軌道工程-第八章 無縫線路.ppt

一 無縫線路基本知識介紹 第八章無縫線路 內(nèi)容提要 二 無縫線路基本原理 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 四 路基上的無縫線路軌道設(shè)計 五 橋上無縫線路 一 無縫線路基本知識介紹 1 定義 無縫線路是把標準長度的鋼軌焊接而成的長鋼軌線路 又稱焊接長鋼軌線路 ContinuousWeldedRail CWR JointlessTrack 1 鋪設(shè)無縫線路的意義 2 無縫線路在長鋼軌內(nèi)消滅了鋼軌接頭 列車通過時高頻沖擊荷載的動態(tài)響應(yīng)消除 相應(yīng)地線路病害減少 4 無縫線路是當今軌道結(jié)構(gòu)的最佳選擇 它以無可非議的優(yōu)越性得到各國鐵路的承認 幾十年來 世界各國競相發(fā)展 我國鐵路無縫線路近年來在技術(shù)上有很大進步 在數(shù)量上有快速增長 3 美國統(tǒng)計 無縫線路鋼軌壽命延長約40 日本鐵路現(xiàn) 采用無縫線路的鋼軌 50型 更換周期由原來的400Mt延長到了500Mt 原蘇聯(lián)統(tǒng)計 通過總重500Mt以后的鋼軌 P65型 抽換數(shù) 降低了3倍 我國統(tǒng)計 無縫線路鋼軌使用壽命延長1 25倍 世界各國在高速與快速客運線路上均鋪設(shè)無縫線路 一 無縫線路基本知識介紹 1 按處理溫度應(yīng)力的方式分 溫度應(yīng)力式無縫線路 放散應(yīng)力式無縫線路 2 無縫線路的類型 2 按長軌條長度 是否跨越車站分 普通無縫線路 溫度應(yīng)力式 有緩沖區(qū) 跨區(qū)間無縫線路 超長無縫線路 3 按CWR在我國的發(fā)展歷程分 普通無縫線路 L 1000 2000m 區(qū)間無縫線路 L 區(qū)間長度 跨區(qū)間無縫線路 L 區(qū)間長度并焊連無縫道岔 4 按CWR鋪設(shè)位置 設(shè)計要求分 路基無縫線路 橋上無縫線路 岔區(qū)無縫線路 5 按長鋼軌接頭的聯(lián)結(jié)型式分 焊接無縫線路 凍結(jié)無縫線路 一 無縫線路基本知識介紹 1 按處理溫度應(yīng)力的方式分 溫度應(yīng)力式無縫線路 放散應(yīng)力式無縫線路 2 無縫線路的類型 溫度應(yīng)力式無縫線路 1 結(jié)構(gòu)形式 是由一根焊接長鋼軌及其兩端2 4根標準軌組成 并采用普通接頭的形式 2 受力狀況 無縫線路鋪設(shè)鎖定后 在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度力 其值隨軌溫變化而異 3 特點 結(jié)構(gòu)簡單 鋪設(shè)維修方便 應(yīng)用廣泛 4 鋪設(shè)范圍 對于直線軌道 鋪設(shè)50kg m和60kg m軌 每公里配量1840根混凝土枕時 鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無縫線路允許軌溫差分別為100 和108 一 無縫線路基本知識介紹 國外 3 無縫線路發(fā)展概況 鋪設(shè)無縫線路能收到節(jié)約材料 勞力 能耗等綜合技術(shù)經(jīng)濟效果 是當今軌道結(jié)構(gòu)的最佳選擇 它以無可非議的優(yōu)越性得到各國鐵路的承認 幾十年來 世界各國競相發(fā)展 我國鐵路無縫線路近年來在技術(shù)上有很大進步 在數(shù)量上有較快增長 中國 1915年 歐洲在有軌電車軌道上開始使用焊接長鋼軌 焊接軌條長度約為100 200m 20世紀30年代 世界各國開始在鐵路上進行鋪設(shè)試驗 到了50 60年代 由于焊接技術(shù)的發(fā)展 無縫線路得到推廣應(yīng)用和迅速發(fā)展 我國于1957年開始在京滬兩地各鋪設(shè)1km無縫線路 次年才進行大規(guī)模的試鋪 1961年底我國共鋪設(shè)無縫線路約150km 60 70年代對在線路特殊地段鋪設(shè)無縫線路進行了理論和試驗研究 并取得了成功 為在線路上連續(xù)鋪設(shè)無縫線路創(chuàng)造了條件 至2007年 我國鐵路正線無縫線路長度已達5 2萬公里 占正線總長的比重達到58 一 無縫線路基本知識介紹 3 