7 無縫線路技術(shù) - 穩(wěn)定性課件講解

三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

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無縫線路在高溫夏季鋼軌內(nèi)部存在巨大的溫度壓力，在列車動(dòng)力或人工作業(yè)等干擾下，軌道彎曲變形有時(shí)會(huì)突然增大,這一現(xiàn)象稱為脹軌跑道，在理論上稱為喪失穩(wěn)定。（一）漲軌跑道（失穩(wěn)）概念道床橫向阻力三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

2研究溫度壓力和軌道原始不平順、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(jī)理，分析其力學(xué)條件和主要影響因素，計(jì)算出保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力。穩(wěn)定性分析目的：Page

3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(gè)階段見圖。圖中縱坐標(biāo)為鋼軌溫度壓力Pt，橫坐標(biāo)為軌道彎曲變形矢度f0+f，f0為軌道原始彎曲矢度。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(shí)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(dāng)Pt達(dá)到臨界值Pk時(shí)，這時(shí)軌溫稍有升高或稍有外部干擾時(shí)，軌道將會(huì)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(yán)重破壞，至此穩(wěn)定性完全喪失。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

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通過大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(rèn)識(shí)不足，在養(yǎng)護(hù)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。（二）影響無縫線路穩(wěn)定性的因素1.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。工程經(jīng)驗(yàn)表明，在穩(wěn)定軌道框架的因素中，道床的貢獻(xiàn)約為65%，鋼軌的貢獻(xiàn)約為25%，扣件的貢獻(xiàn)約為10%。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

5道床橫向阻力的構(gòu)成：由軌枕兩側(cè)及底部與道砟接觸面之間的摩阻力，和枕端砟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%左右。為使道床橫向阻力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不僅要求道床斷面符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸，還應(yīng)搗固緊密，其道床密實(shí)度應(yīng)達(dá)到1700kg/m3。木枕混凝土枕混凝土寬枕阻力kN/根f(mm)道床對每根軌枕的橫向阻力Q0，可用試驗(yàn)方法獲得。試驗(yàn)表明Q0與軌枕橫向位移f呈非線性關(guān)系，如圖所示。道床橫向阻力Q0與軌枕類型、道床斷面尺寸、道砟材料及其密實(shí)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。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

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標(biāo)準(zhǔn)道床對每根軌枕的橫向阻力Q0與道床單位橫向阻力q具有下列關(guān)系：

通過試驗(yàn)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，cm。q0—道床單位橫向阻力初始值，N/cm；B、C、Z、N—阻力系數(shù)。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

7線路特征q0BCZ1/N木枕道床肩寬40cm，1840根/km12.421529612/3道床密實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)斷面，1840根/km20.08.0601.71/3混凝土枕Ⅰ型，道床肩寬40cm，1840根/km15.044458313/4Ⅰ型，道床密實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)斷面，1840根/km22.0381101.51/3Ⅱ型，1760根/km11.6214.8597.513/4Ⅱ型，1840根/km12.1225.1624.613/4Ⅲ型，1667根/km14.6357.2784.713/4Ⅲ型，1760根/km15.4366.6819.713/4表7.6道床橫向分布阻力系數(shù)Page

8道砟材質(zhì)與粒徑：不同材質(zhì)道砟提供的橫向阻力不一樣，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)美國和英國鐵路試驗(yàn)研究，在同類軌道的條件下，經(jīng)過長期運(yùn)營密實(shí)穩(wěn)定的道床飽滿程度最好、橫向阻力最大，機(jī)械搗固后道床飽滿程度降低、阻力顯著減小。線路維修作業(yè)：維修作業(yè)中，凡擾動(dòng)道床，如起道搗固、清篩等改變道砟間或道砟與軌枕間的接觸狀態(tài)，都會(huì)導(dǎo)致道床阻力的下降。列車動(dòng)荷載：在列車的動(dòng)荷載作用下，每根軌枕所提供的橫向阻力是不同的。這是因?yàn)檐壍揽蚣茉谳嗇d作用下會(huì)產(chǎn)生正撓曲，而距輪載一定范圍內(nèi)則會(huì)出現(xiàn)負(fù)撓曲，使兩轉(zhuǎn)向架之間的軌道框架最大抬高量可達(dá)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、無縫線路的穩(wěn)定性

影響道床橫向阻力的因素Page

9道床肩寬：適當(dāng)?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(huì)增大。軌枕端部的橫向阻力是軌枕橫移擠動(dòng)砟肩道砟棱體時(shí)的阻力，并最終形成破裂面，砟肩的寬度必須覆蓋這一破裂面，以保證具有較大的阻力。破裂面的頂寬用下式計(jì)算：

H軌枕端部高度450+φ/2Cbb’BA

H—軌枕端埋入道床的深度；φ—摩擦角，一般取35～50°。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

