铁路无缝线路设计

第 5 章 无缝线路设计 无缝线路是将标准长度的普通钢轨进行焊接 形成钢轨长度超过一定值的 钢轨线路 又叫做焊接长钢轨线路 它是当今世界上轨道结构中的一项新技术 在该项技术上世界各国正在以积极的态度竞相发展 对于一般的铁路线路来讲 钢轨的接头往往是轨道的薄弱环节 由于轨缝 的存在 列车在通过轨道时就会发生冲击和振动 并产生巨大的噪音 不但如 此 钢轨受到的冲击力也会提升 3 倍以上 接头冲击力不但影响列车行驶的平 稳度和旅客的舒适感 还会促使道床破坏 线路状态恶化 缩短钢轨和街头零 件的使用寿命 增加额外的维修费用 伴随着现代化铁路的高速化 舒适化和 环保化的高要求 在行驶速度 列车轴重和密度不断增长的今天 普通铁路无 法适应现代化运输的要求 无缝线路消灭了大量的接头 具备行车平稳 旅客 舒适 车辆和轨道维护费用减低 轨道与道床使用寿命延长等众多优点 是今 后铁路发展的方向和未来 无缝线路基本规定 1 根据 铁路无缝线路设计规范 TB 10015 2012 新建 改建铁路正线 应采用钢轨 钢轨长度可以是 25m 50m 和 100m 在线路中优先采用 60Kg 100m 长定尺钢轨 2 无缝线路在设计时 应根据当地轨温资料 计算无缝线路的允许温升 允许温降 并考虑一定的修正量计算确定锁定轨温 在一定范围内 无缝线路 设计锁定轨温应一致 3 道岔 钢轨伸缩调节器及胶接绝缘接头钢轨宜与相连轨道同类型 同材 质 在小半径曲线 以及大坡道地段宜采用全长淬火钢轨或高强钢 800 轨 4 有砟无缝线路铺设的曲线半径不宜小于 500m 在小于 500m 半径地段铺 设无缝线路时 应采取适当的措施增大道床横向阻力 5 在连续长大坡道 制动坡段和行驶重载列车坡段上的无缝线路 必要时 应采取轨道加强措施 连续长大坡道不宜设置钢轨伸缩调节器和有缝钢轨接头 6 最大轨温变化幅度超过 100 的严寒地区铺设无缝线路时应单独设计 加强轨道结构强度 还可以采取大调高量扣件 7 无缝线路设计应根据线路 运营 气候条件及轨道类型因素进行 经过 稳定性等检算确定设计锁定轨温 8 铺设无缝线路的桥梁应根据无缝线路纵向力 对桥梁及轨道结构进行检 算 9 桥上无缝线路设计宜减少钢轨伸缩调节器的设置 10 标准长度钢轨应采用工厂化焊接 工厂化焊接长轨条长度不宜小于 500m 焊接宜采用闪光焊接 5 2无缝线路设计要求 5 2 1 线路等级 铁路线路是供机车车辆组成的列车运行的 是轨道和路基 桥涵 隧道等 建筑物等设备的统称 在我国 新建和改建的铁路根据其在铁路网中的作用 性质和远期客货运量的不同分成不同等级 铁路的等级不同 铁道线路及其工 程结构物都有不同的要求 根据设计要求 该线年通总重 由 线规 可知轨道正线类型为 40 重型 5 2 2 锁定轨温 无缝线路锁定轨温应根据当地最高铺设无缝线路的允许温升 允许温降计 算确定 并且考虑一定的修正量 设计锁定轨温范围为 5 相邻单元轨节之间的锁定轨温只差不应大于 5 同区间轨温只差不大于 10 160km h 以上铁路不应大于 3 5 2 3 无缝线路结构组成 温度应力式无缝线路由固定区 伸缩区和缓冲区三部分构成 1 伸缩区长度根据计算确定 2 固定区为长轨减去两端伸缩区的长度 每段长轨的长度应根据线路情况 和施工条件决定 原则上应与自动闭塞区段的长度一致 如受条件限制 固定 区也不应短于 50m 3 缓冲区一般由 2 到 4 节标准轨或厂制缩短轨组成 有绝缘接头时为 4 节 5 2 4 缓冲区和伸缩区的设置 缓冲区应设在下列地点 1 两段长轨之间 2 道岔与长轨之间 3 自动闭塞和轨道电路地段的绝缘接头 一般应不止在缓冲区的中间 4 其他必要的地点 5 2 5 无缝线路铺设地段和位置 无缝线路的铺设地段和位置 应符合下列条件 1 轨下基础稳定 线路没有翻浆冒泥 下沉挤出大于 15mm 的冻害 2 半径为 800m 以及以下的曲线地段 应尽量采用全长淬火轨或耐磨轨 3 桥梁有浅基 孔径不足 偏心超限 载重等级不足或支座 墩台等严重 病害和下承板梁上 铺设无缝线路须严格进行检查 4 桥上铺设无缝线路 除符合下列条件者外 均应检查钢轨 墩台的受力 状态 轨道防爬能力及钢轨低温断缝值等 5 在隧道长度为 1000m 及以上时 铺设无缝线路宜将隧道内单独铺设一段 长轨 伸缩区设于隧道洞口内方 缓冲区尽量设置在隧道洞口外 隧道长度小 于 1000m 可不单独铺设 5 2 6 缓冲区钢轨接头 缓冲区钢轨接头 应采用 10 9 级高强度接头螺栓及平垫圈 接头螺栓扭矩 应达到 900N m 缓冲区轨缝尺寸 应根据计算确定 5 3设计参数计算 5 3 1 设计资料及条件 1 无缝线路铺设地点 拉萨地区 2 无缝线路铺设钢轨类型 U71Mn60 轨 3 无缝线路铺设的轨枕类型 S III 型 4 无缝线路轨枕间距 1760 根 km 5 道床类型 面碴厚为 垫层厚为mm250mm200 6 钢轨接头螺栓扭矩值 900N m 7 设计区最小半径 R 500m 8 计算钢轨位移及弯矩时 道床刚度 60000N mm 检验钢轨刚度 30000N mm 9 设计最高行车速度 120Km h 10 设计轨温 最高温度 49 4 最低气温 16 5 计算 k 值 本设计采用 S 型钢筋混凝土枕 每千米轨枕数为 1760 Km 