鐵道概論5無縫線路課件

第五章無縫線路第一節(jié)概述1.無縫線路概念

2．無縫線路涉及主要問題1）接頭焊接質量問題；2）長軌在列車動力和溫度力共同作用下的強度和穩(wěn)定；3）無縫線路設計4）長軌運輸5）鋪設施工6）養(yǎng)護維修等3．無縫線路的基本特點及分類

(1)特點與普通線路相比，無縫線路在其長鋼軌段內消滅了軌縫，從而消除了車輪對鋼軌接頭的沖擊，使得列車運行平穩(wěn)，旅客舒適，延長了線路設備和機車車輛的使用壽命，減少了線路養(yǎng)護維修工作量，并能適應高速行車的要求，是軌道現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

(2）分類

1)無縫線路根據(jù)處理鋼軌內部溫度應力方式的不同，可分為溫度應力式和放散溫度應力式兩種類型。

溫度應力式無縫線路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。放散溫度應力式無縫線路，又分為自動放散式和定期放散式兩種，適用于年軌溫差較大的地區(qū)。采用伸縮接頭的放散溫度應力式無縫線路2)無縫線路根據(jù)鋼軌鋪設長度劃分為：普通無縫線路全區(qū)間無縫線路跨區(qū)間無縫線路第二節(jié)無縫線路縱向受力分析線路阻力縱向阻力橫向阻力豎向阻力接頭阻力扣件阻力道床縱向阻力道床橫向阻力軌道框架水平剛度道床豎向阻力軌道框架垂直剛度式中P——一枚螺栓擰緊后的拉力(kN)；

α——夾板接觸面的傾角，tanα＝i；i為軌底頂面接觸面斜率，50、75kg/m鋼軌：i

＝1/4；43、60kg/m鋼軌：i

＝1/3。當鋼軌發(fā)生位移時，夾板與鋼軌接觸面之間將產(chǎn)生摩阻力F，F(xiàn)將阻止鋼軌的位移。

一枚螺栓對應有四個接觸面，其上所產(chǎn)生的摩阻力之和S為：因為接頭一端有三枚螺栓，因此接頭阻力PH為：鋼的摩擦系數(shù)一般為0.25，而f=tanφ，則有φ＝arctan0.25；又有α＝arctani。相應值代入得到：70、50kg/m鋼軌：S＝1.03P；60、43kg/m鋼軌：S＝0.90P。

由以上分析表明：一枚螺栓的拉力接近它所產(chǎn)生的接頭阻力。接頭阻力的表達式，可寫成：PH=n·P

接頭阻力與螺栓材質、直徑、擰緊程度和夾板孔數(shù)有關。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鍵。扭力矩T與螺栓拉力P的關系可用經(jīng)驗公式表示：T=K·D·P式中T——擰緊螺帽時的扭力矩(N·m)；

K——扭矩系數(shù)，K＝0.18～0.24；

P——螺栓拉力(kN)；

D——螺栓直徑(mm)

。

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。據(jù)國內外資料，可降低到靜力測定值的40％～50％。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。修理規(guī)則規(guī)定無縫線路鋼軌接頭必須采用10.9級螺栓，扭矩應保持在700～900N·m。表8—1所示為計算時采用的接頭阻力值。2．扣件阻力中間扣件和防爬設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?？奂枇κ怯射撥壟c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。一組扣件的阻力F為：F=2(μ1+μ2)P

。

扣件摩阻力F的表達式為：

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，通常墊板的壓縮與扣件的磨損按1mm估計。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。為此規(guī)定：扣板扣件扭矩應保持在80～120N·m；彈條扣件為100～150N·m。

注意：只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床抵抗軌枕縱向移動的阻力，則無縫線路長鋼軌的溫度應力和溫度應變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。可以看出：道床縱向阻力值隨位移的增大而增加，當位移達到一定值之后，軌枕盒內的道碴顆粒之間的結合被破壞，在此情況下，即使位移再增加，阻道床縱向阻力與位移之間的關系力也不再增大；在正常軌道條件下，鋼筋混凝土軌枕位移小于2mm，木枕位移小于1mm，道床縱向阻力呈斜線增長，鋼筋混凝土枕軌道道床縱向阻力大于木枕軌道。在無縫線路設計中，采用軌枕位移為2mm時相應的道床縱向阻力值，見表8—3。

