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文檔簡介

第七章無縫線路

CWR軌道工程RailwayTrackEngineeringJointtrack

Expansionjoint

CWR第一節(jié)概述CWR(LRS)為何在上世紀(jì)五十年代發(fā)展?跨區(qū)間無縫線路?閉塞區(qū)間新建線路一次性鋪設(shè)無縫線路記憶效應(yīng)memoryeffects第一節(jié)概述精品課程《軌道工程》RailwayTrackEngineering一、鋪設(shè)無縫線路的意義所謂無縫線路就是把鋼軌焊接起來的線路,所以又稱焊接長鋼軌線路。無縫線路是當(dāng)今軌道結(jié)構(gòu)的最佳選擇,它以無可非議的優(yōu)越性得到各國鐵路的承認(rèn)。幾十年來,世界各國競相發(fā)展。我國鐵路無縫線路近年來在技術(shù)上有很大進(jìn)步,在數(shù)量上有較快增長。精品課程《軌道工程》RailwayTrackEngineering國內(nèi)外鋪設(shè)無縫線路的研究與實(shí)踐證明,無縫線路與有縫線路相比:1)它在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上有明顯的優(yōu)越性。與有縫線路比,可節(jié)約維修費(fèi)用30%-75%;2)無縫線路的平順性好、線路阻力小,行車平穩(wěn)、旅客舒適;3)還可減少機(jī)車和車輛的修理費(fèi)和燃料費(fèi),因而獲得迅速發(fā)展。二、無縫線路的類型無縫線路根據(jù)處理鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力方式的不同,可分為:溫度應(yīng)力式、放散溫度應(yīng)力式。溫度應(yīng)力式無縫線路在運(yùn)營過程中,通常不必人工放散溫度應(yīng)力;放散溫度應(yīng)力式無縫線路需要定期或自動放散溫度應(yīng)力。根據(jù)無縫線路鋪設(shè)位置、設(shè)計(jì)要求的不同,可分為路基無縫線路、橋上無縫線路、岔區(qū)無縫線路等;根據(jù)無縫線路軌條長度、是否跨越車站,可分為普通無縫線路和跨區(qū)間無縫線路;根據(jù)長鋼軌接頭的聯(lián)結(jié)型式,可分為焊接無縫線路和凍結(jié)無縫線路。三、國內(nèi)外無縫線路發(fā)展概況大量的鋪設(shè)無縫線路能收到節(jié)約材料、勞力、能耗等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,因此深受各國重視。1915年,歐洲在有軌電車軌道上開始使用焊接長鋼軌,焊接軌條長度約為100~200m。20世紀(jì)30年代,世界各國開始在鐵路上進(jìn)行鋪設(shè)試驗(yàn)。到了50~60年代,由于焊接技術(shù)的發(fā)展,無縫線路得到推廣應(yīng)用和迅速發(fā)展。

我國于1957年開始在京滬兩地各鋪設(shè)1km無縫線路,次年才進(jìn)行大規(guī)模的試鋪。1961年底我國共鋪設(shè)無縫線路約150km,60~70年代對在線路特殊地段鋪設(shè)無縫線路進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究,并取得了成功,為在線路上連續(xù)鋪設(shè)無縫線路創(chuàng)造了條件。至2007年,我國鐵路正線無縫線路長度已達(dá)5.2萬公里,占正線總長的比重達(dá)到58%。隨著軌道結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的豐富以及軌道結(jié)構(gòu)理論研究的深入,各國鐵路都在逐步擴(kuò)大無縫線路鋪設(shè)的范圍,并積極地發(fā)展跨區(qū)間無縫線路。國家總長/萬km占營運(yùn)線比例/%主要鋼軌類型最大軌溫差/℃容許鋪設(shè)的最小曲線半徑/m最大坡度/‰橋上線路阻力(kN/m/軌)伸縮調(diào)節(jié)器(EJ)的設(shè)置中5.257.875kg/m、60kg/m10230033根據(jù)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)德7.696(I級線路)UIC60、S49、S54903502515溫度跨度大于90m需設(shè)置日1.398(新干線)JIS60、50N、50T70600-5大跨度橋、道岔前后設(shè)置法2.265UIC60、UIC5070400--距道岔前后超過100m處設(shè)置俄4.032P50、P65、P7511930024--美12.043132RE、140RE、136RE94170--橋長超過153m設(shè)置表7-1各國鐵路無縫線路鋪設(shè)概況壓桿屈服第二節(jié)無縫線路的基本原理一、溫度力、伸縮位移與軌溫變化的關(guān)系一根長度為l可自由伸縮的鋼軌,當(dāng)軌溫變化

t℃時,其伸縮量為

l=α·l·

t

(7-1)式中α

鋼軌的線膨脹系數(shù),取11.8×10-6/℃;l

鋼軌長度(mm);

t

鋼軌軌溫變化幅度(℃)。

如果將處于自由狀態(tài)的鋼軌兩端完全固定,則鋼軌內(nèi)部將產(chǎn)生溫度應(yīng)力:

t=E·

t=E==E·a·

t (7-2)式中E

鋼的彈性模量,E=2.1×105MPa;

t

鋼的溫度應(yīng)變。將E、α值代入式(7-2),則溫度應(yīng)力為:

t=2.1×105×11.8×10-6

t=2.48

t(MPa)