無縫線路發(fā)展概況 隨著軌道結(jié)構(gòu)的加強 實踐經(jīng)驗的豐富以及軌道結(jié)構(gòu)理論研究的深入 各國鐵路都在逐步擴大無縫線路鋪設(shè)的范圍 并積極地發(fā)展跨區(qū)間無縫線路 我國鐵路規(guī)定 今后新建線路 條件許可時均要設(shè)計鋪設(shè)無縫線路或跨區(qū)間無縫線路 一 鋼軌溫度力 伸縮位移與軌溫變化的關(guān)系 一根長度為l可自由伸縮的鋼軌 當軌溫變化 t 時 其伸縮量為 式中 鋼軌的線膨脹系數(shù) 取0 0118mm m 11 8 10 6 l 鋼軌長度 mm t 軌溫變化幅度 二 無縫線路基本原理 無縫線路的特點是軌條長 當軌溫變化時 鋼軌要發(fā)生伸縮 但由于有約束作用 不能自由伸縮 在鋼軌內(nèi)部要產(chǎn)生很大的軸向溫度力 為保證無縫線路的強度和穩(wěn)定 需要了解長軌條內(nèi)溫度力及其變化規(guī)律 2 1 如果鋼軌兩端完全被固定 不能隨軌溫變化而自由伸縮 則將在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力 根據(jù)虎克定律 溫度應(yīng)力 t為 2 2 式中 E 鋼的彈性模量 E 2 1 105MPa t 鋼的溫度應(yīng)變 將E 值代入式 2 2 則溫度應(yīng)力 t為 F 鋼軌斷面積 mm2 一根鋼軌所受的溫度力Pt為 上述公式即為無縫線路溫度應(yīng)力和溫度力計算的基本公式 可知 在兩端固定的鋼軌中所產(chǎn)生的溫度力僅與軌溫變化幅度有關(guān) 而與鋼軌本身長度無關(guān) 因此理論上鋼軌可焊接任意長 且對軌內(nèi)溫度力沒有影響 控制溫度力大小的關(guān)鍵是如何控制軌溫變化幅度 t 對于不同類型的鋼軌 同一軌溫變化幅度產(chǎn)生的溫度力大小不同 無縫線路鋼軌伸長量與軌溫變化幅度 t 軌長l有關(guān) 與鋼軌斷面積無關(guān) 2 3 2 4 二 無縫線路基本原理 為降低長軌條內(nèi)的溫度力 需選擇一個適宜的鎖定軌溫 又稱零應(yīng)力狀態(tài)軌溫 設(shè)計確定的鎖定軌溫稱為設(shè)計鎖定軌溫 鋪設(shè)無縫線路中 將長軌條始終端落槽就位時的平均軌溫稱為施工鎖定軌溫 無縫線路運行過程中處于溫度力為零狀態(tài)的軌溫稱為實際鎖定軌溫 施工鎖定軌溫應(yīng)在設(shè)計鎖定軌溫允許變化范圍之內(nèi) 常說的鎖定軌溫發(fā)生變化是指實際鎖定軌溫發(fā)生變化 而設(shè)計和施工鎖定軌溫 一旦設(shè)計和施工完成記入技術(shù)檔案 作為日后線路養(yǎng)護維修的依據(jù) 不允許隨意改變 鎖定軌溫是決定鋼軌溫度力水平的基準 因此根據(jù)強度 穩(wěn)定條件確定鎖定軌溫是無縫線路設(shè)計的主要內(nèi)容 鋼軌溫度不同于氣溫 影響軌溫的因素比較復雜 它與氣候變化 風力大小 日照強度 線路走向和所取部位等均有密切關(guān)系 根據(jù)多年觀測 最高軌溫Tmax要比當?shù)刈罡邭鉁馗?8 25 最低軌溫Tmin比當?shù)刈畹蜌鉁氐? 3 計算時通常取最高軌溫等于當?shù)刈罡邭鉁丶?0 最低軌溫等于最低氣溫 二 無縫線路基本原理 例8 1 解 最大溫升幅度max T1 63 0 20 0 43 0 最大溫降幅度max T2 30 0 17 9 47 9 對于60kg m鋼軌 最大溫度壓力 maxPt1 248max T1F 248 43 77 45 808 4kN最大溫度拉力 maxPt2 248max T2F 248 47 9 77 45 900 5kN 鄭州地區(qū)Tmax 63 Tmin 17 9 鎖定軌溫設(shè)計值Ts 25 鎖定軌溫變化范圍取25 5 即20 30 計算60kg m鋼軌最大溫度壓力和拉力 二 無縫線路基本原理 軌溫變化時 影響鋼軌兩端自由伸縮的原因是來自線路縱向阻力的抵抗 它包括接頭阻力 扣件阻力及道床縱向阻力 二 線路縱向阻力 鋼軌兩端接頭處由鋼軌夾板通過螺栓擰緊 產(chǎn)生阻止鋼軌縱向位移的阻力 稱為接頭阻力 它由鋼軌夾板間的摩阻力和螺栓的抗剪力提供 為安全起見 我國接頭阻力PH僅考慮鋼軌與夾板間的摩阻力s 摩阻力s的大小主要取決于螺栓擰緊后的張拉力P和鋼軌與夾板間的摩擦系數(shù)f 式中 n 接頭一端的螺栓數(shù) 