如果鋼軌兩端完全被固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則將在鋼軌內部產(chǎn)生溫度應力。根據(jù)虎克定律，溫度應力σt為：式中E——鋼的彈性模量，E＝2.1×l05MPa；將E

、α之值代入上式，則溫度應力為：

(MPa)

一根鋼軌所受的溫度力Pt為：(N)

以上為無縫線路溫度應力和溫度力計算的基本公式。由此可得知：

1．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，而與鋼軌本身長度無關。因此，從理論上講，鋼軌可焊成任意長，且對軌內溫度力沒有影響。控制溫度力大小的關鍵是如何控制軌溫化幅度。2．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。對于75、60、50kg/m鋼軌，如軌溫變化1℃所產(chǎn)生的溫度力分別為23.6、19.2、16.3kN。

3．無縫線路鋼軌伸長量與軌溫變化幅度，軌長有關，與鋼軌斷面積無關。

為降低長軌條內的溫度力，需選擇一個適宜的鎖定軌溫，又稱零應力狀態(tài)的軌溫。在鋪無縫線路中，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。施工鎖定軌溫應在設計鎖定軌溫允許變化范圍之內。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計的主要內容。

7．溫度力圖面積與鋼軌伸縮量

1)溫度力圖面積與被約束伸縮量任何溫度力圖都是對應于一定的Δt?，F(xiàn)在任取一段鋼軌的溫度力圖進行分析，如圖所示。此處溫度力圖為曲線，代表了道床縱向阻力梯度取為變量的更一般的情況。由于受有縱向力，則該段鋼軌L必存在有受到約束的，或說未能實現(xiàn)的伸縮量ΔLr

。

而對于單位長度的鋼軌來說，必然存在相應的受到約束而未能實現(xiàn)的應變εt(x)。對于長度為dx的鋼軌，其受約束的伸縮量應為εt(x)dx，因此，該L段鋼軌被約束的總伸縮量為：文字表述：

L段鋼軌被約束的伸縮量等于該段鋼軌溫度力圖面積除以EF。2）標準溫度力圖面積與全約束伸縮量如一段鋼軌自其被鋇定之后未曾產(chǎn)生過任何伸縮位移，則其溫度力圖為矩形，如圖所示：此時，該L段鋼軌被約束的總伸縮量為ΔLt，即：

全約束伸縮量ΔLt的意思是：該段鋼軌自鎖定后，被完全約束住，未產(chǎn)生任何伸縮變形，在溫度變化幅度為Δt時的伸縮量，它僅是Δt的函數(shù)。溫度力為：相應的應變?yōu)椋?）溫度力圖面積差及實現(xiàn)的伸縮量

任何一段鋼軌的兩個溫度力圖面積差都反映了該段鋼軌在兩種工況下被約束伸縮量的變化量，亦即實現(xiàn)了的伸縮量。冬季斷軌時的溫度力圖

三、溫度力圖

溫度力沿長鋼軌的縱向分布，常用溫度力圖來表示，溫度力圖實質是鋼軌內力圖。溫度力圖的橫坐標軸表示鋼軌長度，縱坐標軸表示鋼軌的溫度力(拉力為正，壓力為負)。鋼軌內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，而且還與軌溫變化的過程有關。

(一)約束條件

1．接頭阻力的約束為簡化計算，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產(chǎn)生溫度力，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。當溫度力大于接頭阻力時，鋼軌才能開始伸縮。因此在克服接頭阻力階段，溫度力的大小等于接頭阻力，即：Pt=2.5ΔtH·F=PH(N)Pt=2.5ΔtH·F=PH(N)

則：式中ΔtH——接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度(℃)；

PH——接頭阻力(N)；

F——鋼軌斷面面積(mm2)。例如：60kg/m鋼軌，F(xiàn)=77.45cm2、PH=490kN(接頭扭矩T=800N·m)。則：(℃)2．道床縱向阻力的約束接頭阻力被克服后，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)生是體現(xiàn)在道床對軌枕的位移阻力，隨著軌枕位移的根數(shù)的增加，相應的阻力也增加。為計算方便，常將單根軌枕的阻力R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，鋼軌內部分溫度力以位移的形式得到部