(7-3)一根鋼軌所受的溫度力Pt為:

Pt=

t·F=2.48

t·F

(N) (7-4)式中F

鋼軌的斷面積(mm2)。由以上公式可知1.兩端固定的鋼軌中所產(chǎn)生的溫度力,僅與軌溫變化幅度

t有關(guān),而與鋼軌本身長度無關(guān)。2.不同類型的鋼軌在同一軌溫變化幅度下所產(chǎn)生的溫度力大小不同。鋼軌斷面積越大,同一軌溫變化幅度下所產(chǎn)生的溫度力越大。3.無縫線路鋼軌自由端伸長量與軌溫變化幅度

t、軌長l有關(guān),與鋼軌斷面積無關(guān)。為降低溫度力,需選擇一個適宜的鎖定軌溫,又稱零應(yīng)力狀態(tài)的軌溫或?qū)嶋H鎖定軌溫。在鋪設(shè)無縫線路時,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。施工鎖定軌溫不一定等于設(shè)計(jì)鎖定軌溫,但應(yīng)在設(shè)計(jì)鎖定軌溫允許變化范圍之內(nèi)。鎖定軌溫是決定鋼軌溫度力水平的基準(zhǔn),因此根據(jù)強(qiáng)度、穩(wěn)定條件確定鎖定軌溫是無縫線路設(shè)計(jì)的最主要內(nèi)容。影響軌溫的因素比較復(fù)雜,如氣候變化、風(fēng)力大小、日照強(qiáng)度、線路走向和所取部位等。根據(jù)多年的實(shí)際觀測,最高軌溫要比當(dāng)?shù)氐淖罡邭鉁馗?8~25℃,最低軌溫比當(dāng)?shù)氐淖畹蜌鉁氐?~3℃。二、線路縱向阻力(一)接頭阻力鋼軌接頭處由鋼軌夾板通過螺栓擰緊,產(chǎn)生阻止鋼軌縱向位移的阻力稱接頭阻力。接頭阻力由鋼軌夾板間的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。為了安全,僅考慮鋼軌與夾板間的摩阻力。

PH=n·s(7-5)(鋼結(jié)構(gòu))式中s

鋼軌與板間對應(yīng)一枚螺栓的摩阻力;n

接頭一端的螺栓數(shù)。摩阻力大小主要取決于螺栓擰緊后的張拉力P和鋼軌與夾板之間的摩擦系數(shù)f。由圖可知:T=P/2,則有:

R=(7-6)式中

P

一枚螺栓擰緊后的拉力(kN);

夾板接觸面的傾角,tg

=i;i

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。圖7-1夾板受力圖NTTN

θ

φRPαα當(dāng)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,阻止鋼軌的位移。

F=Nf=Rcos

·f=·cos

·f(7-7)一枚螺栓對應(yīng)有四個接觸面,其上所產(chǎn)生的摩阻力之和為s,則有:s=4·F=PH=n·s=(7-8)對應(yīng)于一枚螺栓所提供的摩阻力可作如下分析:鋼的摩擦系數(shù)一般為0.25,而f=tg

,則有

=tg-10.25;又有

=tg-1i。將以上相應(yīng)值代入求s的公式,可得到:70、50kg/m鋼軌,s=1.03P;60、43kg/m鋼軌,s=0.90P。可見,一根螺栓的拉力接近它所產(chǎn)生的接頭阻力。在此情況下,接頭阻力PH的表達(dá)式,可寫成:

PH=n·P

(7-9)接頭阻力與螺栓材質(zhì)、直徑、擰緊程度和夾板孔數(shù)有關(guān)。在其他條件相同情況下,螺栓的擰緊程度就是保持接頭阻力的關(guān)鍵。扭力矩T

與螺栓拉力的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式表示:

T

=K·D·P

(7-10)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。國內(nèi)外資料表明,接頭阻力可降低到靜力測定值的40~50%。因此,定期檢查扭力矩,重新擰緊螺帽,保證接頭阻力值在長期運(yùn)營過程中保持不變,是一項(xiàng)十分重要的措施。維修規(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(yīng)保持在700~900N·m。采用美國哈克螺栓和全螺紋自鎖緊高強(qiáng)螺栓(扭矩1100N·m以上)聯(lián)結(jié)的鋼軌接頭,接頭阻力達(dá)700~900kN,可承受60kg/m鋼軌軌溫變化36~47℃時的縱向溫度力,鋼軌接頭處于凍結(jié)狀態(tài),軌縫基本上不會發(fā)生變化,因而可用于構(gòu)成準(zhǔn)無縫線路。而膠接絕緣接頭的阻力可達(dá)1500~3000kN,基本上可承受住鋼軌中的縱向力,不會拉開軌縫,因而可視為與焊接接頭等強(qiáng)度。(二)扣件阻力中間扣件和防爬設(shè)備抵抗鋼軌沿軌枕面縱向位移的阻力,均稱扣件阻力。為了防止鋼軌爬行,一般要求扣件阻力必須大于道床縱向阻力;在一些特殊地段,如橋上、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌的伸縮范圍內(nèi),為了降低橋梁所受縱向力和保證鋼軌的正常伸縮,要求扣件阻力小于道床阻力。扣件阻力是由鋼軌底面沿墊板上表面之間的摩阻力和扣件與軌底扣著面之間的摩阻力所組成。摩阻力的大小,取決于扣件系統(tǒng)扣壓力和摩擦系數(shù)的大小。一組扣件的阻力F為:

F=2(

1+

2)P

(7-11)式中P

單個扣件對軌底上表面的扣壓力;

1

鋼軌與墊板之間的摩擦系數(shù);

2

鋼軌與扣件之間的摩擦系數(shù)。扣壓力P與螺栓所受拉力P拉的大小有關(guān)。以扣板式扣件為例,按圖7-2可得P的算式如下:

P=(7-12)式中P拉

扣板螺栓所受拉力,與螺帽扭矩有關(guān);

a、b

扣板著力點(diǎn)至螺栓孔中心的距離。代入式(7-11),扣件摩阻力F為:

F=2(

1+

2)(7-13)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明,扣件縱向阻力隨鋼軌位移的增加而增大。當(dāng)鋼軌位移達(dá)到某一定值之后,鋼軌產(chǎn)生滑移,阻力不再增加。0.00.51.01.52.005101520位移/mm扣件阻力/kN圖7-3彈條Ⅲ型扣件縱向阻力曲線軌下墊板經(jīng)過長期運(yùn)營后,會產(chǎn)生殘余壓縮變形,以致扣件阻力下降。中國鐵道科學(xué)研究院試驗(yàn)表明:當(dāng)膠墊壓縮1mm后,在螺母扭矩為70~80N·m的情況下,阻力下降約15%左右;扭矩為140~159N·m時,阻力下降25%左右。不同扣件系統(tǒng)的縱向阻力建議按表7-4取值。列車通過時,軌道結(jié)構(gòu)的振動也會使螺帽松動,扭矩下降,導(dǎo)致扣件阻力下降,《鐵路線路維修規(guī)則》規(guī)定彈條扣件扭矩應(yīng)保持在80~150N·m??奂愋廷裥廷蛐廷笮头琅榔?/p>

K型螺母扭矩為80N·m9.09.316.015.07.5螺母扭矩為150N·m12.015.0表7-4扣件阻力表(kN)(三)道床縱向阻力道床縱向阻力系指道床抵抗軌道框架縱向位移的阻力。一般以每根軌枕的阻力R,或每延厘米分布阻力r來表示。它是抵抗鋼軌伸縮、防止線路爬行的重要參數(shù)道床抵抗軌道框架縱向位移的阻力由軌枕與道床之間的摩阻力和枕木盒內(nèi)道砟抗推力共同組成。圖7-4所示為實(shí)測得到是正常軌道狀態(tài)下單根軌枕道床縱向阻力與軌道框架縱向位移關(guān)系曲線??梢钥闯觯旱来部v向阻力值隨位移的增大而增加,當(dāng)位移達(dá)到一定值之后,軌枕盒內(nèi)的道砟顆粒之間的結(jié)合被破壞,此時即使位移再增加,阻力也不再增大;在正常軌道條件下,混凝土軌枕位移小于2mm、木枕位移小于1mm時,道床縱向阻力呈斜線增長,道床處于彈性工作范圍,混凝土枕軌道道床縱向阻力明顯大于木枕軌道圖7-4道床縱向阻力234151015mm阻力混凝土枕木枕kN/根位移在無縫線路設(shè)計(jì)中,線路阻力取軌枕位移為2mm時相應(yīng)的道床縱向阻力值,見表7-5。據(jù)國外相關(guān)資料介紹,如采用整個軌道框架進(jìn)行實(shí)驗(yàn),則縱向阻力將比單根軌枕測得的結(jié)果大得多;對鋼筋混凝土枕軌道,平均阻力可提高80%。線路特征單枕的道床縱向阻力/kN一股鋼軌下單位道床縱向阻力N/cm1667根/km1760根/km1840根/km木枕線路7.0-6164混凝土枕線路Ⅰ型10.0-8791Ⅱ型12.5-109115Ⅲ型18.3152160-表7-5道床縱向阻力表線路的養(yǎng)護(hù)維修在一定程度上會破壞道床原狀,使道床縱向阻力降低,需要通過一定時間的列車輾壓后,才能恢復(fù)到原有的阻力值。道床縱向阻力與道床密實(shí)程度關(guān)系最為顯著,北京交大所測試的道床清篩前后道床縱向阻力結(jié)果如表7-6所示。作業(yè)項(xiàng)目清篩前篩邊挖盒枕后枕后挖盒綜合搗固篩后第三天篩后第七天篩后半個月篩后一個月縱向阻力(kN/根)13.86.782.53.76.88.358.89.712.6%10049.118.126.849.260.563.870.291.0表7-6道床清篩前后的縱向阻力三、溫度力圖(一)約束條件1.接頭阻力的約束為簡化計(jì)算,通常假定鋼軌接頭阻力PH為常量。當(dāng)無縫線路溫度力Pt大于接頭阻力PH時,鋼軌才開始伸縮。因此在克服接頭阻力階段,溫度力等于接頭阻力,即