六孔夾板n 3 s 鋼軌與夾板間對應(yīng)1枚螺栓 4個接觸面 的摩阻力 一 接頭阻力 二 無縫線路基本原理 2 5 2 6 摩阻力的大小主要取決于螺栓擰緊后的張拉力和鋼軌與夾板之間的摩擦系數(shù) 根據(jù)對夾板受力狀態(tài)的分析表明 一根螺栓的拉力接近它所產(chǎn)生的接頭阻力 則接頭阻力的表達式可寫為PH n P 接頭阻力與螺栓材質(zhì) 直徑 擰緊程度和夾板孔數(shù)有關(guān) 在其他條件均相同的情況下 螺栓的擰緊程度就是保持接頭阻力的關(guān)鍵 列車通過鋼軌接頭時產(chǎn)生的振動會使扭力矩下降 接頭阻力值降低 所以定期檢查扭力矩 重新擰緊螺帽 保證接頭阻力值在長期運營過程中保持不變是一項十分重要的措施 軌道設(shè)計規(guī)范 規(guī)定 無縫線路接頭螺栓扭矩不應(yīng)低于900N m 接頭阻力采用400kN 并規(guī)定 正線軌道鋼軌接頭螺栓應(yīng)采用10 9級及以上高強接頭螺栓 站線軌道應(yīng)采用8 8級及以上高強接頭螺栓 接頭阻力的特點 1 其本質(zhì)是摩擦力 只有存在相對運動或相對運動趨勢時 才產(chǎn)生 2 鋼軌首先要克服接頭阻力 然后才能伸長或縮短 3 鋼軌從伸長轉(zhuǎn)入縮短或從縮短轉(zhuǎn)入伸長狀態(tài)要克服兩倍接頭阻力 二 無縫線路基本原理 中間扣件和防爬設(shè)備抵抗鋼軌沿軌枕面縱向位移的阻力 稱扣件阻力 為了防止鋼軌爬行 要求扣件阻力必須大于道床縱向阻力 扣件阻力是由鋼軌與軌枕墊板面之間的摩阻力和扣壓件與軌底扣著面之間的摩阻力所組成 摩阻力的大小取決于扣件扣壓力和摩擦系數(shù)的大小 P 扣件一側(cè)扣壓件對鋼軌的扣壓力 1 鋼軌與墊板之間的摩擦系數(shù) 2 鋼軌與扣壓件之間的摩擦系數(shù) 二 扣件阻力 二 無縫線路基本原理 一組扣件的阻力F為 扣壓力P與螺栓所受拉力P拉的大小有關(guān) 以扣板式扣件為例 按右圖可得P的算式如下 2 7 2 8 根據(jù)鐵科院試驗 如果混凝土軌枕下采用橡膠墊板 不論是扣板式還是彈條式扣件 其摩擦系數(shù)為 1 2 0 8 實測資料指出 在一定的扭矩下 扣件阻力隨鋼軌位移的增加而增大 當鋼軌位移達到某一定值之后 鋼軌產(chǎn)生滑移 阻力不再增加 墊板壓縮和扣件局部磨損將導致扣件阻力下降 此外 列車通過時的振動 會使螺帽松動 扭矩下降 導致扣件阻力下降 為此 鐵路線路維修規(guī)則 規(guī)定 扣板扣件扭矩應(yīng)保持在80 120N m 彈條扣件為100 150N m 二 扣件阻力 二 無縫線路基本原理 三 道床縱向阻力 道床縱向阻力與道床密實度 道碴粒徑 材質(zhì) 道床斷面 搗固質(zhì)量及臟污程度有關(guān) 道床在清篩松動后縱向阻力明顯下降 隨著運營時間的推移 可逐漸恢復正常值 只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床縱向阻力 則無縫線路長鋼軌的溫度應(yīng)力和溫度應(yīng)變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定 二 無縫線路基本原理 道床縱向阻力是指道床抵抗軌道框架 鋼軌和軌枕組裝而成 也稱軌排 縱向位移的阻力 一般以每根軌枕的阻力R 或每延厘米分布阻力r表示 它是抵抗鋼軌伸縮 防止線路爬行的重要參數(shù) 道床縱向阻力是由軌枕與道床之間的摩阻力和枕木盒內(nèi)道碴抗推力組成 道床縱向阻力與位移的關(guān)系曲線 道床縱向阻力表 單根軌枕 二 無縫線路基本原理 右圖是實測得到的單根軌枕在正常軌道狀態(tài)下 道床縱向阻力與位移的關(guān)系曲線 可以看出 處于正常狀態(tài)下的軌道 單根軌枕的道床縱向阻力隨著位移的增大而增加 當位移達到一定量值后 軌枕盒內(nèi)的道碴顆粒之間的嚙合被破壞 即使位移繼續(xù)增加 阻力也不再增大 混凝土軌枕位移小于2mm 木枕小于1mm 道床縱向阻力呈線性增長 道床 彈性無縫線路設(shè)計中 采用軌枕位移為2mm時相應(yīng)的道床縱向阻力值 見下表 溫度力沿長鋼軌的縱向分布 常用溫度力圖來表示 故溫度力圖實質(zhì)是鋼軌內(nèi)力圖 溫度力圖的橫坐標表示鋼軌長度 縱坐標表示鋼軌的溫度力 拉力為正 壓力為負 