路的钢轨接头处要预留轨缝。轨缝大小按铁道部颁发的《铁路线路维修规则》中的预留轨缝公式计算：
1g (2-1) 2式中，为钢轨线膨胀系数(0.0118mm/m.℃)；L为钢轨长度；tz为当地的中间轨温；t0为调整轨缝时的轨
0L(tzt0)温；g为钢轨的构造轨缝(18mm)。
由上式计算所得的轨缝必须满足两个条件，即在冬天轨温最低时(最低轨温等于最低气温)，预设轨缝加上一根钢轨收缩量不能大于构造轨缝，以免接头螺栓受剪破坏；在夏天轨温最高时(最高轨温等于最高气温加20℃)，一根钢轨的伸长量应小于或等于预留轨缝宽度，以免两根钢轨轨端顶严。
为保证钢轨接头工作正常，在《铁路线路维修规则》中对接头螺栓的扭矩作了规定，如表2-12所示。 表2-12 普通线路钢轨接头螺栓扭矩标准 项目 钢轨类型 螺栓等级 扭矩 c值 单位 kg/m -- N.m mm 25m 钢轨 最高、最低轨温差＞85℃ ≥60 10.9 700 50 10.9 600 6 43 8.8 600 最高、最低轨温差≤85℃ ≥60 10.9 500 50 8.8 400 4 43 8.8 400 12.5m钢轨 50 8.8 400 2 43 8.8 400 注：1. c值为接头阻力及道床阻力限制钢轨自由伸缩的数值；2. 小于CHN43钢轨比较CHN43钢轨办理；3. 高强度绝缘接
头螺栓扭矩不小于700N.m。
三、接头布置
钢轨接头相对于轨枕的承垫形式可分为两种：悬空式和承垫式，如图2-20所示。单枕承垫式因车轮通过时使轨枕左右摇摆而稳定性较差，故目前很少采用；双枕承垫式在正线绝缘接头使用较多；我国铁路采用悬空式钢轨接头。
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(a) 悬空式 (b) 单枕承垫式 (c) 双枕承垫式
图2-20 钢轨接头的承垫方式
(a) 相对式钢轨接头 (b) 相错式钢轨接头
图2-21 相对式和相错式钢轨接头布置
按两股钢轨接头的位置可分为相对式和相错式，如图2-21所示。相错式的缺点是车轮轮流冲击接头，如轨道状态不良，加剧了车辆的摇晃。在轨道铺设时，也不能采用单根钢轨长度的轨排铺设，不利于机械化施工。美国铁路多采用相错式钢轨接头，我国铁路采用相对式钢轨接头。
四、接头类型
按钢轨接头的功能可分普通接头、异形接头、导电接头、绝缘胶接接头、伸缩接头和焊接接头。 钢轨异形接头是用于连接两种不同型号的钢轨，如CHN75钢轨与CHN60钢轨连接，CHN60钢轨与CHN50钢轨连接，但不能CHN60钢轨与CHN45或CHN43钢轨连接，也即要相邻等级钢轨之间方可用异形接头连接。由于不同等级的钢轨高度，轨腰高度都不一致，所以夹板也随两种钢轨的变化，如图2-22所示。
由于钢轨表面和夹板表面生锈，导致接头电阻较大，为了减少轨道电路的电流损失，在轨端钻孔连接导电线。由于在轨头钻孔影响钢轨的疲劳强度，现在的导电接头一般用喷焊连接导电线，如图2-23 所示。
图2-22 承垫式钢轨异形接头 图2-23 承垫式导电钢轨接头
绝缘接头用于自动闭塞区段闭塞分区两端的钢轨接头上，隔断电流。以往是在夹板与轨腰之间用尼龙绝缘板，在轨缝中也用一块与钢轨截面形状相同绝缘板，接头螺栓也用尼龙套管绝缘，但这种结构形式的钢轨接头由于尼龙绝缘层的存在，在列车冲击轮载作用下，接头螺栓容易松动。近年来，由于高分子胶接技术的发展和铺设跨区间无缝线路的需要，胶接绝缘接头应用越来越广泛。如道岔区域内的绝缘接头采用胶接接头，取得了较好的效果。胶接接头具有较高的强度和韧性，在强大力的作用下也能保证钢轨与夹板不发生相对移动，所以胶接接头区的轨道养护条件也与无缝线路的养护条件相同。胶接接头采用全断面夹板，胶粘工艺有用热胶在工厂内完成粘接，也有用双组常温固化胶在现场完成粘接，如图2-24所示。
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轨道工程 第二章 钢轨
(a) 钢轨胶接接头 (b) 铺设在线路上的钢轨胶接接头
图2-24钢轨胶接接头
伸缩接头又称钢轨伸缩调节器，可以有从150mm~1200mm的伸缩量，伸缩量的大小可以根据需要设计。我国一般在跨度大于100m的桥上使用伸缩接头，原因是普通钢轨接头的伸缩量难以满足钢轨伸缩的要求。在大跨度或高墩混凝土梁桥上为减小墩台或钢轨受力，也在桥上或桥头路基上铺设伸缩调节器。日本、法国的高速铁路上也使用钢轨伸缩接头。