Pt=2.48

tHF=PH

tH=

tH

接頭阻力阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度。2.道床縱向阻力的約束接頭阻力被克服后,當(dāng)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)在道床對軌枕或者說軌道框架的位移阻力,隨著軌枕根數(shù)的增加,相應(yīng)的阻力也會增加。計(jì)算分析中,常將單根軌枕的阻力換算為鋼軌單位長度上的阻力r,并取常量。因此,在克服道床縱向阻力階段,鋼軌會有少量伸縮,鋼軌內(nèi)部還繼續(xù)產(chǎn)生溫度力,且各截面的溫度力并不相等,以斜率r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。溫度力圖常用來表示溫度力沿長鋼軌的縱向分布,故溫度力圖實(shí)質(zhì)是鋼軌內(nèi)力圖

lx伸縮區(qū)固定區(qū)伸縮區(qū)PHBCDPtADCBAmaxPt1.當(dāng)軌溫t等于鎖定軌溫t0時,鋼軌內(nèi)部溫度力為零即Pt=0,如圖中A-A

線。2.當(dāng)t-t0≤

tH時,接頭阻力發(fā)揮作用,軌端無位移,溫度力在整個長軌條內(nèi)均勻分布,Pt=PH,如圖中B-B

線。3.當(dāng)t-t0>

tH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,同時也產(chǎn)生溫度力,大小為Pt=PH+r·x,如圖中C-C

線。4.當(dāng)t降到最低軌溫Tmin時,鋼軌內(nèi)溫度拉力最大,為maxPt拉,這時x達(dá)到最大值ls,即為無縫線路伸縮區(qū)長度。固定區(qū)溫度力如圖中D-D

線。maxPt位和ls可按下式計(jì)算。

maxPt位=2.48F

t拉max

(7-15)

ls= (7-16)(三)軌溫反向變化時的溫度力圖1.當(dāng)Tmin-t≤

tH時,軌溫回升,鋼軌有伸長趨勢,首先仍然遇到接頭阻力的抵抗,鋼軌全長范圍內(nèi)溫度拉力減小,溫度力圖平行下移PH值,接頭處溫度拉力變?yōu)榱?。溫度力分布如圖中AEE

。2.當(dāng)

tH≤Tmin-t≤2

tH時,這時接頭阻力反向起作用,溫度力圖繼續(xù)平行下移PH值,此時接頭處承受溫度壓力,固定區(qū)仍為溫度拉力,如圖中FGG

所示。3.當(dāng)Tmin-t≥2

tH時,正、反向接頭阻力已被完全克服完,鋼軌要開始伸長,這時道床縱向阻力起作用,部分長度上溫度力梯度反向,在伸縮區(qū)溫度壓力以斜率r而增加,如圖中FT所示。4.當(dāng)t=Tmax時,固定區(qū)溫度壓力達(dá)到maxPt后,由于

t拉max>

t壓\max,固定區(qū)溫度力平行下移到HH

,則HN與FT的交點(diǎn),出現(xiàn)了溫度壓力峰P峰,其值大于固定區(qū)的溫度壓力。溫度壓力峰等于固定區(qū)最大溫度拉力與最大溫度壓力的平均值,即:

P峰=(maxPt拉+maxPt壓)(7-18)

l峰=(7-19)(四)軌端伸縮量計(jì)算

1.長軌一端的伸縮量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(shí)現(xiàn)了鋼軌伸縮。由材料力學(xué)可知,長軌條端部伸縮量

長與陰影線部分面積的關(guān)系為:

長==

無縫線路長軌節(jié)中部承受大小相等溫度力,不能伸縮,為無縫線路固定區(qū)。在兩端,溫度力變化,在克服道床縱向阻力階段,有少量的伸縮,稱為伸縮區(qū)。2.標(biāo)準(zhǔn)軌一端的伸縮量緩沖區(qū)標(biāo)準(zhǔn)軌軌端伸縮量

短計(jì)算方法與

長基本相同??傻玫杰壎松炜s量

短計(jì)算公式為:

短==

式中,maxPt為從鎖定軌溫到最低或最高軌溫時所產(chǎn)生的溫度力。t

ABCPHHGlKlP第三節(jié)無縫線路的穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性概念在夏季高溫季節(jié),無縫線路的鋼軌內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的溫度壓力,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(也稱臌曲),在理論上稱為喪失穩(wěn)定。這對列車運(yùn)行的安全是個極大的威脅。無縫線路穩(wěn)定性分析的主要目的是研究軌道臌曲的發(fā)生規(guī)律,分析其產(chǎn)生的力學(xué)條件及主要影響因素,計(jì)算出保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力。