鋼軌內(nèi)部溫度力和鋼軌外部阻力隨時保持平衡是溫度力縱向分布的基本條件 一根焊接長鋼軌沿其縱向的溫度力分布并不是均勻的 它不僅與阻力和軌溫變化幅度等因素有關(guān) 而且還與軌溫變化的過程有關(guān) 三溫度力圖 為簡化計算 通常假定接頭阻力PH為常量 無縫線路長軌條鎖定后 當軌溫發(fā)生變化 由于有接頭的約束 長軌條不產(chǎn)生伸縮 只在鋼軌全長范圍內(nèi)產(chǎn)生溫度力Pt 這時有多大溫度力作用于接頭上 接頭就提供相等的阻力與之平衡 當溫度力Pt大于接頭阻力PH時 鋼軌才能伸縮 因此在克服接頭阻力階段 溫度力的大小等于接頭阻力 即 tH 接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度 一 約束條件 1 接頭阻力的約束 二 無縫線路基本原理 式中 tH 接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度 接頭阻力被克服后 當軌溫繼續(xù)變化時 道床縱向阻力開始阻止鋼軌伸縮 但道床縱向阻力的產(chǎn)生是體系在道床對軌枕的位移阻力 隨著軌枕位移的根數(shù)的增加 相應(yīng)的阻力也增加 為計算方便 常將單根軌枕的阻力換算為鋼軌單位長度上的阻力r 并取為常量 由上述特征可見 道床縱向阻力是以阻力梯度r的形式分布 故在克服道床縱向阻力階段 鋼軌有少量伸縮 鋼軌內(nèi)部分溫度力放散 因而各截面的溫度力并不相等 以斜率r分布 2 道床縱向阻力的約束 2 9 2 10 二 無縫線路基本原理 式中 t拉max 最大降溫幅度 二 基本溫度力圖 無縫線路鎖定后 軌溫單向變化時 溫度力沿鋼軌縱向分布的規(guī)律 稱為基本溫度力圖 1 當軌溫t等于鎖定軌溫t0時 鋼軌內(nèi)部無溫度力 即Pt 0 A A 線 2 當t t0 tH時 軌端無位移 溫度力在整個長軌條內(nèi)均勻分布 Pt PH B B 線 3 當t t0 tH時 道床縱向阻力開始發(fā)揮作用 軌端開始產(chǎn)生收縮位移 在x長度范圍內(nèi)放散部分溫度力 BC B C 范圍內(nèi)任意截面Pt PH rx 4 當t降到最低軌溫Tmin時 鋼軌內(nèi)產(chǎn)生最大溫度拉力maxPt拉 這時x達到最大值ls 即為伸縮區(qū)長度 D D 線 則 基本溫度力圖 降溫 二 無縫線路基本原理 三 軌溫反向變化時的溫度力圖 當軌溫隨著氣溫循環(huán)往復變化時 溫度力的變化會與前述單向變化有所不同 根據(jù)鎖定軌溫t0的不同 其可能大于 等于或小于當?shù)刂虚g軌溫t中 因而溫度力分布圖也相應(yīng)有三種不同形式 t0與t中的差異會形成溫度力峰值P峰 0 5 Ptmax Ptmin 當t0 t中時 在伸縮區(qū)出現(xiàn)溫度壓力峰值 當t0 t中時 在伸縮區(qū)出現(xiàn)溫度拉力峰值 當t0 t中時 在伸縮區(qū)不會出現(xiàn)溫度壓力峰值 在軌溫上升過程中 在伸縮區(qū)會出現(xiàn)溫度力峰值 但小于P峰 溫度壓力峰值是引起無縫線路失穩(wěn)的重要隱患 特別是在春夏之交 發(fā)生的概率最大 所以在線路養(yǎng)護維修作業(yè)時 應(yīng)特別注意伸縮區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性 1 當Tmin t tH時 軌溫回升 鋼軌有伸長趨勢 首先仍然遇到接頭阻力的抵抗 鋼軌全長范圍內(nèi)溫度拉力減小 溫度力圖平行下移PH值 接頭處溫度拉力變?yōu)榱?溫度力分布如圖中AEE 二 無縫線路基本原理 三 軌溫反向變化時的溫度力圖 1 當Tmin t tH時 軌溫回升 鋼軌有伸長趨勢 首先仍然遇到接頭阻力的抵抗 鋼軌全長范圍內(nèi)溫度拉力減小 溫度力圖平行下移PH值 接頭處溫度拉力變?yōu)榱?