高速鐵路軌道結(jié)構(gòu).ppt

1、1,高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu),一、高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)應具備的主要性能及國外主要高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)型式 (一) 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)應具備的主要性能 1. 高平順性 2. 高可靠性、長壽命 3. 高穩(wěn)定性 (二) 國外主要高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的基本型式 1. 有碴軌道結(jié)構(gòu) 2. 無碴軌道 二、高速鐵路軌道的設計荷載 三、有碴軌道結(jié)構(gòu) (一) 鋼軌 1. 鋼軌尺寸允許偏差及平直度要求 2. 鋼軌的化學成份 3. 鋼軌的力學性能 4. 鋼軌重量和斷面 5. 鋼軌焊接接頭平、直度 (二) 混凝土軌枕 (三) 扣件 1. 國外高速鐵路扣件型式及其主要參數(shù) 2. 京滬高速鐵路扣件的基本設計參數(shù) 3. 我國鐵路既有彈性扣件

2、的基本性能,2,四) 道床 1. 國外主要高速鐵路的道床結(jié)構(gòu) 2. 京滬高速鐵路的道床結(jié)構(gòu) 3. 碎石道床道碴材料 4. 碎石道床底碴材料 5. 有碴橋上的道床厚度 二、無碴軌道結(jié)構(gòu) (一) 無碴軌道結(jié)構(gòu)的特點及其使用條件 (二) 無碴軌道在國外高速鐵路上的應用 (三) 我國高速鐵路的無碴軌道結(jié)構(gòu) 1. 長枕埋入式無碴軌道 2. 板式無碴軌道 3. 彈性支承塊式無碴軌道 (四) 我國高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)的扣件 (五) 軌道過渡段 1. 過渡段長度的確定 2. 技術(shù)處理措施,3,1.高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)應具備的主要性能及國外主要高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)型式,1.1高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)應具備的主要性能 1.1.

3、1高平順性 (1)提高鋼軌的平直性、軌面的平順性及鋼軌焊接接頭的平直性。 (2) 避免由于軌道結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、均一性遭到破壞而引起的中、長波不平順。 (3) 提高軌道彈性的均勻性。防止由于路基、道床、軌下膠墊彈性不勻所引起的長波不平順,4,1.1.2高可靠性，長壽命 (1) 高可靠性主要是指軌道結(jié)構(gòu)保持平順性，維持線路正常運營的能力。 (2) 長壽命，指的是軌道結(jié)構(gòu)有較長的維修和大修周期。 1.1.3高穩(wěn)定性 (1) 采用跨區(qū)間無縫線路是提高軌道結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，均勻性的重大舉措。而無縫道岔直基本軌的溫度附加力會使道岔區(qū)成為無縫線路穩(wěn)定性的控制點。 (2) 高速列車的高頻沖擊和振動，會使軌道結(jié)構(gòu)的縱

4、、橫向阻力，即軌道自身保持穩(wěn)定的能力降低， (3)而高速列車的蛇行和橫向振動又會使作用到軌道上的橫向荷載加大,5,1.2國外主要高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的基本形式 1.2.1有碴軌道結(jié)構(gòu) (1)日本東海道新干線大部分線路為有碴軌道結(jié)構(gòu)。最初采用50kg/m焊接長鋼軌，每公里1720根預應力混凝土軌枕，道床碎石及底碴層總厚50cm，碴肩寬50mm。120雙彈性扣件，扣壓力6kN，軌下膠墊6090kN/mm。東海道新干線于1973年開始有計劃地以60kg/m焊接長鋼軌更換原有的50kg/m鋼軌，以重型軌枕更換原有輕型軌枕。 (2)法國TGV線路采用UIC60 900A自然硬度(非淬火)鋼軌，跨區(qū)間無縫線路

