城市軌道交通4.2

1、l第一節(jié)第一節(jié) 概述概述l第二節(jié)第二節(jié) 無縫線路的穩(wěn)定性分析無縫線路的穩(wěn)定性分析l第三節(jié)第三節(jié) 城市軌道交通高架無縫線路城市軌道交通高架無縫線路 無縫線路又稱焊接長(zhǎng)鋼軌線路，是20世紀(jì)軌道結(jié)構(gòu)最突出的改進(jìn)與創(chuàng)新。它的出現(xiàn)，不僅在理論上修正和豐富了軌道的設(shè)計(jì)和計(jì)算內(nèi)容，而且在結(jié)構(gòu)上消除了鋼軌接頭，減少列車在接頭區(qū)的沖擊與振動(dòng)，不僅延長(zhǎng)了輪軌部件的使用壽命，減少了維修費(fèi)用，而且提供了平滑的運(yùn)行表面，給列車運(yùn)營(yíng)與行車安全也帶來了諸多好處，尤其對(duì)于高速與重載鐵路來講，無縫線路已成為不可或缺的軌道結(jié)構(gòu)形式。因此，無縫線路在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。 按按鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力的處理方式鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力的

2、處理方式溫度應(yīng)力式無縫線路溫度應(yīng)力式無縫線路放散溫度應(yīng)力式無縫線路放散溫度應(yīng)力式無縫線路 按按鋼軌長(zhǎng)度鋼軌長(zhǎng)度普通無縫線路普通無縫線路全區(qū)間無縫線路全區(qū)間無縫線路跨區(qū)間無縫線路跨區(qū)間無縫線路 l一一.穩(wěn)定性的概念穩(wěn)定性的概念l二二. .影響無縫線路穩(wěn)定性的因素影響無縫線路穩(wěn)定性的因素l三三.我國(guó)無縫線路穩(wěn)定性的計(jì)算公式我國(guó)無縫線路穩(wěn)定性的計(jì)算公式l一一.穩(wěn)定性的概念穩(wěn)定性的概念l 無縫線路作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)，其最大的特點(diǎn)是在夏季高溫季節(jié)在鋼軌內(nèi)部存在巨大的溫度壓力，容易引起軌道的橫向變形，在列車動(dòng)力或人工作業(yè)等干擾下，軌道的彎曲變形有時(shí)會(huì)突然增大，這一現(xiàn)象稱脹軌跑道。l 無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算的

3、主要目的是研究脹軌跑道的發(fā)生規(guī)律，分析其產(chǎn)生的力學(xué)條件及主要影響因素的作用，計(jì)算出保持線路穩(wěn)定的允許溫度壓力。保持穩(wěn)定的因素保持穩(wěn)定的因素（1）道床橫向阻力）道床橫向阻力 道床抵抗軌道框架橫向位移的阻力稱道床橫向阻力，它是防止無縫線路脹軌跑道，保證線路穩(wěn)定的主要因素。kN 根阻力N/cm位移mm寬軌枕150鋼筋混凝土軌枕100木枕50 圖1 道床橫向阻力與位移曲線關(guān)系l 軌道框架剛度是是反映其自身抵抗彎曲能力的參數(shù)。軌道框架剛度愈大，彎曲變形愈小，所以是保持軌道穩(wěn)定的因素。l 軌道框架剛度，在水平面內(nèi)，等于兩股鋼軌的水平剛度及鋼軌與軌枕節(jié)點(diǎn)間的扭矩之和。喪失穩(wěn)定的因素喪失穩(wěn)定的因素（1）溫度壓

4、力）溫度壓力（2）軌道初始彎曲（軌道初始不平順）軌道初始彎曲（軌道初始不平順） a.彈性初彎 b.塑性初彎（死彎）現(xiàn)行的計(jì)算公式： （1）等波長(zhǎng)公式（統(tǒng)一公式）等波長(zhǎng)公式（統(tǒng)一公式） （2）不等波長(zhǎng)公式）不等波長(zhǎng)公式 以不等波長(zhǎng)公式為例，計(jì)算的基本假定為：l鋼軌為無限長(zhǎng)梁，道床為均勻介質(zhì) ，軌道框架水平剛度為 。 l在溫度壓力下，梁的變形曲線與初始彎曲波形相似，但波長(zhǎng)不等。l梁的初始彎曲有彈性初彎（正弦曲線）和塑性初彎（圓曲線）組成，變形過程中曲線兩端點(diǎn)無位移。a.軌道處在半徑為R的圓曲線上。0ll0llEIl 圖2 不等波長(zhǎng)方法計(jì)算圖梁壓縮形變能梁彎曲形變能道床形變能扣件形變能1A2A3A4