Pt

PkPn[P]0

KABCf0+ff2mm圖7-9無縫線路脹軌跑道過程持溫AB,軌脹BK,跑道KC橫坐標(biāo)為軌道彎曲變形矢度f0+f,f0為初始彎曲矢度道床橫向分布阻力已約束不住軌道橫移和彎曲變形的發(fā)展,整個軌道失去穩(wěn)定平衡,軌道框架內(nèi)的巨大彈性勢能突然釋放出來。二、影響無縫線路穩(wěn)定性的因素

大多數(shù)的脹軌跑道事故并非溫度壓力過大所致,而是由于對影響無縫線路穩(wěn)定的因素認(rèn)識不足,在養(yǎng)護(hù)維修中破壞了這些因素而發(fā)生的。(一)保持穩(wěn)定的因素(二)喪失穩(wěn)定的因素二、影響無縫線路穩(wěn)定性的因素

(一)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阻力稱道床橫向阻力,它是防止無縫線路脹軌跑道、保證線路穩(wěn)定的主要因素。橫向阻力與橫向位移的相互關(guān)系通過實(shí)測得到的表達(dá)式為q=q0-Byz+Cy1/N

(7-22)式中q0

初始道床橫向阻力;

y

軌道彎曲時,各截面軌枕橫向位移;

B、C、Z、N

阻力系數(shù)。圖7-10道床橫向阻力

道床橫向阻力是由軌枕兩側(cè)、底部與道砟摩阻力和砟肩阻止橫移阻力組成。其中,肩部約占30%,軌枕兩側(cè)占20~30%,軌枕底部占50%。線路特征BCz1/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7-7道床橫向分布阻力系數(shù)

無縫線路喪失穩(wěn)定大多是由于維修作業(yè)不當(dāng),降低了道床橫向阻力而發(fā)生。影響道床橫向阻力的因素:(1)道砟道床的飽滿程度和道砟的材質(zhì)、粒徑尺寸對道床橫向阻力都有影響。如碎石bigger卵石,大粒bigger小粒(2)道床肩部軌枕擠動道床,最終形成破裂面BC,且與軌枕端面的夾角為45

/2?;瑒芋w的重量決定了橫向阻力的大小,即在滑動體之外的道床對枕端橫向阻力不起作用?;瑒芋w的寬度b可用下式計(jì)算:

b=Htg(45

+)(7-23)式中H

軌枕端埋入道床的深度;

摩擦角,一般

=35

~50

。45°+φ/2bBAHCb圖7-11枕端道床破裂示意圖道床肩部堆高石砟會加大了滑動體的重量,是提高道床橫向阻力最經(jīng)濟(jì)有效的方法。對于提高道床橫向阻力,肩部堆高比肩部加寬效果更明顯,且有利于節(jié)約道砟。(c)5501852001:1.75(3)線路維修作業(yè)的影響線路中修破底清篩,整個道床會被擾動,道床阻力下降最大,清篩過后阻力才逐漸恢復(fù),清篩后道床橫向阻力的變化如表7-9所示。作業(yè)項(xiàng)目作業(yè)前扒碴搗固回填夯拍逆向撥道10mm道床橫向阻力kN/根8.487.525.446.06.42.48%1008964717529破底清篩作業(yè)情況清篩前起道一遍搗固兩遍當(dāng)天取消慢行后作業(yè)后第二天道床橫向阻力kN/根8.662.563.264.05%100303647表7-8維修作業(yè)前后道床橫向阻力表7-9破底清篩前后道床橫向阻力2.軌道框架剛度軌道框架剛度是反映其自身抵抗彎曲能力的參數(shù)。軌道框架剛度愈大,彎曲變形愈小,所以是保持軌道穩(wěn)定的主要因素軌道框架剛度在水平面內(nèi)等于兩股鋼軌的水平剛度及鋼軌與軌枕節(jié)點(diǎn)間的扣件阻矩之和圖7-13為彈條Ⅰ型扣件阻矩實(shí)測值。對螺母扭矩為100N·m的實(shí)測阻矩值進(jìn)行回歸分析,求得回歸函數(shù)為:M=2.2×104·

1/2(N·cm/cm)

