第十一講無縫線路

1、 任娟娟博士、副教授任娟娟博士、副教授 Ren Ren，juanjuanjuanjuanPh.D. APh.D. Associate professorssociate professorSchool of School of Civil engineeringCivil engineering, , Southwest Southwest J Jiaotong iaotong U Universityniversity本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容概述概述無縫線路基本原理無縫線路基本原理無縫線路縱向溫度力分布無縫線路縱向溫度力分布無縫線路穩(wěn)定性分析無縫線路穩(wěn)定性分析無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、橋上無縫線路橋上無縫線路跨區(qū)間無縫線路跨區(qū)間無縫線路1 1、穩(wěn)定性概念、穩(wěn)定性概念* *失穩(wěn)（脹軌跑道）失穩(wěn)（脹軌跑道）無縫線路在夏季高溫季節(jié)，由于鋼無縫線路在夏季高溫季節(jié)，由于鋼軌內(nèi)部存在巨大壓力，引起軌道的軌內(nèi)部存在巨大壓力，引起軌道的橫向變形，在外來因素（列車動(dòng)力橫向變形，在外來因素（列車動(dòng)力或人為因素）干擾下，軌道彎曲變或人為因素）干擾下，軌道彎曲變形突然增大的現(xiàn)象形突然增大的現(xiàn)象脹軌時(shí)采用冰塊冷脹軌時(shí)采用冰塊冷卻鋼軌降溫卻鋼軌降溫脹軌直接導(dǎo)致運(yùn)脹軌直接導(dǎo)致運(yùn)行中的列車脫軌行中的列車脫軌脹軌跑道脹軌跑道2 2、失穩(wěn)（脹軌跑道）過程、失穩(wěn)（脹軌跑道）過程* *持穩(wěn)階段持穩(wěn)階段: : 鋼軌

3、溫度壓力增大，但軌道不變形鋼軌溫度壓力增大，但軌道不變形脹軌階段脹軌階段: : 隨軌溫增加，鋼軌溫度壓力隨之增加，隨軌溫增加，鋼軌溫度壓力隨之增加，軌道出現(xiàn)微小變形，壓力與位移呈現(xiàn)的軌道出現(xiàn)微小變形，壓力與位移呈現(xiàn)的非線性關(guān)系非線性關(guān)系跑道階段跑道階段: : 當(dāng)鋼軌溫度壓力達(dá)到臨界值后，在外部當(dāng)鋼軌溫度壓力達(dá)到臨界值后，在外部干擾或軌溫繼續(xù)升高時(shí)，軌道將會(huì)發(fā)生干擾或軌溫繼續(xù)升高時(shí)，軌道將會(huì)發(fā)生突然臌曲突然臌曲3 3、無縫線路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、無縫線路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析* *判別準(zhǔn)則：能量法和靜力平衡法判別準(zhǔn)則：能量法和靜力平衡法能量法：彈性理論的能量變分原理能量法：彈性理論的能量變分原理勢(shì)能駐值原理：結(jié)

4、構(gòu)物處于平衡狀態(tài)的充要條件是在虛位移過程中，勢(shì)能駐值原理：結(jié)構(gòu)物處于平衡狀態(tài)的充要條件是在虛位移過程中，總勢(shì)能取駐值總勢(shì)能取駐值壓桿在均勻介質(zhì)中的失穩(wěn)現(xiàn)象壓桿在均勻介質(zhì)中的失穩(wěn)現(xiàn)象保持穩(wěn)定的因素：道床橫向阻力、軌道框架剛度保持穩(wěn)定的因素：道床橫向阻力、軌道框架剛度喪失穩(wěn)定的因素：鋼軌溫度壓力、軌道初始彎曲喪失穩(wěn)定的因素：鋼軌溫度壓力、軌道初始彎曲4 4、道床橫向阻力、道床橫向阻力* *道床抵抗軌道框架橫移的阻力道床抵抗軌道框架橫移的阻力l枕端抗推力枕端抗推力30%30%l枕側(cè)摩擦力枕側(cè)摩擦力20%30%20%30%l枕底摩擦力枕底摩擦力50%50%4 4、道床橫向阻力、道床橫向阻力* *表示方