5、、U41型雙塊式混凝土軌枕、(1667根/km)，Nabal扣件、扣壓力11kN，軌下彈性墊層厚9mm、靜剛度為72.65kN/mm，加強型道床斷面、肩寬60cm、碴肩堆高10cm、邊坡1:1.5，厚度東南線50cm(面碴30，底碴20)，大西洋線55cm(面碴35cm，底碴20cm)，道碴粒級2555mm，硬質(zhì)碎石道碴。 (3)德國ICE線路采用UIC60、900A自然硬度(非淬火)鋼軌，跨區(qū)間無縫線路。B70混凝土軌枕，長度2.6m，按枕間距60cm(1667根/km)鋪設。型彈條扣件、扣壓力11kN、彈程14mm，軌下膠墊厚6mm，靜剛度為5070kN/mm，碎石道床肩寬50cm，邊坡1

6、:1.5，厚度為碎石層30cm，底碴(路基保護層)層1530cm,6,1.2.2無碴軌道 日本山陽、東北、上越等新干線的無碴軌道形式為板式軌道。 德國科隆到法蘭克福高速鐵路上的無碴軌道結(jié)構(gòu)主要有： Rheda型，是將預應力混凝土軌枕澆注在填充混凝土中，并支承在鋼筋混凝土道床上。 Zblin型，采用雙塊式軌枕取代Rheda型的預應力混凝土軌枕，其余的結(jié)構(gòu)組成與Rheda型基本相同。 ATD型 雙塊式軌枕直接置于瀝青混凝土道床上，并在枕底與道床之間灌注彈性粘結(jié)材料，使兩者聯(lián)結(jié)成整體。 國外主要高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)概況見表1.2.1,7,表1.2.1 國外主要高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)概況,8,2.高速鐵路軌道的

7、設計荷載,列車軸重是軌道結(jié)構(gòu)設計的基本參數(shù)。隨著列車速度的提高，由于輪軌動力效應所引起的動力附加荷載更大。因此，積極減小列車軸重，降低輪軌動力效應，已成為世界各國高速鐵路共同的趨勢。 歐洲鐵路根據(jù)實測資料，得出了幾種典型機車車輛在不同速度范圍內(nèi)動輪重隨速度的變化趨勢，如圖2.0.1所示,9,表2.0.1 高速鐵路的列車軸重和動力附加系數(shù),10,圖2.0.1 典型機車車輛在不同速度范圍內(nèi)動輪重的實測值,歐洲鐵路根據(jù)實測資料，得出幾種典型機車車輛在不同速度范圍內(nèi)動輪重隨速度的變化趨勢如圖2.0.1所示,11,3.1鋼軌 3.1.1鋼軌尺寸允許偏差及平直度要求 表3.1.1同時列出了我國京滬高速鐵路

8、技術(shù)條件(以下稱京滬技術(shù)條件)，國外高速鐵路UIC860(國際鐵路聯(lián)盟860)、JISE1011(日本工業(yè)標準1101-1993)、TGV(法國高速鐵路)、EN(歐洲標準協(xié)會)及GB2585(國標2585)和TB/T2344(部標2344)各項標準所規(guī)定的鋼軌尺寸允許偏差,3.有碴軌道結(jié)構(gòu),12,表3.1.1 世界主要高速鐵路鋼軌尺寸允許偏差(mm,13,表3.1.2 世界主要高速鐵路鋼軌平、直度規(guī)定(mm/m,表3.1.2 列出了上述各項標準對鋼軌平直度所作出的規(guī)定,14,表3.1.2 鋼軌的化學成分 表3.1.3列出了京滬技術(shù)條件及國外有關標準中對化學成分的規(guī)定 表3.1.3 世界主要高速

9、鐵路鋼軌化學成分(,15,表3.1.4列出了對殘留元素上限值的規(guī)定。 表3.1.4 鋼軌殘留元素上限(,16,3.1.3鋼軌的力學性能 除了傳統(tǒng)的力學指標抗拉強度b，延伸率5和踏面硬度之外，高速鐵路還對鋼軌的疲勞強度、斷裂韌性，裂紋擴展速率、殘余應力、落錘性能等提出了要求。京滬技術(shù)條件中有關力學性能的規(guī)定見表3.1.5。表中的各項指標值大體是參照UIC900A和EN標準制訂的。 表3.1.5 鋼軌的力學指標,17,日本新干線、法國TGV和德國ICE高速鐵路所采用的鋼軌均為60kg/m級。我國60kg/m鋼軌在國內(nèi)主要干線上已鋪設5萬多公里。三種60kg/m鋼軌的斷面尺寸及主要參數(shù)如圖3.1.1