5、Al軌道總勢(shì)能l 由于已經(jīng)假定了線形，且梁在變形的過程中，彎曲變形弦長(zhǎng)l起著積分變量的作用，真正的變量只有一個(gè)彎曲變形矢度f值，因此對(duì)總勢(shì)能A取駐值，相當(dāng)于求 ，則可推導(dǎo)出無縫線路保持平衡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度壓力。l 另外，當(dāng)考慮有列車橫向力作用在線路上時(shí)，梁的彎曲形變能將增大，由此根據(jù)穩(wěn)定條件求得的允許溫度壓力P將變小，即無縫鋼軌特別是道岔區(qū)的基本軌處在考慮橫向力以后將變得更加容易失穩(wěn)，因此在施工與維護(hù)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。l 1234AAAAA0dAdf一一.概述概述二二.鋼軌類型選擇鋼軌類型選擇三三.無碴無碴軌下基礎(chǔ)上無縫線路壓彎變形軌下基礎(chǔ)上無縫線路壓彎變形四四.大坡道無縫線路大坡道無縫線路五五.

6、車站無縫線路車站無縫線路一一.概述概述 城市軌道交通是現(xiàn)代化城市的血液循環(huán)系統(tǒng)，它既要保證城市與外界交流，也要確保城市經(jīng)濟(jì)的有效運(yùn)作和良好的城市生活環(huán)境，它是城市交通運(yùn)輸?shù)闹鲃?dòng)脈，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展起著極其重要的作用。 城市軌道交通與干線鐵路運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別在于：它以市區(qū)或市郊運(yùn)輸為主要目標(biāo)，具有客運(yùn)量大、行車密度高等特點(diǎn)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全、可靠性以及舒適、低噪聲、長(zhǎng)壽命、少維修提出了更高的要求，為此它的軌道結(jié)構(gòu)必須采用無縫線路。l l 上海市明珠線是我國(guó)第一條城市軌道交通高架線路，鋪設(shè)無縫線路需要解決多項(xiàng)科研課題，如鋼軌類型的選擇，橋梁與無縫線路結(jié)構(gòu)的互制、橋上小半徑曲線區(qū)段無縫線路的穩(wěn)定性、

7、橋上大坡道地段無縫線路的鎖定、高架車站無縫線路與道岔的連接等。l 高架線路采用了新型軌道結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)了超長(zhǎng)無縫線路(最長(zhǎng)約5km)、無碴無枕承軌臺(tái)、小阻力彈性扣件(是專為明珠線設(shè)計(jì)的新型扣件)；部分地面線采用整體道床無縫線路，在無縫線路上鋪設(shè)了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。l l二二.鋼軌類型選擇鋼軌類型選擇l 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50157)規(guī)定，地鐵正線及輔助線采用50kg/m以上的鋼軌。上海市軌道交通明珠工程建設(shè)指揮部主持明珠線軌道結(jié)構(gòu)方案論證時(shí)，意識(shí)到城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)類型選擇應(yīng)從城市軌道交通的運(yùn)輸特點(diǎn)和運(yùn)輸環(huán)境考慮，全面滿足安全、舒適、耐久性和城市環(huán)境等等的綜合要求，為此要求進(jìn)一步深入研究。 （

8、一）斷面類型選擇（一）斷面類型選擇 明珠線鋼軌類型的選用，應(yīng)保證軌道具有良好的動(dòng)力響應(yīng)特性和更大的穩(wěn)定性?？晒┻x擇的鋼軌類型有： 次重型CHN50型鋼軌 重型CHN60型鋼軌 1.使用壽命使用壽命 軌道結(jié)構(gòu)有別于其它建筑結(jié)構(gòu)，它直接承受隨機(jī)重復(fù)荷載，決定它的安全使用壽命并非一次性荷載作用下的抗彎強(qiáng)度，而是疲勞傷損和磨耗。 2002年鐵道部頒布的鐵路線路設(shè)備大修規(guī)則對(duì)我國(guó)鋼軌使用周期作出了規(guī)定。 表11 CHN50型鋼軌與CHN60型鋼軌無縫線路使用周期的對(duì)比規(guī)則規(guī)定運(yùn)營(yíng)實(shí)際CHN50型500Mt450MtCHN60型700Mt800Mt1.27倍1.78倍l 但是，規(guī)則關(guān)于關(guān)于鋼軌使用周期的規(guī)

9、定是基于直線及大半徑曲線，其鋼軌使用壽命是由疲勞傷損決定的，而上海市明珠線約占線路總長(zhǎng)15%是在半徑小于600m的曲線上，因而必須考慮曲線上股鋼軌側(cè)磨和下股鋼軌壓潰對(duì)使用壽命的影響。對(duì)此，鐵道部對(duì)各地重型鋼軌在小半徑曲線上的磨耗情況進(jìn)行了調(diào)查。l 表12 鋼軌磨耗速率與曲線半徑的關(guān)系0 00.050.050.10.10.150.150.20.2300300500500700700900900CHN60CHN60CHN50CHN502.安全可靠性安全可靠性 兩種軌型使用的安全可靠性，可從強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩個(gè)方面作比較。兩種軌型的機(jī)械強(qiáng)度，可根據(jù)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)鋼軌焊接接頭技術(shù)條件（TB/T1632)規(guī)定的