溫度力分布如圖中AEE 2 當 tH Tmin t 2 tH時 這時接頭阻力反向起作用 溫度力圖繼續(xù)平行下移PH值 此時接頭處承受溫度壓力 固定區(qū)仍為溫度拉力 如圖中FGG 所示 3 當Tmin t 2 tH時 正 反向接頭阻力已被完全克服完 鋼軌要開始伸長 這時道床縱向阻力起作用 部分長度上溫度力梯度反向 在伸縮區(qū)溫度壓力以斜率r而增加 如圖中FT所示 4 當t Tmax時 固定區(qū)溫度壓力達到maxPt后 由于 t拉max t壓max 固定區(qū)溫度力平行下移到HH 則HN與FT的交點 出現(xiàn)了溫度壓力峰P峰 其值大于固定區(qū)的溫度壓力 溫度壓力峰等于固定區(qū)最大溫度拉力與最大溫度壓力的平均值 即 P峰 maxPt拉 maxPt壓 2 2 11 l峰 2 12 二 無縫線路基本原理 四 軌端伸縮量計算 從溫度力圖知 無縫線路長軌條中部承受大小相等的溫度力 鋼軌不能伸縮 稱為固定區(qū) 在兩端 溫度力是變化的 在克服道床縱向阻力階段 鋼軌有少量的伸縮 稱為伸縮區(qū) 伸縮區(qū)兩端的調(diào)節(jié)軌 稱為緩沖區(qū) 在設(shè)計中要對緩沖區(qū)的軌縫進行計算 因此需對長軌及標準軌端的伸縮量進行計算 由前述溫度力圖可見 其中陰影線部分為克服道床縱向阻力階段釋放的溫度力 從而實現(xiàn)鋼軌伸縮 由材料力學可知 軌端伸縮量與陰影線部分面積的關(guān)系為 1 長軌一端的伸縮量 2 13 二 無縫線路基本原理 標準軌軌端伸縮量計算方法與長軌的基本相同 由于標準軌長度短 隨著軌溫變化 在克服完接頭阻力后 在克服道床縱向阻力時 由于軌枕根數(shù)有限 很快被全部克服完 以后 鋼軌可以自由伸縮 溫度力得到釋放 在標準軌內(nèi)最大的溫度力只有PH rl 2 l為標準軌長度 標準軌一端溫度力釋放的面積為陰影線部分BCGH 同理 可得到軌端伸縮量計算公式為 2 標準軌一端的伸縮量 式中 maxPt 從鎖定軌溫到最低或最高軌溫時所產(chǎn)生的溫度力 2 14 二 無縫線路基本原理 無縫線路作為一種新型軌道結(jié)構(gòu) 其最大特點是在夏季高溫季節(jié)在鋼軌內(nèi)部存在巨大的溫度壓力 容易引起軌道橫向變形 一 穩(wěn)定性概念 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 這對列車運行的安全是個極大的威脅 這一現(xiàn)象稱為脹軌跑道 也稱臌曲 在理論上稱為喪失穩(wěn)定 在列車動力或人工作業(yè)等干擾下 軌道彎曲變形有時會突然增大 穩(wěn)定性分析的目的 研究溫度壓力 軌道原始不平順 道床橫向阻力以及軌道框架剛度之間的關(guān)系 了解脹軌跑道的發(fā)生機理 分析其力學條件和主要影響因素的作用 計算出保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力 脹軌跑道的發(fā)展過程 基本可分為三個階段 即持穩(wěn)階段 脹軌階段和跑道階段 下圖中 縱坐標為鋼軌溫度壓力Pt 橫坐標為軌道彎曲變形矢度f0 f f0為軌道原始彎曲矢度 漲軌跑道總是從軌道的薄弱地段 即具有原始彎曲的不平順 開始 依橫向位移隨鋼軌溫升的變化特征 曲線變化可分為三個階段 第一階段 持穩(wěn)階段 AB 軌溫上升 溫度壓力增大 但軌道不變形 第二階段 漲軌階段 BK 隨著軌溫的增加 溫度壓力也隨著增加 此時軌道開始出現(xiàn)微小變形 此后 溫度壓力的增加與橫向變形之間呈非線性關(guān)系 第三階段 跑道階段 KC 當Pt達到臨界值Pk時 這時軌溫稍有升高或稍有外部干擾時 軌道將會突然發(fā)生鼓曲 道砟拋出 軌枕斷裂 鋼軌發(fā)生較大變形 軌道受到嚴重破壞 至此穩(wěn)定性完全喪失 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 判別結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的準則 一般有能量法和靜力平衡法 無縫線路的穩(wěn)定分析大多采用能量法 彈性理論的能量變分原理是其理論基礎(chǔ) 根據(jù)勢能駐值原理及邊界條件等即可求得軌道平衡的微分方程 微分方程的解法 有精確解和近似解之分 前者是按邊界條件直接解平衡微分方程 解題較麻煩 與近似方法相比差別并不很大 故運用較少 現(xiàn)在多使用后者 即假設(shè)變形曲線的方法 也稱能量法 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 對無縫線路大量調(diào)查后表明 很多次的脹軌跑道事故并非溫度壓力過大所致 而是由于對無縫線路起穩(wěn)定作用的因素認識不足 在養(yǎng)護維修中破壞了這些因素而發(fā)生的 