10、a,b,c表3.1.6所示。國外高速鐵路鋼軌重量都為60kg/m級，故在我國高速鐵路上采用60kg/m級鋼軌也順理成章,a.UIC60kg/m軌 b.中國60kg/m軌 c.日本60kg/m軌 圖3.1.1 60kg/m鋼軌斷面,18,表3.1.6 三種鋼軌斷面主要參數(shù),19,進行斷面設計通?？紤]的因素是： 軌重影響鋼軌的垂向抗彎剛度及抗橫向傾覆穩(wěn)定 軌底寬影響鋼軌的抗橫向傾覆穩(wěn)定性 頭高影響金屬分配比及軌頭的磨耗限值 底高影響金屬分配比及底部的強度 腰厚影響軌腰部分的強度及腐蝕限值 軌頭、軌腰及軌腰、軌底的連接圓弧將影響其局部應力及接頭夾板的接觸面。 UIC60軌和我國60kg/m鋼軌的軌頂

11、弧線是很近似的，都是五段式13-80-300-80-13弧線，只是各段弧線的長度略有差異，中國60kg/m軌中心R=300mm圓弧的寬度為20mm，R=80mm連接圓弧的寬度為15.33mm，整個軌頂弧線寬度為69.36mm，而UIC60軌的相應尺寸為21mm、15.5mm和70.6mm，軌頭側(cè)面斜度均為1:20。 可以認為，對輪軌幾何接觸、輪軌動力、輪軌磨耗最具影響的軌頭形式尺寸而言，UIC60軌和中國的60kg/m軌沒有實質(zhì)性的差異,20,3.1.5鋼軌焊接接頭平、直度 表3.1.6列出了世界主要高速鐵路焊接接頭的平、直度標準。 表3.1.6 高速鐵路焊接接頭平、直度標準,21,3.2混凝

12、土軌枕 國外高速鐵路混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)型式及適用速度范圍列於表3.2.1。 表3.2.1 國外主要高速鐵路混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)型式及適用速度范圍,22,我國鐵路目前生產(chǎn)的混凝土軌枕系列的主要設計參數(shù)列於表3.2.2。 表3.2.2 各類軌枕的主要設計參數(shù),23,根據(jù)試驗和分析，型、型混凝土枕的適用條件如表3.2.3所示。 表3.2.3 、型枕適用條件,24,京滬高速鐵路參ICE的機車荷載(軸重19.5t)，設計出三種軌枕方案如表3.25 表3.2.5 三種高速鐵路軌枕設計方案及型枕對比,可以看出，京滬高速鐵路所需的軌枕承載能力略低于型枕，故按所需承載能力所設計的三種高速鐵路軌枕其高度約比型枕低10m

13、m，重量約輕10kg，使考慮到型枕在我國已大量生產(chǎn)、使用，及生產(chǎn)成本，使用經(jīng)驗考慮。建議我國高速鐵路有碴軌道結(jié)構(gòu)采用型混凝土軌枕,25,3.3扣件 3.3.1國外高速鐵路扣件型式及其主要參數(shù) 表3.3.1 國外主要高速鐵路扣件,26,3.3.2京滬高速鐵路扣件的基本設計參數(shù) 制訂京滬高速鐵路扣件的主要設計參數(shù)如下： 初始扣壓力10kN 扣壓彈性件彈程10mm 膠墊靜剛度80kN/mm 每公里線路兩股鋼軌間的電阻4 我國鐵路既有的彈條扣件、軌下橡膠墊板的型號、 主要設計性能及配套使用情況分別如表3.3.2，3.3.3,27,表3.3.2 彈條扣件的型或及主要設計性能,注：括號內(nèi)值為50kg/m鋼