分放散，因而發(fā)生位移的鋼軌各截面的溫度力并不相等，以斜率分布。

(二)基本溫度力圖無縫線路鎖定以后，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?，F(xiàn)以降溫為例說明。當軌溫t等于鎖定軌溫t0時，鋼軌內部無溫度力，即Pt=0，如下圖中A－A′線。AA′lPt1．當Δt=t0-t

＜ΔtH時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內均勻分布，Pt=2.5FΔt。AA′lPt1．當Δt=t0-t

＜ΔtH時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內均勻分布，Pt=2.5FΔt。Pt=2.5FΔt2．當Δt=ΔtH時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內均勻分布，Pt=PH

，圖中B－B′線。AA′lPt1．當Δt=t0-t

＜ΔtH時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內均勻分布，Pt=2.5FΔt。2．當Δt=ΔtH時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內均勻分布，Pt=PH

，圖中B－B′線。BB′PHAA′lPt3．當Δt＞ΔtH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，在鋼軌發(fā)生縱向位移的長度范圍內放散部分溫度力，圖中BC，范圍內任意截面的溫度力為：Pt=PH

+r·x(N)BB′PHrxxCC′式中：x為軌端至發(fā)生縱向位移的鋼軌任一斷面之間的距離(mm)。Pt=2.5FΔtAA′lPt4．當t降到最低軌溫Tmin時，鋼軌內產(chǎn)生最大溫度拉力Pt拉max，如圖中線。這時發(fā)生縱向位移的鋼軌長度達到最大值ls，ls稱為伸縮區(qū)長度。BB′ls

CC′DD′Pt拉max伸縮區(qū)伸縮區(qū)固定區(qū)AA′lPtBB′ls

DD′Pt拉max伸縮區(qū)伸縮區(qū)固定區(qū)

此時Pt拉max和ls

可按下式計算：Pt拉max=2.5FΔt降max=2.5F(t0-Tmin)(N)(mm)

上面分析了軌溫從下降到Tmin時，溫度力縱向變化的情況。同理，當軌溫從鎖定軌溫變化到最高軌溫時，長軌內溫度力的分布與圖8－4相仿，不同的是軌溫升高時，鋼軌內將產(chǎn)生溫度壓力，其最大值為：Pt壓max=2.5FΔt升max=2.5F(Tmax-t0)(N)

伸縮區(qū)長度ls按式(8－9)計算。伸縮區(qū)長度一般取50～100m，宜取為標準軌長度的整倍數(shù)。

算例：某地區(qū)鋪設無縫線路，已知該地區(qū)年最高軌溫為65.2℃，最低軌溫為-20.6℃，道床阻力梯度為9.1N/mm，接頭阻力為490KN，60kg/m鋼軌斷面面積為7745mm2，當鎖定軌溫為當?shù)刂虚g軌溫加5℃時，試計算：(1)克服接頭阻力所需升降的軌溫；(2)固定區(qū)最大拉、壓溫度力；(3)伸縮區(qū)長度；(4)繪制軌溫從鎖定軌溫單向變化到最高、最低溫度時的溫度力圖，并標注有關數(shù)據(jù)。

解：(1)℃(2)℃Pt拉max=2.5FΔt降max=2.5F(t0－Tmin)=2.5×7745×(27.3+20.6)=927464N=927.464kNPt壓max=2.5FΔt升max=2.5F(Tmax－

t0)=2.5×7745×(65.2－27.3)=733839N=733.839kN(3)=48073mm即ls1=48.073m=26795mm

即ls2=26.795m

即ls=50m8、軌端伸縮量計算

從溫度力圖中可知，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)兩端的調節(jié)軌，稱為緩沖區(qū)。在設計中要對緩沖區(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。

由溫度力圖8—6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)了鋼軌伸縮。由材料力學可知，軌端伸縮量長與陰影線部分面積的關系為：