dcb00.250.500.751.001.251.501.752.00200100300400500600aa、b、c、d曲線對應(yīng)的扣件螺母扭矩分別為20、50、100、150N·m圖7-13彈條Ⅰ型扣件阻矩實(shí)測值(二)喪失穩(wěn)定的因素?zé)o縫線路喪失穩(wěn)定的主要因素是溫度壓力與軌道初始彎曲。由于溫升引起的鋼軌軸向溫度壓力是構(gòu)成無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因,而初始彎曲是影響穩(wěn)定的直接因素,脹軌跑道多發(fā)生在軌道的初始彎曲處。因而控制無縫線路初始彎曲的大小,對保證軌道穩(wěn)定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。彈性原始彎曲是在溫度力和列車橫向力的作用下產(chǎn)生的。塑性原始彎曲是鋼軌在扎制、運(yùn)輸、焊接和鋪設(shè)過程中形成的;現(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。塑性初彎矢度約占總初彎矢度的58%三、穩(wěn)定理論無縫線路穩(wěn)定問題的理論基礎(chǔ)是彈性理論的能量變分原理,可以看作是位于彈性介質(zhì)中無限長梁(軌道框架)的受壓穩(wěn)定問題。軌道失穩(wěn)之前,將先產(chǎn)生脹軌變形,脹軌變形的影響區(qū)可劃分為三個區(qū)段:其彎曲部分為脹軌變形區(qū),亦稱臌曲區(qū);臌曲區(qū)的兩側(cè)為縱向位移區(qū)即鄰區(qū);影響區(qū)之外為未變形的穩(wěn)定區(qū)。為保證無縫線路的穩(wěn)定,必須將鋼軌內(nèi)部的溫度壓力控制在一定范圍內(nèi)。國內(nèi)外對穩(wěn)定性計(jì)算公式進(jìn)行長期深入的研究,提出了許多不同的計(jì)算公式。比較有影響的有H.Meier的臨界溫升法、原蘇聯(lián)的米辛柯公式、別爾申公式、日本的沼田實(shí)公式、A.D.Kerr和G.Samavedam把能量變分原理應(yīng)用于無縫線路穩(wěn)定性分析并提出了安全溫升法等。判別結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的準(zhǔn)則一般有能量法和靜力平衡法。無縫線路的穩(wěn)定分析大多采用能量法,彈性理論的能量變分原理是理論基礎(chǔ)。穩(wěn)定性計(jì)算采用的勢能駐值原理,概念為: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,即dA=0,總勢能值與靜力平衡等價(jià)。軌道的總勢能A為:

A=A1+A2+A3+A4據(jù)勢能駐值原理及邊界條件等即可求得軌道平衡的微分方程。微分方程的解法有精確解與近似解之分,前者是按邊界條件直接解平衡微分方程,解題較麻煩,與近似方法相比差別并不很大,故運(yùn)用較少;使用較多的是后者,即假設(shè)變形曲線的方法,也稱能量法。我國在1977年提出了“統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式”(以下簡稱“統(tǒng)一公式”),并得到推廣應(yīng)用,對促進(jìn)我國無縫線路的發(fā)展起了重要作用。該公式假定變形波長與初始波長相等,并取變形為2mm時對應(yīng)的溫度壓力PN作為計(jì)算壓力,再除以安全系數(shù)K,即為允許溫度壓力[P]。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)算采用是由中國鐵道科學(xué)研究院盧耀榮研究員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”),現(xiàn)已得到現(xiàn)場的應(yīng)用。四、統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式的基本假定為:整個軌道框架為鋪設(shè)于均勻介質(zhì)(道床)中的一根細(xì)長壓桿;軌道彈性原始彎曲為半波正弦曲線,塑性原始彎曲為圓曲線,在變形過程中變形曲線端點(diǎn)無位移、曲線長度不變;不考慮扣件系統(tǒng)變形能。(一)計(jì)算圖式統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式的計(jì)算圖示假設(shè)彈性原始彎曲與溫度壓力作用下的變形曲線線形相同,采用正弦曲線,即(7-26)式中,彈性原始彎曲矢度;彈性原始彎曲半波長,通常取為4m。塑性原始彎曲假設(shè)為圓曲線,并采用下列公式:

(7-27)式中,

塑性原始彎曲半徑,塑性原始彎曲矢度。溫度壓力作用下的軌道變形曲線為(7-28)式中,變形曲線矢度;

l變形曲線弦長;軌道橫向變形量。對于半徑為R的圓曲線軌道,理想狀態(tài)下其變形曲線為:(7-29)

對于具有塑性原始彎曲的圓曲線,其變形曲率為(7-30)總的原始變形曲線為總的變形曲線為(二)公式推導(dǎo)軌道框架總變形能為變形曲線長度l和變形矢度f的函數(shù),應(yīng)用勢能駐值原理,應(yīng)有(7-31)由于假定曲線在變形過程中弦長l是不變的,故式(7-31)第二項(xiàng)為0。為任意不為零的微小值,故須有(7-32)由此可得P和l之間的函數(shù)關(guān)系,為求P的最小值可利用極值條件,從而推導(dǎo)無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算公式的基本公式為(7-33a)

(7-33b)式中第一項(xiàng)為負(fù),表示當(dāng)為正時,鋼軌延長,壓縮變形能減小。

1、鋼軌壓縮變形能A1鋼軌在溫度壓力P作用下產(chǎn)生軸向壓縮,壓縮變形能為:(7-34)式中,為曲線變形過程中,鋼軌弧長的變化值,前一項(xiàng)為變形后的弧弦差,后一項(xiàng)為變形前的弧弦差。顯然(7-35)同樣,代入式(7-34)中得