5、法表示方法單根軌枕的橫向阻力單根軌枕的橫向阻力Q Q道床單位橫向阻力道床單位橫向阻力q q 影響因素影響因素l 道碴：飽滿程度、材質(zhì)、道碴：飽滿程度、材質(zhì)、粒徑尺寸粒徑尺寸l 道床肩部：堆高、加寬道床肩部：堆高、加寬l 軌枕：枕底壓花、寬軌軌枕：枕底壓花、寬軌枕、框架軌枕、雙塊式枕、框架軌枕、雙塊式軌枕軌枕l 線路維修作業(yè)線路維修作業(yè)NzCyByqq104 4、道床橫向阻力、道床橫向阻力* *反映其自身抵抗彎曲能力的參數(shù)反映其自身抵抗彎曲能力的參數(shù)組成組成兩股鋼軌的水平剛度（橫向剛度）兩股鋼軌的水平剛度（橫向剛度）扣件阻矩扣件阻矩yEIEI21 HMdcb00.25 0.50 0.751.00

6、1.251.50 1.75 2.00200100300400500600a扣件螺母扭矩分別為扣件螺母扭矩分別為20，50，100，150 Nm5 5、喪失穩(wěn)定的因素、喪失穩(wěn)定的因素* *鋼軌溫度壓力鋼軌溫度壓力 無縫線路穩(wěn)定問題的無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因根本原因，應(yīng)控制溫升幅度，應(yīng)控制溫升幅度軌道初始彎曲軌道初始彎曲 影響穩(wěn)定的影響穩(wěn)定的直接誘因直接誘因，應(yīng)控制初始彎曲大小，應(yīng)控制初始彎曲大小彈性初始彎曲：溫度力和列車橫向力作用下產(chǎn)生彈性初始彎曲：溫度力和列車橫向力作用下產(chǎn)生塑性初始彎曲：軋制、運(yùn)輸、焊接、鋪設(shè)過程中產(chǎn)生，占總塑性初始彎曲：軋制、運(yùn)輸、焊接、鋪設(shè)過程中產(chǎn)生，占總初彎的初彎的5

7、8.33%58.33%6 6、無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式、無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式* *無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式 19771977年提出，假定變形曲線波長(zhǎng)與初始波長(zhǎng)相等，并取變形為年提出，假定變形曲線波長(zhǎng)與初始波長(zhǎng)相等，并取變形為2mm2mm時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度壓力，除以安全系數(shù)，即為保證線路穩(wěn)定的允時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度壓力，除以安全系數(shù)，即為保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力。許溫度壓力。不等波長(zhǎng)穩(wěn)定性計(jì)算公式不等波長(zhǎng)穩(wěn)定性計(jì)算公式 19901990年開始實(shí)施，假定變形曲線波長(zhǎng)與初始彎曲波長(zhǎng)不相等的年開始實(shí)施，假定變形曲線波長(zhǎng)與初始彎曲波長(zhǎng)不相等的計(jì)算公式計(jì)算公式國外計(jì)算公式國外計(jì)算公式美國美國ker

8、rkerr、英國、法國、俄羅斯、日本均有相應(yīng)的計(jì)算公式、英國、法國、俄羅斯、日本均有相應(yīng)的計(jì)算公式6 6、無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式、無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式* *計(jì)算假定計(jì)算假定7 7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式* *計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖變形總勢(shì)能變形總勢(shì)能 A A 由以下部分組成：鋼軌受到軸向壓力引起的形變能由以下部分組成：鋼軌受到軸向壓力引起的形變能 A A1 1；軌道框架受彎曲產(chǎn)生的形變能；軌道框架受彎曲產(chǎn)生的形變能A A2 2；道床橫向阻力抵抗軌道橫；道床橫向阻力抵抗軌道橫向位移做的功向位移做的功A A3 3。321AAAAfAfAfAfA3210lP7 7、無縫線路穩(wěn)定性

9、統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式軌道曲線軌道曲線圓曲線圓曲線變形曲線變形曲線塑性初始彎曲塑性初始彎曲彈性初始彎曲彈性初始彎曲Rxxly2)(Rlxfysinf00p02)(Rxxly0e0e0sinlxfyf0e彈性初始彎曲矢度彈性初始彎曲矢度l0e彈性初始彎曲半波長(zhǎng)，取彈性初始彎曲半波長(zhǎng)，取4 mf0p塑性初始彎曲矢度塑性初始彎曲矢度R0塑性初始彎曲半徑塑性初始彎曲半徑f變形曲線矢度變形曲線矢度l 變形曲線弦長(zhǎng)變形曲線弦長(zhǎng)=l0L0初始彎曲弦長(zhǎng)初始彎曲弦長(zhǎng)yf 軌道橫向變形量軌道橫向變形量R圓曲線半徑圓曲線半徑p02008 flR RRR1110p0e00yyy0fTyyy7 7、無縫線路穩(wěn)

