7 無(wú)縫線路技術(shù) - 穩(wěn)定性課件講解

三、無(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

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無(wú)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(wú)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(kāi)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(jiàn)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f(wàn)0+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(kāi)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(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

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通過(guò)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(guò)大所致,而是由于對(duì)無(wú)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(wú)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(wú)縫線路脹軌跑道，保證無(wú)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(wú)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(duì)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(jiàn)，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(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

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標(biāo)準(zhǔn)道床對(duì)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(guò)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(wú)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(guó)和英國(guó)鐵路試驗(yàn)研究，在同類軌道的條件下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(wú)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(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

10據(jù)有關(guān)測(cè)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(guó)普通線路砟肩寬度為30cm，無(wú)縫線路砟肩寬度為40～50cm。道床肩部堆高：國(guó)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(guó)內(nèi)外無(wú)縫線路廣泛采用。我國(guó)鐵路砟肩一般堆高15cm。三、無(wú)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(wú)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(duì)豎直軸的慣性矩?？奂杈嘏c軌枕類型、扣件類型、扣壓力及鋼軌相對(duì)于軌枕的轉(zhuǎn)角有關(guān)。可以表示為鋼軌相對(duì)軌枕轉(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(wú)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(duì)提高無(wú)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(chǎng)調(diào)查表明，大量塑性初始彎曲矢度為3～4mm，測(cè)量的波長(zhǎng)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(wú)縫線路喪失穩(wěn)定的根本原因。因此，控制溫升幅度對(duì)提高無(wú)縫線路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。三、無(wú)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(duì)線路進(jìn)行經(jīng)?；蚨ㄆ诘男蘩恚€路狀態(tài)的變化會(huì)降低無(wú)縫線路的穩(wěn)定性。因此，無(wú)縫線路對(duì)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(duì)于不同的初彎波長(zhǎng)，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(zhǎng)，相對(duì)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(zhǎng)l0，對(duì)于60、50kg/m鋼軌無(wú)縫線路的最不利初始彎曲波長(zhǎng)l0分別為720cm和700cm。三、無(wú)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(wú)縫線路的穩(wěn)定性。通常取f＝0.2cm所對(duì)應(yīng)的軌溫差作為穩(wěn)定性允許溫差?？紤]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(wú)縫線路的穩(wěn)定性2.允許溫差的確定

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15無(wú)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(zhǎng)與初始波長(zhǎng)相等，并取變形為2mm時(shí)對(duì)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(wú)縫線路穩(wěn)定性不等波長(zhǎng)計(jì)算公式

我國(guó)在1990年5月1日開(kāi)始實(shí)施的《無(wú)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(zhǎng)與初始彎曲波長(zhǎng)不相等的計(jì)算公式（以下簡(jiǎn)稱“不等波長(zhǎng)公式”。Page

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

17統(tǒng)一公式計(jì)算簡(jiǎn)圖三、無(wú)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(zhǎng)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(guò)程中變形曲線端點(diǎn)無(wú)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(wú)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(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

19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(wú)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(wú)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(duì)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(zhǎng)、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(zhǎng)公式計(jì)算簡(jiǎn)圖三、無(wú)縫線路的穩(wěn)定性32不等波長(zhǎng)公式基本假定

軌道為無(wú)限長(zhǎng)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(zhǎng)不等。三、無(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

3233不等波長(zhǎng)計(jì)算公式三、無(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

33三、無(wú)縫線路的穩(wěn)定性Page

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35不等波長(zhǎng)計(jì)算公式Page

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40不等波長(zhǎng)計(jì)算公式三、無(wú)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(zhǎng)比為彈性初彎失度占總初彎