因此 需要研究喪失穩(wěn)定和保持穩(wěn)定兩方面的因素 發(fā)展有利因素限制不利因素 提高無縫線路的穩(wěn)定性 充分發(fā)揮其優(yōu)越性 二 影響無縫線路穩(wěn)定性的因素 一 保持穩(wěn)定的因素 1 道床橫向阻力 道床抵抗軌道框架橫向位移的阻力稱為道床橫向阻力 它是防止無縫線路脹軌跑道 保證無縫線路穩(wěn)定性的主要因素 鐵路工程經(jīng)驗表明 在穩(wěn)定軌道框架的因素中 道床的貢獻約為65 鋼軌約為25 扣件約為10 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 道床橫向阻力的構(gòu)成 由軌枕兩側(cè)及底部與道碴接觸面之間的摩阻力 和枕端的碴肩阻止橫移的抗力組成 其中 道床肩部的阻力占20 30 軌枕兩側(cè)占20 30 軌枕底部占50 為使道床橫向阻力達到設(shè)計要求 不僅要求道床斷面符合標準尺寸 還應(yīng)搗固緊密 其道床密實度應(yīng)達到1700kg m3 道床橫向阻力Q0與軌枕類型 道床斷面尺寸 道碴材料及其密實度有關(guān) 由圖可見 寬軌枕線路橫向道床阻力最高 混凝土軌枕線路次之 木枕線路最低 道床對每根軌枕的橫向阻力Q0 可用試驗方法獲得 試驗表明Q0與軌枕橫向位移f呈非線性關(guān)系 如圖所示 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 標準道床對每根軌枕的橫向阻力Q0 N 與道床單位橫向阻力 N cm 有下列關(guān)系 通過試驗研究 可得出q與軌道橫向位移f的如下關(guān)系式 a 軌枕間距 q 道床單位橫向阻力 N cm q0 道床單位橫向阻力初始值 N cm c1 c2 z n 阻力系數(shù) 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 道碴材料 不同材質(zhì)的道碴提供的阻力也不一樣 距國外資料 砂礫石道床比碎石道床阻力低30 40 道床粒徑較大提供的橫向阻力也較大 如粒徑由25 65mm減小到15 30mm 橫向阻力將降低20 40 道床飽滿程度 根據(jù)美國和英國鐵路的試驗研究 在同類軌道的條件下 經(jīng)過長期運營密實穩(wěn)定的道床橫向阻力最大 機械搗固后阻力顯著減小 線路維修作業(yè)的影響 維修作業(yè)中 凡擾動道床 如起道搗固 清篩等改變道碴間或道碴與軌枕間的接觸狀態(tài) 都會導致道床阻力的下降 列車動荷載 在列車的動荷載作用下 每根軌枕所提供的橫向阻力是不同的 這是因為軌道框架在輪載作用下會產(chǎn)生正撓曲 而距輪載一定范圍內(nèi)則會出現(xiàn)負撓曲 使兩轉(zhuǎn)向架之間的軌道框架最大抬高量可達0 1 0 3mm 從而大大削弱這一范圍內(nèi)軌枕所提供的橫向阻力 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 道床肩寬 適當?shù)牡来布鐚捒梢蕴峁┮欢ǖ臋M向阻力 但不是肩寬越大 橫向阻力就總會增大 軌枕端部的橫向阻力是軌枕橫移擠動碴肩道碴棱體時的阻力 并最終形成破裂面 碴肩的寬度必須覆蓋這一破裂面 以保證具有較大的阻力 滑動體之外的道床對枕端橫向阻力不起作用 破裂面的頂寬用下式計算 H 軌枕端埋入道床的深度 摩擦角 一般取35 50 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 據(jù)有關(guān)測試比較 與300cm的肩寬相比 肩寬增加到500cm時 阻力值可增加16 若再加寬 阻力將不再增加 日本鐵路認為 碴肩寬度超過40 60cm的道床 橫向阻力將不再增加 因此 有關(guān)國家對碴肩寬度規(guī)定了限值 美國為50cm 日本為55cm 前蘇聯(lián)為45cm 我國普通線路為3cm 無縫線路為40 50cm 國內(nèi)外的試驗表明 道床肩部堆高也可提高道床橫向阻力 碴肩堆高比碴肩加寬效果更明顯 并可節(jié)約道碴 這項措施為國內(nèi)外無縫線路廣泛采用 我國鐵路碴肩一般堆高15cm 法國鐵路堆高10cm 呈三角形 阻力值增加10 15 日本鐵路堆高10cm 呈三角形 每根軌枕的橫向阻力由6000 7000N提高到10000N 