10、焊接接頭檢驗(yàn)值加以比較，其中最主要的機(jī)械性能指標(biāo)靜彎破斷荷載和疲勞荷載，CHN60型較CHN50型鋼軌分別增大22%-27%和37%-45%，只要對(duì)塑性初始彎曲和長(zhǎng)波長(zhǎng)初始彎曲加以控制，CHN60型與CHN50型鋼軌無縫線路的穩(wěn)定性允許升溫相近，則綜合考慮無縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，合理設(shè)計(jì)中和溫度， CHN60型較CHN50型鋼軌無縫線路的安全可靠性有所提高。根據(jù)北京地鐵公司實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)， CHN60型較CHN50型鋼軌無縫線路焊接接頭的折減率減少90.6%。 （二（二）鋼軌材質(zhì)鋼軌材質(zhì) 在相同線路、相同車輛類型條件下，為減小輪軌磨耗，除要求鋼軌踏面與車輪踏面幾何匹配外還要求兩者材質(zhì)的硬度匹配。

11、一般要求鋼軌踏面為車輪踏面硬度的1.1-1.2倍。 根據(jù)鐵道部鐵路用輾鋼整體車輪（GB 8601)和國(guó)際鐵路聯(lián)盟機(jī)車和車輛用非合金鋼軋制整體車輪供貨技術(shù)條件（UCI812-3)的有關(guān)規(guī)定，車輪距踏面下30mm處，三點(diǎn)的平均硬度值255HBW10/3000-285HBW10/3000,故鋼軌踏面的合理硬度應(yīng)為280HBW10/3000-320HBW10/3000。 可供選用的鋼軌： 全長(zhǎng)熱軋軌 U71Mn全長(zhǎng)猝火軌3PDl 因城市軌道交通的基地焊接鋼軌長(zhǎng)度一般為125250米，鋪設(shè)無縫線路時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的鋼軌接頭要在工地完成焊接，采用全長(zhǎng)猝火軌施焊后需進(jìn)行二次猝火，而在工地只能采用火焰猝火，其質(zhì)量

12、穩(wěn)定性很難控制。采用合適的熱軋軌，則可避免上述施工中的麻煩。l 因此，在城市軌道交通使用車輛車輪踏面平均硬度為255HBW10/3000-285HBW10/3000的前提下，建議采用軌頭平均硬度為280HBW10/3000-320HBW10/3000的 熱軋軌。上海明珠線的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，這一選擇是正確的。3PDl 城市軌道交通受既有建筑物和地下管線的限制，小半徑曲線的數(shù)量較多，又由于跨越街道、鐵路或高架結(jié)構(gòu)的需要，線路坡度較陡。我國(guó)已建城市軌道交通采用交流變壓、變頻傳動(dòng)的車輛，線路設(shè)計(jì)最小曲線半徑R=300m，個(gè)別情況R=250m，最大線路坡度i=30，個(gè)別情況i=33。l 高溫下，小半徑曲線

13、和大坡道地段，無縫線路受溫度壓力作用而產(chǎn)生彎曲變形（簡(jiǎn)稱壓彎變形）。城市軌道交通大量采用無渣軌下基礎(chǔ)，雖然無碴軌下基礎(chǔ)下的無縫線路因壓彎變形而失穩(wěn)的可能性不大，但大量的壓彎變形不僅影響列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，而且積累壓彎變形超限，同樣威脅行車安全。壓彎變形量的影響因素：壓彎變形量的影響因素：（1）溫度壓力）溫度壓力 在線路條件、軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下，無縫線路壓彎變形量的大小取決與溫度壓力的大小，因而中和溫度設(shè)計(jì)應(yīng)該合理。（2）線路平剖面）線路平剖面 觀測(cè)證明，高溫下，直線、平坡地段，無縫線路同樣同樣產(chǎn)生壓彎變形，但在曲線、坡道地段，無縫線路壓彎變形更為集中。（3）軌道施工質(zhì)量）軌道施工質(zhì)量 混凝