(7-36)表7-10等效道床阻力(N/cm)碎石道床、木枕碎石道床、混凝土枕肩寬30cm肩寬40cm肩寬30cm肩寬40cm1760--768418405462798719205665--表7-10等效道床阻力(N/cm)表7-10等效道床阻力(N/cm)五、不等波長穩(wěn)定性計(jì)算公式不等波長穩(wěn)定性計(jì)算公式的基本假定為: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。l0yxlRRf0f(二)穩(wěn)定性安全儲備量分析1、初始彎曲的影響實(shí)踐表明,在相同線路結(jié)構(gòu)和同等狀態(tài)下,軌道變形量一定時,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,即存在著最不利的初彎波長,相對應(yīng)的溫差為最小。中國鐵道科學(xué)研究院曾在一些線路上對50、60kg/m鋼軌的初始彎曲進(jìn)行了測量,對不同的初始波長、矢度、矢長比以及彈性彎矢度占總初彎矢度的比例d值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算中選用如表7-11所示參數(shù)。

2、允許溫差的確定無縫線路存在一些不確定的因素,因此不能將計(jì)算得到臨界溫差作為允許溫差,應(yīng)當(dāng)考慮一定的安全儲備量。現(xiàn)采用安全系數(shù)K0來作為安全儲備的評價(jià),安全系數(shù)K0包括基本安全系數(shù)KA和附加安全系數(shù)Kc,它們的關(guān)系是K0=KA·Kc表7-11不等波長公式計(jì)算允許溫升有關(guān)參數(shù)表參數(shù)EIFαl0Di0單位N/cm2cm4cm2/℃cm%‰取值50kg/m2.1×10737765.811.8×10-670058.331.1360kg/m52477.457201.075kg/m66190.067400.76參數(shù)Q0BZCNHμ單位N/cmN/cm/N/cm/N.cm/cm/取值R>800m23631.21062.52.2×1042R≤800m25.5741.2117.22.5六、無砟軌道穩(wěn)定性計(jì)算公式基于不等波長穩(wěn)定性計(jì)算公式,可以對無砟軌道穩(wěn)定性計(jì)算,又稱“壓彎變形計(jì)算公式”。無砟軌道的允許溫升為式中:對于路基上無縫線路,ΔP為非均勻分布的縱向溫度壓力,一般取溫升8℃時所產(chǎn)生的溫度壓力值;橋上無縫線路ΔP還應(yīng)包括鋼軌伸縮壓力或撓曲壓力,無縫道岔ΔP還應(yīng)包括基本軌附加縱向壓力。計(jì)算無砟軌道無縫線路的允許溫升,將限制軌道產(chǎn)生橫向累積變形作為先決條件。計(jì)算時,取產(chǎn)生=0.02cm壓彎變形所對應(yīng)的溫差0.02作為允許溫升。只有采取軌道加強(qiáng)措施后,方可將壓彎變形量擴(kuò)大,相應(yīng)允許溫升幅值增大,但允許壓彎變形量的最大值不得超過0.05cm。第四節(jié)一般無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法普通無縫線路設(shè)計(jì),主要指區(qū)間內(nèi)的無縫線路設(shè)計(jì),其主要內(nèi)容為確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫和無縫線路基本結(jié)構(gòu)兩部分。一、確定設(shè)計(jì)鎖定軌溫鎖定施工過程中軌溫是不斷變化的,因而施工鎖定軌溫應(yīng)該是一個范圍,通常為設(shè)計(jì)鎖定軌溫±

5℃,困難條件下也可嚴(yán)格控制施工鎖定軌溫的變化范圍,取為±3℃。實(shí)際鎖定軌溫為零應(yīng)力狀態(tài)軌溫,在設(shè)計(jì)檢算時為安全計(jì),取最大升溫為最高軌溫與施工鎖定軌溫下限之差,最大降溫為施工鎖定上限與最低軌溫之差1、根據(jù)強(qiáng)度條件確定允許的降溫幅度要求鋼軌所承受的各種應(yīng)力的總和不超過規(guī)定的容許值[

],即

d+

t+

c≤[

](7-62)允許的降溫幅度[

ts]=(7-63)式中

d

鋼軌最大動彎拉應(yīng)力(MPa);

t

鋼軌溫度應(yīng)力(MPa);

c

鋼軌承受的制動應(yīng)力等附加應(yīng)力,橋上還要考慮伸縮或撓曲附加應(yīng)力與制動應(yīng)力的組合,一般按10MPa計(jì)算;

[

]

鋼軌容許應(yīng)力,它等于鋼軌的屈服強(qiáng)度

s除以安全系數(shù)K,[

]=。對極限強(qiáng)度

b=785MPa級鋼軌,

s=405MPa;對于極限強(qiáng)度

b=883MPa級鋼軌,

s=457MPa;新鋼軌K=1.3,再用軌K=1.35。

由鋼軌強(qiáng)度條件確定允許的升溫幅度,計(jì)算公式與式(7-63)類似,只是需應(yīng)用鋼軌頭部的動彎壓應(yīng)力,一般情況下由強(qiáng)度條件所確定的允許溫升大于由穩(wěn)定性所確定的允許溫升,不用計(jì)算。2、根據(jù)穩(wěn)定條件確定允許的升溫幅度根據(jù)穩(wěn)定條件求得允許溫度壓力[P]后,按下式計(jì)算允許溫升幅度[

