第十一講無縫線路

1鐵路軌道任娟娟博士、副教授Ren，juanjuanPh.D.AssociateprofessorSchoolofCivilengineering,SouthwestJiaotongUniversity2第六章無縫線路本講主要內(nèi)容概述無縫線路基本原理無縫線路縱向溫度力分布無縫線路穩(wěn)定性分析無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橋上無縫線路跨區(qū)間無縫線路3四、無縫線路穩(wěn)定性分析1、穩(wěn)定性概念*失穩(wěn)（脹軌跑道）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，軌道彎曲變形突然增大的現(xiàn)象脹軌時(shí)采用冰塊冷卻鋼軌降溫脹軌直接導(dǎo)致運(yùn)行中的列車脫軌脹軌跑道4四、無縫線路穩(wěn)定性分析2、失穩(wěn)（脹軌跑道）過程*持穩(wěn)階段:鋼軌溫度壓力增大，但軌道不變形脹軌階段: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)的非線性關(guān)系跑道階段: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)生突然臌曲5四、無縫線路穩(wěn)定性分析3、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能量法：彈性理論的能量變分原理勢能駐值原理：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，總勢能取駐值壓桿在均勻介質(zhì)中的失穩(wěn)現(xiàn)象保持穩(wěn)定的因素：道床橫向阻力、軌道框架剛度喪失穩(wěn)定的因素：鋼軌溫度壓力、軌道初始彎曲6四、無縫線路穩(wěn)定性分析4、道床橫向阻力*道床抵抗軌道框架橫移的阻力枕端抗推力30%枕側(cè)摩擦力20%~30%枕底摩擦力50%7四、無縫線路穩(wěn)定性分析4、道床橫向阻力*表示方法單根軌枕的橫向阻力Q道床單位橫向阻力q影響因素道碴：飽滿程度、材質(zhì)、粒徑尺寸道床肩部：堆高、加寬軌枕：枕底壓花、寬軌枕、框架軌枕、雙塊式軌枕線路維修作業(yè)8四、無縫線路穩(wěn)定性分析4、道床橫向阻力*反映其自身抵抗彎曲能力的參數(shù)組成兩股鋼軌的水平剛度（橫向剛度）扣件阻矩扣件螺母扭矩分別為20，50，100，150N·m9四、無縫線路穩(wěn)定性分析5、喪失穩(wěn)定的因素*鋼軌溫度壓力無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因，應(yīng)控制溫升幅度軌道初始彎曲影響穩(wěn)定的直接誘因，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58.33%10四、無縫線路穩(wěn)定性分析6、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

1977年提出，假定變形曲線波長與初始波長相等，并取變形為2mm時(shí)對應(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。不等波長穩(wěn)定性計(jì)算公式

1990年開始實(shí)施，假定變形曲線波長與初始彎曲波長不相等的計(jì)算公式國外計(jì)算公式

美國kerr、英國、法國、俄羅斯、日本均有相應(yīng)的計(jì)算公式11四、無縫線路穩(wěn)定性分析6、無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式*計(jì)算假定統(tǒng)一公式不等波長公式軌道鋪設(shè)于均勻介質(zhì)中的細(xì)長壓桿初始變形塑性初彎：圓曲線彈性初彎：半波正弦半波正弦軌道壓力下的變形半波正弦半波正弦初始變形與壓力作用下的變形關(guān)系波長相等波長不等能量構(gòu)成鋼軌壓縮形變能軌道框架彎曲變形能道床形變能鋼軌壓縮形變能軌道框架彎曲變形能道床形變能扣件形變能12四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式*計(jì)算簡圖變形總勢能A由以下部分組成：鋼軌受到軸向壓力引起的形變能A1；軌道框架受彎曲產(chǎn)生的形變能A2；道床橫向阻力抵抗軌道橫向位移做的功A3。13四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式軌道曲線圓曲線變形曲線塑性初始彎曲彈性初始彎曲f0e彈性初始彎曲矢度l0e彈性初始彎曲半波長，取4mf0p塑性初始彎曲矢度R0塑性初始彎曲半徑f變形曲線矢度l變形曲線弦長=l0L0初始彎曲弦長yf軌道橫向變形量R圓曲線半徑14四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式鋼軌壓縮變形能，負(fù)值弧弦差之差15四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、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16四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式道床變形能Q為等效道床阻力

17四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式容許溫度力分子為抵抗軌道橫向變形的單位長度抗力，分母為曲率步驟1：f＝0.2cm，計(jì)算l步驟2：波長不等，計(jì)算f0e步驟3：安全系數(shù)取1.3，計(jì)算[P]