英國和法國的碴肩堆高已列為無縫線路道床斷面標準 英國還規(guī)定 凡半徑小于800m的曲線 肩寬35 60cm 并堆高碴肩 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 軌道框架剛度反映軌道框架抵抗橫向彎曲的能力 軌道框架剛度越大 抵抗橫向彎曲變形的能力就越強 軌道框架剛度在水平面內(nèi)等于兩股鋼軌的橫向水平剛度及鋼軌與軌枕節(jié)點間的阻矩抵抗橫向彎曲能力的總和 兩股鋼軌的水平剛度為 EI 2EIy Iy為一根鋼軌對豎直軸的慣性矩 扣件阻矩與軌枕類型 扣件類型 扣壓力及鋼軌相對于軌枕的轉(zhuǎn)角有關(guān) 可以表示為鋼軌相對軌枕轉(zhuǎn)角的冪函數(shù) 2 軌道框架剛度 H 阻矩系數(shù) 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 二 喪失穩(wěn)定的因素 1 鋼軌的溫度壓力 由于溫升引起鋼軌中的軸向溫度壓力是無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因 而軌道初始橫向彎曲則是影響無縫線路穩(wěn)定的直接原因 脹軌跑道多發(fā)生再軌道的初始彎曲處 因此 控制軌道的初始彎曲大小 對提高無縫線路的穩(wěn)定性有重要作用 初始彎曲一般可分為彈性初始彎曲和塑性初始彎曲 現(xiàn)場調(diào)查表明 大量塑性初始彎曲矢度為3 4mm 測量的波長為4 7m 塑性初始彎曲矢度占總初始彎曲矢度的58 33 2 軌道的初始橫向彎曲 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 基本假定 軌道框架是處在彈性均勻介質(zhì)中的無限長梁 梁具有初始彎曲 在溫度壓力作用下 變形曲線與初始彎曲波形相似 但波長不相等 三 不等波長穩(wěn)定性計算公式 一 計算圖示 初始彎曲的線形函數(shù) 滿足邊界條件 x 0或x l0時 y0 0 y 0 0 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 f0 軌道初彎矢度 l0 軌道初彎弦長 當初始彎曲位于半徑等于R的彎道時 則初始狀態(tài)曲線可用函數(shù)ys表示 在溫度壓力作用下 軌道將在有初始彎曲的地方產(chǎn)生變形 變形后的曲線仍保持連續(xù) 用函數(shù)yK表示 由于受溫度壓力作用后的變形曲線仍保持連續(xù) 其變形曲線的線性與初始彎曲的線性相似 只是弦長不等 即 f 變形曲線矢度 l 變形曲線弦長 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 于是 初始彎曲y0的表達式應(yīng)改寫為 同理 yR可改寫為 則 0 x l 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 無縫線路失穩(wěn)前 隨著軌溫上升 橫向變形逐漸擴大直至達到臨界狀態(tài) 其間橫向位移較小 道床橫向阻力的非線性和不平順影響明顯 而道床縱向阻力可不考慮 二 公式推導 根據(jù)上述基本假定 運用勢能駐值原理推導公式 鋼軌受的總勢能為 A1 鋼軌壓縮變形能 A2 鋼軌彎曲變形能 A3 道床變形能 A4 扣件變形能 1 鋼軌壓縮變形能A1 l 軌道初始狀態(tài)與彎曲變形后的弧長差 SK 軌道彎曲變形后的弧長 Ss 軌道初始狀態(tài)的弧長 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 由于變形過程中弧長是增加的 所以對軸壓力P來說起著能量釋放的作用 故在P之前冠以負號 將所用線形函數(shù)代入上式后 得 設(shè) 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 軌道的初始彎曲y0不僅包含塑性初始彎曲y0p 矢度為f0p 而且還包含彈性初始彎曲y0e 矢度為f0e 因此在其初始狀態(tài)沿著軸向具有常量分布彎矩M0e 則在溫度力P作用下 軌道在平面內(nèi)彎曲 在局限于微小彎曲變形范圍 略去剪切變形 其彎曲變形能為 EI 兩股鋼軌在平面內(nèi)的抗彎剛度 EI 2EJy 2 鋼軌彎曲變形能A2 由于 