10據(jù)有關(guān)測試比較，與30cm的肩寬相比，肩寬增加到50cm時(shí)，阻力值可增加16%，若再加寬，阻力將不再增加。我國普通線路砟肩寬度為30cm，無縫線路砟肩寬度為40～50cm。道床肩部堆高：國內(nèi)外的試驗(yàn)表明，道床肩部堆高也可提高道床橫向阻力。砟肩堆高比砟肩加寬效果更明顯，并可節(jié)約道砟。這項(xiàng)措施為國內(nèi)外無縫線路廣泛采用。我國鐵路砟肩一般堆高15cm。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

11軌道框架剛度越大，抵抗橫向彎曲變形的能力就越強(qiáng)。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(diǎn)間（扣件）的阻矩抵抗橫向彎曲能力的總和。（2）軌道框架剛度

H、μ—阻矩系數(shù)三、無縫線路的穩(wěn)定性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)?？梢员硎緸殇撥壪鄬壵磙D(zhuǎn)角的冪函數(shù)：Page

122.喪失穩(wěn)定的因素

（1）鋼軌的溫度壓力

軌道初始橫向彎曲則是無縫線路失穩(wěn)的直接原因。脹軌跑道多發(fā)生在軌道的初始彎曲處。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?，F(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由于溫升引起鋼軌軸向溫度壓力是無縫線路喪失穩(wěn)定的根本原因。因此，控制溫升幅度對提高無縫線路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

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軌道結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)是荷載的重復(fù)性與隨機(jī)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(jìn)行經(jīng)常或定期的修理，線路狀態(tài)的變化會(huì)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(chǔ)備量。（四）穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備量分析1.初始彎曲的影響

軌道變形量一定時(shí)，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(jì)算時(shí)考慮一定的安全性，根據(jù)初彎有關(guān)參數(shù)計(jì)算鋼軌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、無縫線路的穩(wěn)定性Page

14允許溫差設(shè)計(jì)，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＝0.2cm所對應(yīng)的軌溫差作為穩(wěn)定性允許溫差。考慮在軌道彎曲變形范圍內(nèi)縱向力分布不均勻，計(jì)算時(shí)修正鎖定溫度8℃，即將穩(wěn)定性允許溫差減去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(hù)維修作業(yè)時(shí)間，考慮高溫季節(jié)也可安排必要的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，因此在允許鋪軌溫差中，再減去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。三、無縫線路的穩(wěn)定性2.允許溫差的確定

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15無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一計(jì)算公式

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?！惰F路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》仍采用統(tǒng)一公式。無縫線路穩(wěn)定性不等波長計(jì)算公式

我國在1990年5月1日開始實(shí)施的《無縫線路鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修方法》，穩(wěn)定性計(jì)算采用鐵科院盧耀榮等提出的變形波長與初始彎曲波長不相等的計(jì)算公式（以下簡稱“不等波長公式”。Page

16三、無縫線路的穩(wěn)定性(五)無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式Page

17統(tǒng)一公式計(jì)算簡圖三、無縫線路的穩(wěn)定性軌道框架視為鋪設(shè)于均勻介質(zhì)（道床）中的一根細(xì)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(diǎn)無位移；不考慮扣件變形能。統(tǒng)一公式基本假定統(tǒng)一計(jì)算公式三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

18統(tǒng)一計(jì)算公式總的初始變形量為：總的變形量為：三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

19統(tǒng)一計(jì)算公式Page

20統(tǒng)一計(jì)算公式Page

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23統(tǒng)一計(jì)算公式Page

24統(tǒng)一計(jì)算公式將式（7.38），（7.41），（7.44）代入式（7.34a）中

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25統(tǒng)一計(jì)算公式鋼軌失穩(wěn)時(shí)溫度壓力為三、無縫線路的穩(wěn)定性（7.45）Page

26式中，安全系數(shù)K取為1.3。三、無縫線路的穩(wěn)定性將代入式(6.46)重新計(jì)算l，如果l與最后假定的l0相差不大，就可將及相應(yīng)的l值代入式(6.45)計(jì)算出計(jì)算溫度力PN，再除以安全系數(shù)，即可得到兩股鋼軌組成的軌道框架的允許溫度壓力Page

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30給定f，計(jì)算不同l對應(yīng)的PN根據(jù)不同f時(shí)的PN－f平衡狀態(tài)方程，求得臨界矢度、波長、溫度壓力溫度力非均勻性修正及安全系數(shù)Page

31不等波長公式計(jì)算簡圖三、無縫線路的穩(wěn)定性32不等波長公式基本假定

軌道為無限長梁，曲線軌道視為半徑等于R的曲梁，并埋置在均勻介質(zhì)（道床）中；假定梁初始彎曲的線形為正弦線；假定梁在溫度壓力作用下，變形曲線與初始彎曲波形相似，但波長不等。三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

3233不等波長計(jì)算公式三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

33三、無縫線路的穩(wěn)定性Page

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40不等波長計(jì)算公式三、無縫線路的穩(wěn)定性鋼軌失穩(wěn)時(shí)溫度壓力為（7.64）設(shè)初始彎曲失長比為彈性初彎失度占總初彎