18四、無縫線路穩(wěn)定性分析7、無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一公式算例相當(dāng)于允許升溫幅度49.9℃19四、無縫線路穩(wěn)定性分析8、無縫線路穩(wěn)定性變波長公式計(jì)算圖示初始彎曲線形變形曲線20四、無縫線路穩(wěn)定性分析8、無縫線路穩(wěn)定性變波長公式總勢能21四、無縫線路穩(wěn)定性分析8、無縫線路穩(wěn)定性變波長公式容許溫度力計(jì)算條件：最不利初彎波長60kg/m軌720cm，矢長比1‰，彈性矢度占比58.33%允許溫升考慮縱向分布不均，減去8C，直線及半徑R≥2000m曲線在設(shè)計(jì)中考慮運(yùn)營過程中鎖定軌溫的變化，再減去8C計(jì)算步驟：假定波長，計(jì)算P得到P的極小值22四、無縫線路穩(wěn)定性分析8、無縫線路穩(wěn)定性變波長公式算例23五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)任務(wù)與內(nèi)容設(shè)計(jì)任務(wù)：區(qū)間路基上普通無縫線路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)核心：確定無縫線路的設(shè)計(jì)與施工鎖定軌溫設(shè)計(jì)內(nèi)容：確定鎖定軌溫、進(jìn)行無縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)鎖定軌溫的確定保證最低軌溫時(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)設(shè)計(jì)步驟根據(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)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24五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、根據(jù)強(qiáng)度條件確定允許升降溫幅度保證鋼軌足夠的強(qiáng)度——不被拉斷由鋼軌強(qiáng)度檢算條件

可得允許降溫幅度

同理，根據(jù)強(qiáng)度條件確定的允許升溫幅度25五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、根據(jù)斷軌條件確定允許降溫幅度保證斷軌后的最大斷縫值小于容許值斷縫容許值：確定原則：行車安全、動(dòng)力作用一般情況70mm、困難條件90mm；無砟軌道100mm計(jì)算方法26五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4、根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許升溫幅度保證鋼軌的穩(wěn)定性——不失穩(wěn)

根據(jù)穩(wěn)定條件（統(tǒng)一公式、不等波長公式、壓彎變形計(jì)算公式）求得允許溫度壓力[P]，鋼軌允許升溫幅度[?tc]：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27五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5、確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍TmaxTmax-[?tc]Tmin+[?ts]Tmin[?tc][?ts]tetmtn28五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6、無縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容長軌條長度伸縮區(qū)長度緩沖區(qū)長度預(yù)留軌縫防爬設(shè)備29五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7、軌條長度長軌條長度考慮線路平、縱面條件、道岔、道口、橋梁、隧道所在位置，原則上按閉塞分區(qū)長度設(shè)計(jì)，一般長度為1000-2000m。最短為200m，特殊情況下不短于150m伸縮區(qū)長度長度一般取為50-100m，宜取為標(biāo)準(zhǔn)軌長度的整倍數(shù)緩沖區(qū)長度長軌之間、道岔與長軌之間、絕緣接頭處需設(shè)置緩沖區(qū)，2～4根同類型標(biāo)準(zhǔn)軌30五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8、預(yù)留軌縫確定原則：與普通線路軌縫相同。長軌與標(biāo)準(zhǔn)軌之間預(yù)留軌縫冬季不超過構(gòu)造軌縫夏季軌縫不頂嚴(yán)預(yù)留軌縫緩沖區(qū)中標(biāo)準(zhǔn)軌間軌縫與普通線路軌縫設(shè)置相同構(gòu)造軌縫60kg/m以下:18mm75kg/m:20mm31五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8、預(yù)留軌縫軌端伸縮量計(jì)算32五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9、防爬設(shè)備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，以保證無相對無鋼軌相對于軌枕的縱向移動(dòng) P防+nP扣≥nR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33五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10、拓展與思考研究實(shí)例：某地區(qū)最高年軌溫為65℃，最低年軌溫-35℃，Ⅲ型混凝土軌枕，等效道床阻力為115N/cm，鋼軌容許強(qiáng)度為351MPa，計(jì)算得軌底拉應(yīng)力為161MPa，軌頭壓應(yīng)力為208MPa，制動(dòng)應(yīng)力取為10MPa，斷縫容許值為90mm，線路縱向阻力160N/cm，問能否在250m曲線上鋪設(shè)無縫線路？若不能鋪設(shè)，可采取哪些措施？鋼軌彈性模量2.1×105MPa，截面積77.45cm2。解：由強(qiáng)度條件計(jì)算得容許升溫幅為53.6℃，容許降溫幅度72.6℃

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34.8℃

確定得設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(30.2+37.6)/2+3=36.9≈37℃

鋪設(shè)軌溫范圍為32-42℃，超過了容許降溫幅度，不宜鋪設(shè)。34五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10、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

35五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10、拓展與思考研究實(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設(shè)置護(hù)軌提高-1.2℃、護(hù)軌橫撐桁架提高3.3℃

、道砟袋支擋提高15.3℃

、軌枕卡縱連提高20.6℃

、道砟膠固化提高45℃36五、無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10、拓展與思考*思考：1、無縫線路維修作業(yè)是否有時(shí)間限制及作業(yè)條件限制？道床擾動(dòng)阻力下降，須有作業(yè)軌溫條件限制，一般在鎖定軌溫15

℃2、軌道不平順對無縫線路穩(wěn)定性的影響如何？方向不平順會(huì)引起脹軌3、豎向上是否也會(huì)脹軌？一般不會(huì)，但在梁端溫度力集中及豎曲線處也會(huì)，無砟軌道彈性支承塊