14、軌,28,表3.3.3 軌下膠墊的型號、靜剛度及配套使用性能,注：墊板型號中三組數(shù)字順次表示：鋼軌類型、墊板厚度和墊板上下表面溝槽數(shù)之和,29,3.4道床 3.4.1國外主要高速鐵路的道床結(jié)構(gòu) 日本東海道新干線及其它新干線，法國TGV線路，德國ICE高速線路，西班牙高速鐵路的線路斷面圖分別示於圖3.4.13.4.6,圖3.4.1 日本東海道新干線線路斷面,圖3.4.2 日本其它新干線線路斷面,30,b 道床面碴；f 路基表層； qc 道床底碴層； a1，a2土工纖維織物隔離層； g 干凈砂/礫層； ft用水硬性砂漿處理過的路基表層； s 細砂隔離層； r1，r3,r4換土的路基表層 圖3.4.

15、3 法國TGV線路不同路基條件下的線路斷面,31,圖3.4.4 德國ICE新線線路斷面,圖3.4.5 西班牙高速鐵路線路斷面,32,圖3.4.6 日本單層道床中的基床表層,圖3.4.7 強化路盤結(jié)構(gòu),日本新干線高速鐵路采用的單層道床結(jié)構(gòu)及強化路盤,33,3.4.2京滬高速鐵路的道床結(jié)構(gòu) 京滬高速鐵路的道床斷面如圖3.4.8所示,圖3.4.9(a) 京滬高速鐵路雙線路塹(硬質(zhì)巖石)標準橫斷面圖,圖3.4.8 道床斷面圖,圖3.4.9(b) 京滬高速鐵路雙線路堤標準橫斷面圖,34,我國于1990年重新制訂TB/T2140-90鐵路碎石道碴標準。標準中將道碴質(zhì)量劃分為一級和二級，并規(guī)定在特重型、重型

16、軌道地段，應優(yōu)先采用一級道碴。世界各國道碴標準中通用的洛杉磯磨耗率LAA相比，我國一級道碴LAA27%，法國普通鐵路及TGV東南線LAA20%，TGV北線LAA17%、TGV新建線LAA16%。我國“暫規(guī)”規(guī)定的適用於京滬高速鐵路特級碎石道碴材質(zhì)標準見表3.4.1,35,3.4.3 碎石道床道碴材料,表3.4.1 特級碎石道碴標準,36,3.4.4碎石道床底碴材料 鐵路設計暫規(guī)中規(guī)定，用路基基床表層替代道床底碴層。當基床表層材料采用級配碎石時，其材質(zhì)、粒徑級配應滿足我國TB/T2897鐵路碎石道床底碴的各項要求。 底碴材料的粒徑級配應符合表3.4.2的規(guī)定，且0.5mm篩以下的細集料中通過0.

17、075mm篩的顆粒含量應小于等于66%，底碴材料的粒徑級配與碎石道碴層及路基基床表層(即底碴層以下的填料層)粒徑級配的匹配關系示于圖3.4.10,37,表3.4.2 鐵路碎石道床底碴粒徑級配標準,圖3.4.10 道碴、底碴、基床表層材料粒徑級配的合理匹配關系,38,3.4.5有碴橋上的道床厚度 常速線路上有碴橋上的道床厚度大都小於土路基上的道床厚度。因為這時道床的主要功能是擴散軌枕荷載，確定道床厚度的控制因素是路基支承表面的允許壓應力，而混凝土橋面的允許壓應力遠遠高於土路基表面。 高速鐵路有碴橋上道床的主要功能是增加軌道彈性，隔振、除噪、延續(xù)道碴的破碎和粉化。擴散軌枕荷載不再是決定道床厚度的控

18、制因素，故橋上的道床厚度都大于路基上的道床厚度,39,德國高速鐵路有碴橋軌道斷面如圖3.4.11,圖3.4.11 德國高速鐵路有碴橋軌道斷面,40,法國TGV線路有碴橋軌道斷面如圖3.4.12,圖3.4.12 法國TGV線路有碴橋軌道斷面,41,日本高速鐵路有碴橋軌道斷面如圖3.4.13所示,圖3.4.13 日本高速鐵路有碴橋軌道斷面,42,京滬高速鐵路將采用在道碴層與橋面之間鋪設橡膠墊層的方案，其軌道斷面圖如圖3.4.14。枕下道碴層與橡膠層的總厚度為35cm。橡膠層的材料、結(jié)構(gòu)及參數(shù)待研究確定,圖3.4.14 京滬高速鐵路有碴橋軌道斷面,43,3.4.6 道床狀態(tài) “京滬高速鐵路設計暫行規(guī)