钢轨伸缩接头分基本轨和尖轨，尖轨固定不动，基本轨向轨道外侧伸缩，这样保证了基本伸缩时轨距保持不变，如图2-25所示。由于伸缩接头结构较为复杂，所以我国在设计高速客运专线时考虑尽量不用伸缩接头。
温度应力无缝线路长钢轨使用钢轨焊接头，焊接头有接触焊、气压焊和铝热焊，在无缝线路一章详细讨论。
(a) 钢轨伸缩接头 (b) 铺设在线路上的钢轨伸缩接头
图2-25钢轨伸缩接头
五、钢轨接头不平顺及受力
钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一，接头虽然能保持轨道的几何形位，但在一定程度上破坏了轨道结构的连续性，这主要表现在钢轨接头的轨缝、台阶和折角三个方面，如图2-26所示。
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轨道工程 第二章 钢轨
(a) 接头折角 (b) 接头折角、台阶和轨缝 (c) 接头的高频冲击荷载
图2-26 钢轨接头的折角、台阶和轨缝及接头受力特点
由于钢轨接头存在折角、台阶和轨缝，车轮通过时会产生很大的轨冲击荷载。英国铁路总局(BRB)的Lyon和Jenkins等人于1972年成功建立了低接头轨道动力分析模型，并提出了轮轨冲击力P1和P2力的计算公式。
P1Pst2vkHme (2-2) m1emu P2Pst2v式中，2——钢轨接头总折角(弧度)；
muCt(1)ktmu (2-3)
mumt4ktmumtmu——车轮簧下质量(kg)；
me——为有效轨道质量(kg)，一般取0.4m；其中，m为一根当量弹性地基础梁的分布轨道质量，
mmrms/a；mr为钢轨单位长度质量(kg/m)；ms半根轨枕质量(kg)；a 为轨枕间距(m)；
mt为轨道的集中质量(kg)，mtEJ为钢轨的抗弯刚度；
kH——线性化的轮轨接触刚度；
k，为轨道分布刚度(N/m/m)；3；刚比系数
k4m4EJ2kt——轨道的集中刚度(N/m)，kt2k；
2C，C为轨道分布阻尼(N.s/m/m)；
Ct——轨道的集中阻尼(N.s/m)，Ctv——列车速度(m/s)； Pst——静态轮载(kN)。
P1力为轮轨瞬态冲击力，也称高频冲击力，出现在车轮越过接头后0.25~0.5ms时间内，高频率相当于车轮簧下质量与钢轨质量用赫兹接触刚度弹簧联接时的自振频率。P2力又称为低频力，出现在车轮越过接头7ms后，当列车速度为160km/h时，P2力的位置约在接头驶入端的第一根轨枕位置。除钢轨接头外，当车轮存在扁瘢或钢轨表面有擦伤等较短的不平顺时，车轮通过时同样会出现轮轨冲击的P1和P2力。
P1力的作用很快被钢轨和轨枕的惯性反作用力所抵消，故P1力对钢轨头部有较大破坏作用。P2力对于钢轨、轨枕、道床及路基都有破坏作用，其作用与静荷载基本相同。在P1和P2力的作用下，产生钢轨
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轨道工程 第二章 钢轨
接头区的轨头被打塌和剥离、鞍形磨耗、螺孔裂纹、夹板弯曲等病害。由于轮轨冲击作用，道床产生较大的振动加速度，接头区的道床也较难保持稳定，其后果是钢轨接头低塌，道床翻浆冒泥、板结等。轨道状态的恶化进一步加大轮轨之间的动力作用，对轨道的破坏进一步加大。
为减小轮轨之间冲击力，首先是要求钢轨等轨道部件有较好的强度，如对钢轨淬火，提高钢轨的耐冲击性能。增加接头区轨道结构的弹性，提高接头区的轨面平顺性，严格控制轨缝大小，从而达到减小轮轨冲击力。但最根本的措施是采用无缝线路，用焊接钢轨接头代替普通的夹板钢轨接头，从而大大提高轨而的平顺性和提高轨道结构的强度，并且能有效地降低轮轨冲击力。
思考题
1． 钢轨有哪些功用？钢轨截面的设计要满足哪些要求？ 2． 确定钢轨截面尺寸的原则有哪些？
3． 我国铁路和城市轨道交通使用的主型钢轨是哪三种？这三种类型钢轨的底宽、头宽、高等主要尺寸
是多少？
4． 钢轨钢主要由哪些成份组成？各种成份对钢轨性能的影响如何？ 5． 钢轨截面尺寸误差和平直度是根据什么原则确定的？ 6． 有哪四种主要的钢轨伤损？钢轨伤损是如何分类的？ 7． 简述钢轨探伤的原理。
8． 钢轨接头由哪些零件组成？我国铁路轨道为哪一种接头形式？ 9． 预留轨缝值必须符合哪些要求？
10．按钢轨接头的用途和工作性能分，有哪几种钢轨接头？钢轨接头的受力特点。 11．P1力主要对哪些轨道部件产生影响？P2力主要对哪些轨道部件产生影响？
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