第三節(jié)無縫線路穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定性基本概念無縫線路作為一種新型軌道結構，其最大特點是在夏季高溫季節(jié)在鋼軌內部存在巨大的溫度壓力，容易引起軌道橫向變形。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，這一現(xiàn)象常稱為脹軌跑道，在理論上稱為喪失穩(wěn)定。這將嚴重危及行車安全。無縫線路穩(wěn)定性計算的主要目的是研究軌道脹軌跑道的發(fā)生規(guī)律，分析其產(chǎn)生的力學條件及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。

從大量的室內模型軌道和現(xiàn)場實際軌道的穩(wěn)定試驗以及現(xiàn)場事故觀察分析，軌道脹軌跑道的發(fā)展過程基本上可分為三個階段，即持穩(wěn)階段、脹軌階段和跑道階段,如下圖所示。

無縫線路脹軌跑道過程示意圖二、影響無縫線路穩(wěn)定性的因素無縫線路失穩(wěn)是各種因素綜合作用的結果，這些影響因素歸納為兩大類：促進穩(wěn)定因素；促使失穩(wěn)因素。①保持穩(wěn)定的因素a．道床橫向阻力（65％作用）（阻力提供：軌枕兩側20％～30％、道床肩部30％、軌枕底部50％）每枕為Q.軌道單位長度橫向阻力:y――軌枕橫同位移(cm);

q0、c1、c2、n――參數(shù)，由試驗確定，書上已給出。b．軌道框架剛度EJ＝βEJyE――軌鋼彈模量

Jy――鋼軌斷面對堅直軸的慣性矩

β――與框架扣件類型及擰緊程度有關的系數(shù)。試驗表明β＝2～8，取β＝2，偏于安全（至少2根軌）。②喪失穩(wěn)定的因素a.溫度力――與鎖定軌溫Tsf有關b.軌道原始彎曲（原始不平順）矢度f0：1)彈性彎曲：變形曲線假設為正弦曲線（正弦半波）2)塑性原始彎曲（近似公式，原點在一端）假設變形曲線為圓曲線

fop――塑性彎曲矢度

R0――曲率半徑

l0――fop對應的弦長（3）穩(wěn)定性理論

無縫線路穩(wěn)定問題，可以看做是位于彈性介質中無限長梁（軌道框架）的受壓穩(wěn)定問題。軌道在失穩(wěn)之前，將產(chǎn)生脹軌變形，脹軌變形的影響區(qū)可以劃分為3個區(qū)段：即脹軌變形區(qū)和兩側的縱向位移區(qū)（鄰區(qū)），影響區(qū)之外為未變形的穩(wěn)定區(qū)。

圖8-9無縫線路穩(wěn)定分區(qū)（4）統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式的基本假定是：把整個軌道框架視為鋪設于均勻介質（道床）中的一根細長壓桿；軌道彈性初始彎曲為半波正弦曲線，塑性初始彎曲為圓曲線，在變形過程中變形曲線端點無位移；不考慮扣件變形能。

圖8-10統(tǒng)一穩(wěn)定性計算圖示

表8-1正常軌道軌排起來后的等效道床橫向阻力Q（N/㎜）

表8-2正常軌道不同軌枕配置的等效道床橫向阻力Q第四節(jié)無縫線路結構設計一、無縫線結構類型的選擇1、結構類型的選擇某一地區(qū)能否鋪設溫度應力式無縫線路，主要取決于軌道的必須大于該地區(qū)的年軌溫變化幅度，并留有一定的富裕量，以滿足鋪軌時所必須的鎖定軌溫范圍，即：2、鎖定軌溫范圍的確定方法溫度應力式無縫線路，其鎖定軌溫應保證夏季不脹軌跑道，冬季不折斷鋼軌，也就是說，鎖定軌溫的上下限應由和來決定，如圖所示。二、無縫線路結構計算1、伸縮區(qū)長度計算2、預留軌縫無縫線路緩沖區(qū)標準軌之間，以及標準軌與長軌之間要預留軌縫，以滿足冬季軌縫值不超過構造軌縫，夏季軌縫不擠嚴。3、防爬設備的設置4、軌條長度第五節(jié)超長無縫線路

超長無縫線路從本質上說與普通無