10、定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式鋼軌壓縮變形能，負(fù)值鋼軌壓縮變形能，負(fù)值弧弦差之差弧弦差之差lPA 10Tlllxyxxyxsllllld)(21d d)(1)dd(2 0 0 0 0 0 200 xylld)(212 0 TTRlffflPA2) 2(4e0221RlfflPfA4)(2e0217 7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式軌道框架彎曲變形能，忽略扣件扭矩軌道框架彎曲變形能，忽略扣件扭矩f 0 e0f 0 f2dd21llMMAxyddff xyEIMyd2ff xyEIMyd2e0e0 e02342 2ffflEIAy)(e0342fflEIfAy7 7、無縫線

11、路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式道床變形能道床變形能 lyxyqA 0 0 3fddxyNCNyZByqAlNZd 11 0 /11f1ff03QllfCCfBCqfAnnzz2 2203Q為等效道床阻力為等效道床阻力 7 7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式容許溫度力容許溫度力RlffQlffEIPy14)(2)(23e04e05分子為抵抗軌道橫向變形的單位分子為抵抗軌道橫向變形的單位長(zhǎng)度抗力，分母為曲率長(zhǎng)度抗力，分母為曲率 QffEIREIREIQlyyy)(2221e052222步驟步驟1：f0.2 cm，計(jì)算，計(jì)算l步驟步驟2：波長(zhǎng)不等，計(jì)算：波長(zhǎng)不等，計(jì)算f0e

12、步驟步驟3：安全系數(shù)取：安全系數(shù)取1.3，計(jì)算，計(jì)算P 2e0200e400flfKPPN7 7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式算例算例相當(dāng)于允許升溫幅度相當(dāng)于允許升溫幅度49.98 8、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式計(jì)算圖示計(jì)算圖示初始彎曲線形初始彎曲線形變形曲線變形曲線0200sinlxfylxfy2sin8 8、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式總勢(shì)能總勢(shì)能RlflfflfPA2 24)(00221lxllxlxl 0 0d )2(sin 2sin214420e23202EIffEIfAll llxllxlxl 0 0d )2(cos

13、2cos211103211NZNq lfBNAGflCKflZN2(1) 01sindZlxGxll12 01sindNlNxkxll1141 1 lfHAlxlxlxl 0 1dsin cos218 8、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式容許溫度力容許溫度力0mqlP20I20d 4ifEIll12q0222zNlqBGfCKf112m 2lfHRllif2200允許溫升考慮縱向分布不均允許溫升考慮縱向分布不均，減去，減去 8 C，直線及半徑，直線及半徑 R2 000 m 曲線在設(shè)計(jì)中考曲線在設(shè)計(jì)中考慮運(yùn)營過程中鎖定軌溫的變慮運(yùn)營過程中鎖定軌溫的變化，再減去化，再減去8 C

14、計(jì)算步驟：計(jì)算步驟：假定波長(zhǎng)，計(jì)算假定波長(zhǎng)，計(jì)算P得到得到P的極小值的極小值8 8、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式算例、無縫線路穩(wěn)定性變波長(zhǎng)公式算例1 1、設(shè)計(jì)任務(wù)與內(nèi)容、設(shè)計(jì)任務(wù)與內(nèi)容保證最低軌溫時(shí)不斷軌、即使斷軌，斷縫值不影響行車安全保證最低軌溫時(shí)不斷軌、即使斷軌，斷縫值不影響行車安全保證最高軌溫時(shí)不壓潰、不失穩(wěn)保證最高軌溫時(shí)不壓潰、不失穩(wěn)根據(jù)強(qiáng)度條件確定允許降溫幅度根據(jù)強(qiáng)度條件確定允許降溫幅度根據(jù)斷縫條件確定允許降溫幅度根據(jù)斷縫條件確定允許降溫幅度根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許升溫幅度根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許升溫幅度畫圖確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍畫圖確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍2 2、根據(jù)強(qiáng)度條件確定允許升降溫幅度、根據(jù)

15、強(qiáng)度條件確定允許升降溫幅度sctdEtcdss1tEtEtcdsc23 3、根據(jù)斷軌條件確定允許降溫幅度、根據(jù)斷軌條件確定允許降溫幅度 EArts14 4、根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許升溫幅度、根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許升溫幅度 FEPtc2無砟軌道目前不作穩(wěn)定性檢算，尚未建立無砟軌道碎彎變形計(jì)算理論無砟軌道目前不作穩(wěn)定性檢算，尚未建立無砟軌道碎彎變形計(jì)算理論5 5、確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍、確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍Kcsetttttt2maxmin53emtt53entt6 6、無縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容、無縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容7 7、軌條長(zhǎng)度、軌條長(zhǎng)度rPPlHtsmax8 8、預(yù)留軌縫、預(yù)留軌縫短長(zhǎng)上gaa短長(zhǎng)下a2