tc]:[

tc]=(7-64)3、根據(jù)鋼軌折斷時的斷縫值確定的允許降溫幅度無縫線路鋼軌折斷后,軌縫不能超過一定限值,否則將引起輪軌間過大的作用力時速200km及以上的線路上,規(guī)定有砟軌道鋼軌斷縫限值為70mm,無砟軌道斷縫限值為100mm。時速200km以下的路基上無縫線路設(shè)計(jì)中,過去未考慮鋼軌斷縫限值,只在橋上無縫線路設(shè)計(jì)中考慮了該限值。根據(jù)固定區(qū)內(nèi)鋼軌折斷后的斷縫允許值可確定允許的降溫幅度:為允許斷縫值,為線路縱向阻力。該允許降溫幅度與式(7-63)確定的允許降溫幅度比較后,取最不利值進(jìn)行計(jì)算。4、設(shè)計(jì)鎖定軌溫的確定

te=tmax、tmin

鋪軌地區(qū)歷史最高、最低軌溫;

tK

設(shè)計(jì)鎖定軌溫修正值,可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況取0~5℃。圖7-17鎖定軌溫計(jì)算圖二、無縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算(一)伸縮區(qū)長度無縫線路鎖定后,長軌條的兩端將隨軌溫的升降而伸縮,其伸縮范圍的長度即為伸縮區(qū)長度ls,按式(7-16)進(jìn)行計(jì)算。(二)預(yù)留軌縫長軌與標(biāo)準(zhǔn)軌之間的預(yù)留軌縫計(jì)算方法如下:按冬季軌縫不超過構(gòu)造軌縫ag的條件,可算得預(yù)留軌縫上限a上為:a上=ag-(

長+

短) (7-67)按夏季軌縫不頂嚴(yán)的條件,可計(jì)算其下限為:a下= (7-68)則無縫線路緩沖區(qū)預(yù)留軌縫a0為:a0=(7-69)式中

長、

從鎖定軌溫至當(dāng)?shù)刈畹蛙墱貢r,長軌、短軌一端的縮短量;長軌、短軌一端的伸長量。(三)防爬設(shè)備的設(shè)置線路爬行是造成軌道病害的主要原因之一。在無縫線路的伸縮區(qū)和緩沖區(qū)上,因鋼軌可能有伸縮,必須布置足夠的防爬設(shè)備,保證無相對于軌枕的縱向移動。鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于軌枕與道床間的縱向阻力。即P防+nP扣≥nR(7-70)緩沖區(qū)的防爬設(shè)備與伸縮區(qū)相同。緩沖區(qū)為木枕時,一般應(yīng)增設(shè)防爬器;而為混凝土軌枕時,則不需要(四)軌條長度無縫線路長軌條長度從理論上講,可以無限長,這是近年來我國鐵路大力發(fā)展跨區(qū)間無縫線路和全區(qū)間無縫線路的理論基礎(chǔ)。但軌節(jié)長度常因考慮線路平、縱面條件、道岔、道口、橋梁、隧道所在位置,按閉塞區(qū)間長度設(shè)計(jì),長度為1000~2000m,最短不小于200m。第五節(jié)無縫道岔設(shè)計(jì)方法一、無縫道岔設(shè)計(jì)理論國際鐵道聯(lián)盟委托歐洲鐵道研究所通過研究縱向列車荷載下無縫線路的爬行機(jī)理,建立的無縫道岔有限元分析模型日本在上世紀(jì)80年代末基于“兩軌相互作用”原理分析了無縫道岔的受力變形,但未提出令人信服的計(jì)算理論近幾年,國內(nèi)專家提出了數(shù)種無縫道岔計(jì)算理論,比較有代表性的有北京交通大學(xué)的無縫道岔當(dāng)量阻力系數(shù)法計(jì)算理論;中國鐵道科學(xué)研究院的無縫道岔縱向力和位移的非線性阻力計(jì)算方法;中南大學(xué)基于廣義變分法原理提出的無縫道岔的計(jì)算理論;蘭州鐵道學(xué)院建立的固定轍叉無縫道岔超靜定結(jié)構(gòu)二次松馳法等。二、無縫道岔受力和變形(一)溫度力傳遞機(jī)理客專18號道岔縱向力、位移分布圖。圖7-18無縫道岔鋼軌溫度力分布圖7-19無縫道岔鋼軌位移分布(二)受力和變形的影響因素道床、扣件、間隔鐵及限位器阻力是影響無縫道岔受力和變形的最主要因素?;拒墢?qiáng)度和穩(wěn)定性、間隔鐵及限位器強(qiáng)度、尖軌及心軌位移檢算是無縫道岔設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。除軌溫變化幅度及上述四個部件的阻力特性外,道岔號碼大小、轍叉類型、焊接類型、道岔群的聯(lián)結(jié)類型、相鄰單元軌節(jié)鋪設(shè)軌溫差等因素均會影響無縫道岔的受力和變形焊接類型的影響跟端傳力結(jié)構(gòu)的影響相鄰單元軌節(jié)鋪設(shè)軌溫差的影響兩道

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