14、土道床的灌注、扣件的安裝和長(zhǎng)軌條的焊鋪不可避免地出現(xiàn)軌向的偏差，因而在無碴軌下基礎(chǔ)上的無縫線路存在初始彎曲，在溫度壓力作用下進(jìn)一步擴(kuò)大彎曲變形。（4）扣件橫向抗力）扣件橫向抗力 無碴軌下基礎(chǔ)上的無縫線路通常使用無擋肩扣件，為保證運(yùn)營(yíng)安全，要求扣件必須具有足夠的橫向抗力，使之控制壓彎變形不超限。對(duì)此應(yīng)予以重視。 在長(zhǎng)大坡道上鋪設(shè)無縫線路，是城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又一技術(shù)難題。國(guó)外有關(guān)軌道爬行及其防止方面的理論是研究大坡道上鋪設(shè)無縫線路的理論基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)測(cè)定大坡道上軌道防爬鎖定的扣件阻力限定值，從而制定大坡道地段無縫線路的防爬鎖定措施，監(jiān)控?zé)o縫線路縱向力分布的不均。 1.軌道爬行機(jī)理軌道爬行

15、機(jī)理 軌道爬行的主要原因：在列車輪重的作用下，軌道撓曲起伏而縱向位移，坡道地段還有列車制動(dòng)附加縱向力作用。此外，在曲線地段，鋼軌上還作用輪軌滑動(dòng)引起的摩擦力，但這一影響較小，可略去不記。 關(guān)于軌道爬行機(jī)理的兩種理論：動(dòng)進(jìn)波理論（英國(guó)）動(dòng)進(jìn)波理論（英國(guó)）蛇形起伏理論（俄國(guó)）蛇形起伏理論（俄國(guó)） 在列車軸重、行車方向和密度一定的情況下，軌道豎向撓度、扣件扣壓力和軌下基礎(chǔ)的彈性模量是決定軌道爬行的主要參變量。 大坡道上無縫線路設(shè)計(jì)，根據(jù)軌道爬行及其防止方面的理論和試驗(yàn)結(jié)果，采取以下防爬鎖定措施：l軌條布置軌條布置l 盡可能延長(zhǎng)無縫線路的軌條長(zhǎng)度，使列車運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)軌條保持“前擋、后拽”狀態(tài)，并使計(jì)算軌條

16、范圍內(nèi)扣件的平均阻力達(dá)到防爬限定值。l支承塊間距設(shè)計(jì)支承塊間距設(shè)計(jì) 支承塊布置間距減小，可使列車通過時(shí)鋼軌撓度減小，并增大單位長(zhǎng)度的扣件縱向阻力，必要時(shí)可采取這一措施。 l扣件布置扣件布置l 城市軌道交通的高架橋，往往是不同跨度，不同梁型混合布置，小跨度、矮墩橋梁所受無縫線路的縱向力的量值較小，地面線路更可增大扣件的縱向阻力，因而宜充分利用小跨度、矮墩的橋梁和地面線路作為無縫線路的鎖定區(qū)段。3.縱向力分布不均的監(jiān)控縱向力分布不均的監(jiān)控 運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，大坡道地段的鋼軌扣件阻力若達(dá)到限定值，無縫線路的爬行量能夠減小，因而可以避免縱向力分布的顯著不均。但設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到運(yùn)營(yíng)過程可能出現(xiàn)的疏忽、扣件養(yǎng)護(hù)未

17、達(dá)到規(guī)定的要求、線路產(chǎn)生明顯的爬行，為此，必須設(shè)置監(jiān)控措施。l應(yīng)力測(cè)定監(jiān)控應(yīng)力測(cè)定監(jiān)控l 在縱坡的變坡點(diǎn)及其附近，在大坡道及其反向坡道上，每隔2550米設(shè)置縱向應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，采用KS646軸應(yīng)力測(cè)定儀或VERSE縱向力測(cè)定儀，定期測(cè)定縱向應(yīng)力的變化。l位移測(cè)定監(jiān)控位移測(cè)定監(jiān)控 每隔50100米設(shè)置縱向位移觀測(cè)標(biāo)志，用縱向位移觀測(cè)儀定期測(cè)定縱向位移。 城市軌道交通高架線的車站設(shè)計(jì)，應(yīng)重視防止振動(dòng)和噪聲的污染。雖然列車進(jìn)站運(yùn)行速度減緩，但對(duì)軌道的減振降噪要求絲毫不應(yīng)降低，因?yàn)槊咳沾罅靠土鬟^往，站務(wù)人員長(zhǎng)時(shí)間工作需要寧?kù)o環(huán)境。 為減小振動(dòng)和噪聲，軌道梁與站臺(tái)、站房梁應(yīng)采取隔離，防止激振，站內(nèi)不同梁型銜接處的軌道應(yīng)采取必要的剛度過渡措施，尤為重要的是優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)，改善它的平順性，消除輪軌間的穩(wěn)態(tài)噪聲。l 建議采用的道岔與區(qū)間無縫線路的連接方案：（1）設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器）設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器 通常城市軌道交通的站內(nèi)左右線僅各設(shè)一組道岔，因而