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 將鋼軌的彎曲函數(shù)代入之后可得 設(shè) 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 設(shè)q為道床橫向分布阻力 由實測資料可得到其與軌枕橫移量y之間的冪函數(shù)關(guān)系為 3 道床變形能A3 則道床變形能的表達式為 設(shè) 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 由實測資料可得扣件阻矩與角位移之間的冪函數(shù)關(guān)系為 4 扣件變形能A4 則軌道彎曲變形時 鋼軌相對軌枕轉(zhuǎn)動 從而產(chǎn)生扣件變形能 其表達式為 當 則有 設(shè) 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 根據(jù)上述推導可得到軌道的總勢能A 根據(jù)勢能駐值原理 對內(nèi)力和外力平衡來說 彈性勢能的一階變分等于零是充分必要條件 軌道在平面彎曲過程中 隨著軌溫變化 彎曲矢度隨之改變 對于任意變形矢度fi 理論上存在無數(shù)個lin 但實際存在的只能是與之對應(yīng)的某一最不利的變形波長li 則在計算時 可假定總勢能A僅與參數(shù)f有關(guān) 由于只有一個參變量 其變分和微分一致 對A取駐值相當于求 5 穩(wěn)定性計算公式 則 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 設(shè) 則 令 則無縫線路處于平衡狀態(tài)的溫度力P為 當用f 0 02cm時 代入上式計算得到的溫度力P即為保持無縫線路穩(wěn)定的允許溫度力 P 軌道結(jié)構(gòu)的工作特點是荷載的重復性與隨機性 加上自然條件的影響 使得軌道存在各種不平順 不得不對線路進行經(jīng)?；蚨ㄆ诘男蘩?線路狀態(tài)的變化會降低無縫線路的穩(wěn)定性 因此 無縫線路對其穩(wěn)定性需要考慮一定的安全儲備量 四 穩(wěn)定性安全儲備量分析 一 初始彎曲的影響 在相同線路結(jié)構(gòu)和同等狀態(tài)下 軌道變形量一定時 對于不同的初彎波長 相應(yīng)的臨界溫度力和軌溫差是不同的 即存在最不利初彎波長 相對應(yīng)的軌溫差為最小值 計算時考慮一定的安全性 對于初彎有關(guān)參數(shù)的選用為 60 50kg m鋼軌取i0 1 與1 13 d 58 33 據(jù)此計算不同初始波長情況下的臨界溫差 得到最不利初始彎曲波長l0 對于60 50kg m鋼軌無縫線路的最不利初始彎曲波長l0分別為720cm和700cm 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 二 允許溫差的確定 初始彎曲分布的隨機性 道床密實度 扣件擰緊程度的不均勻性 軌溫測量不精確 計算結(jié)果誤差 高溫條件下 無縫線路可能產(chǎn)生橫向累積變形 在無縫線路上存在不確定因素 因此不能將穩(wěn)定計算得到的臨界溫差作為允許溫差使用 應(yīng)當考慮一定安全儲備量 采用安全系數(shù)K0作為安全儲備量的評價 安全系數(shù)K0包括基本安全系數(shù)KA和附加安全系數(shù)KC 它們之間關(guān)系是 基本安全系數(shù)的確定 主要考慮下列影響因素 三 無縫線路穩(wěn)定性計算 無縫線路縱向力分布不均勻 運營過程中鎖定軌溫的變化 附加安全系數(shù)的確定 主要考慮下列影響因素 允許溫差設(shè)計 把限制軌道累積變形作為基本條件 有利于提高無縫線路的穩(wěn)定性 通常取f 0 02cm所對應(yīng)的軌溫差作為穩(wěn)定性允許溫差 這樣只要初始彎曲不超過設(shè)計允許值 鎖定軌溫至最高軌溫的溫度差也不超過允許值 考慮在軌道彎曲變形范圍內(nèi)縱向力分布不均勻 計算時修正鎖定溫度8 在直線及半徑R 2000m曲線區(qū)段上 為保證有充裕的養(yǎng)護維修作業(yè)時間 考慮高溫季節(jié)也可安排必要的養(yǎng)護維修作業(yè) 因此在允許鋪軌溫差中 修正鎖定溫度8 在半徑R 2000m曲線區(qū)段上 鎖定軌溫差異在作業(yè)安排的軌溫差中加以修正 而允許鋪軌溫差不作修正