16、0下上aaa8 8、預(yù)留軌縫、預(yù)留軌縫軌端伸縮量計(jì)算軌端伸縮量計(jì)算EFrPPHt2max2長(zhǎng)EFrlEFlPPHt82max2短9 9、防爬設(shè)備、防爬設(shè)備線路爬行是造成軌道病害主要原因之一線路爬行是造成軌道病害主要原因之一改變無縫線路鎖定軌溫改變無縫線路鎖定軌溫在伸縮區(qū)和緩沖區(qū)應(yīng)布置足夠的防爬設(shè)備，以保證無相對(duì)無鋼軌在伸縮區(qū)和緩沖區(qū)應(yīng)布置足夠的防爬設(shè)備，以保證無相對(duì)無鋼軌相對(duì)于軌枕的縱向移動(dòng)相對(duì)于軌枕的縱向移動(dòng)P P防防+nP+nP扣扣nRnR采用混凝土軌枕和配套的彈條型扣件時(shí)，一般可不裝防爬器采用混凝土軌枕和配套的彈條型扣件時(shí)，一般可不裝防爬器1010、拓展與思考、拓展與思考研究實(shí)例：研究實(shí)

17、例：某地區(qū)最高年軌溫為某地區(qū)最高年軌溫為65，最低年軌溫，最低年軌溫-35 ，型混凝土軌枕，等效道床型混凝土軌枕，等效道床阻力為阻力為115N/cm115N/cm，鋼軌容許強(qiáng)度為，鋼軌容許強(qiáng)度為351MPa351MPa，計(jì)算得軌底拉應(yīng)力為，計(jì)算得軌底拉應(yīng)力為161MPa161MPa，軌頭，軌頭壓應(yīng)力為壓應(yīng)力為208MPa208MPa，制動(dòng)應(yīng)力取為，制動(dòng)應(yīng)力取為10MPa10MPa，斷縫容許值為，斷縫容許值為90mm90mm，線路縱向阻力，線路縱向阻力160N/cm160N/cm，問能否在，問能否在250m250m曲線上鋪設(shè)無縫線路？若不能鋪設(shè)，可采取哪些措施曲線上鋪設(shè)無縫線路？若不能鋪設(shè)，可采

18、取哪些措施？鋼軌？鋼軌彈性模量彈性模量2.1105MPa，截面積，截面積77.45cm2。解：由強(qiáng)度條件計(jì)算得容許升溫幅為解：由強(qiáng)度條件計(jì)算得容許升溫幅為53.653.6，容許降溫幅度，容許降溫幅度72.6 由斷縫條件計(jì)算得容許降溫幅度為由斷縫條件計(jì)算得容許降溫幅度為79.7 由穩(wěn)定性條件計(jì)算得容許升溫幅度為由穩(wěn)定性條件計(jì)算得容許升溫幅度為34.8 確定得設(shè)計(jì)鎖定軌溫為確定得設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(30.2+37.6)/2+3=36.937 鋪設(shè)軌溫范圍為鋪設(shè)軌溫范圍為32-42 ，超過了容許降溫幅度，不宜鋪設(shè)。，超過了容許降溫幅度，不宜鋪設(shè)。1010、拓展與思考、拓展與思考研究實(shí)例：主要問題是無縫線路穩(wěn)定性不足研究實(shí)例：主要問題是無縫線路穩(wěn)定性不足解決措施：設(shè)置護(hù)軌、護(hù)軌橫撐桁架解決措施：設(shè)置護(hù)軌、護(hù)軌橫撐桁架、道砟袋支擋、軌枕卡縱連、道砟膠固化道砟袋支擋、軌枕卡縱連、道砟膠固化 1010、拓展與思考、拓展與思考研究實(shí)例研究實(shí)例建立有限元穩(wěn)定性計(jì)算模型，分析各種解決措施的容許溫升建立有限元穩(wěn)定性計(jì)算模型，分析各種解決措施的容許溫升設(shè)置護(hù)軌提高設(shè)置護(hù)軌提高-1.2 、護(hù)軌橫撐桁架提高、護(hù)軌橫撐桁架提高3.3 、道砟袋支擋提高道砟袋支擋提高15.3 、軌枕卡縱連提高軌枕卡縱連提高20.6 、道砟膠固化提高、道砟膠固化提高45 101