19、定”（上冊）規(guī)定：線路開通前，道床密度不得小于1.75gcm3,支承剛度不得小于120KNmm,縱向阻力不得小于14KN/枕，橫向阻力不得小于12KN/枕。以滿足新線鋪設跨區(qū)間無縫線路的要求及新建鐵路按設計速度開通的要求,44,4.無碴軌道結(jié)構(gòu),4.1無碴軌道結(jié)構(gòu)的特點及其使用條件 采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒體碎石道床的軌道結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為無碴軌道。其優(yōu)點是： 1.消除了由于散粒體道碴的破碎、粉化，道床的形變而導致軌道幾何形態(tài)惡化和日益增加的軌道維修工作量。 2.整體化的軌下基礎給軌道提供了更為強大的縱、橫向阻力，提高了軌道的穩(wěn)定性。 在剛性的整體混凝土底座上，安裝廠制的橡膠墊板，橡膠

20、靴套或現(xiàn)場澆注的CA砂漿墊層等彈性元件提供的軌道彈性，比在土路基上的碎石道床提供的軌道彈性更具均勻性,45,其缺點是： 1.散粒體碎右道床可通過起、撥、搗作業(yè)，方便地對軌道幾何形態(tài)的變化進行整治和修理。而無碴整體道床，只能利用扣件的有限調(diào)節(jié)量調(diào)整軌道幾何尺寸的變化，因此，無碴軌道結(jié)構(gòu)建成之后的永久變形受到嚴格的限制。 2.無碴軌道為剛性基礎，其軌道整體彈性差。列車運行時其環(huán)境振動，噪聲及軌道振動強烈。 3.無碴軌道的基礎一旦出現(xiàn)變形或破壞，其整治和修復相對困難，資金和人力的投入也很大，故要求有堅實和穩(wěn)固的基礎。 4.無碴軌道的工程費用比有碴軌道高,46,基于上述特點，我國現(xiàn)階段在使用無碴軌道結(jié)

21、構(gòu)時需要考慮下述各點： 1.在現(xiàn)階段我國高速鐵路上無碴軌道將首先應用于混凝土橋梁、高架結(jié)構(gòu)及有仰拱的隧道內(nèi)。 2.在混凝土橋梁和高架結(jié)構(gòu)上使用無碴軌道時，必須考慮無碴軌道施工完成后混凝土梁的工后徐變上拱量，并必須控制在扣件的調(diào)高量范圍之內(nèi)。 3.扣件是調(diào)整無碴軌道幾何形變的唯一環(huán)節(jié)。一般要求隧道內(nèi)無碴軌道扣件的調(diào)高量為10mm左右，橋梁、高架結(jié)構(gòu)無碴軌道扣件的調(diào)高量至少為30mm，最好為50mm。 無碴軌道的幾何施工精度是決定無碴軌道能否大面積推廣應用的關鍵,47,4.2 無碴軌道在國外高速鐵路上的應用 在新建的柏林至漢諾威和法蘭克福至科隆的兩條高速鐵路上，無碴軌道的鋪設長度分別占線路總長的70%和100%。 德國無碴軌道的型式主要有Rheda型、Zblin型、ATD型和Y鋼枕型，其中用于橋上和隧道內(nèi)的Rheda型軌道結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示,48,圖4.2.1 德國Rheda型軌道,49,日本無碴軌道的基本型式是板式(slab)軌道，它已成為山陽、上越、東北、北陸等新干線的主型軌道結(jié)構(gòu)(表4.2.1)，至今累計鋪設總長已達2400km。 表4.2.1 日本新干線板式軌道鋪設長度(km,50,圖4.2.2 日本普通型