根据设计要 求 钢轨支座刚度 D 值在检算钢轨为 当在检算轨枕时 D 30000 轨枕间距为 60000 1000000 1760 568 钢轨基础弹性模量 为 30000 568 52 82 刚比系数为 5 4 4 1 式中 新轨水平轴的惯性矩 其中对于 60Kg m 轨为 3217 104 4 由公式 5 1 可得刚比系数为 4 52 82 4 2 1 105 3217 104 0 00118 5 3 3 弯矩计算 ND5 机车前后转向架各有三个轴 如图 5 1 所示 在寻找引起最大弯矩的 最不利轮位时 只要用一个转向架的三个轴分别作为计算轮来求最不利轮位 由于转向架的三个轴轮重量相等 但是轴距是不相同的 所以要计算 1 2 3 轮引起的弯矩 在所有弯矩值中找到最不利弯矩 既最不利荷载值 图 5 1 表 5 1 不利荷载计算表 轮位 计算轮项目 动 1动 2动 3 P N P N 106450 106450 106450 x mm 0 000 2550 000 4350 000 kx0 000 3 009 5 133 1 000 0 055 0 008 动 1 P N 106450 000 5900 630 829 596 101378 97 P N 106450 106450 106450 x mm 2550 000 0 000 1800 000 kx3 009 0 000 2 124 0 055 1 000 0 165 动 2 P N 5900 630 106450 000 17514 797 83034 57 P N 106450 106450 106450 x mm 4350 000 1800 000 0 000 动 3 kx5 133 2 124 0 000 89764 80 计算轮项目 轮位 P N 动 1动 2动 3 0 008 0 165 1 000 P N 829 596 17514 797 106450 000 其中 取 计算静弯矩为 101378 97 1 4 1 4 0 00118 101378 97 21478594 49 钢轨动弯矩用静态法计算 5 2 1 式中 钢轨的动弯矩 速度系数 用计算 0 4 100 偏载系数 计算 为容许欠超高 0 002 横向水平力系数 一般取 1 45 内燃机车计算钢轨轨底弯曲应力时 设计速度为速度系数为 120 0 4 100 0 4 120 100 0 48 A 在的曲线上 容许欠超高 计算偏载系数 R 4000m h 0 75 0002 h 0 002 75 0 15 在的曲线上 横向水平力系数 R 4000m 1 45 1 21478594 49 1 0 48 0 15 1 45 50764658 09 B 在直线地段上 横向水平力系数 1 25 1 21478594 49 1 0 48 1 25 39735399 81 5 3 4 计算动弯应力 新轨截面模量 1 396 103 3 2 339 103 3 A 在的曲线上 轨底动弯拉应力 R 4000m 1 50764658 09 396 103 128 19 轨头动弯压应力 2 50764658 09 339 103 149 75 B 直线段上的轨底动弯拉应力 1 39735399 81 396 103 100 34 直线段上的轨头动弯压应力 2 39735399 81 339 103 117 21 5 4锁定轨温设计 容许温度变化幅度 在铁路线路中 钢轨应该有一定的强度以保证在受到动弯应力 温度应力 及其他附加应力时不至于破坏 仍然能够正常工作 所以 钢轨所能承受的各 种应力之和不超过容许应力值 即 5 3 式中 钢轨最大动弯拉应力 温度应力 钢轨承受的制动应力 钢轨容许应力 等于钢轨的屈服强度除以安全系 数 因为钢轨为钢轨 所以 一般钢轨 71 60 457 1 3 再用钢轨 1 35 允许温度变化幅度 5 4 式中 钢轨底部下缘位置处动弯应力 由于 安全系数 则 457 1 3 5 457 1 3 351 54 5 A 当在半径为 4000 米的曲线上进行制动时温度变化允许量为 拉 351 54 128 19 10 1 18 10 5 2 1 105 86 1 压 351 54 149 75 10 1 18 10 5 2 1 105 77 4 B 当在直线地段上制动时 温度变化允许量为 拉 351 54 100 34 10 1 18 10 5 2 1 105 97 3 压 351 54 117 21 10 1 18 10 5 2 1 105 90 5 5 4 2 曲线段允许温升 1 试算曲线地段变形弦长 值 由稳定性统一计算公式 采用正弦曲线作为轨道变形曲线 当时 4000 2 2 2 524 104 4 2 6 68 换算曲率为 1 1 1 1 8 2 1 4000000 8 2 40002 1 25 10 6 1 77 45 102 7745 2 EJy 2 2 2 1 105 524 104 2 2 17 1013 2 1 EJy 2 EJy 2 3 4 EJy 2 2 1 6 68 2 172 10 13 1 25 10 6 2 172 1013 1 25 10 6 2 2 172 1013 3 4 2 2 6 68 14896542 2 3859 6 计算得到 与原假定不符 设 重新计算 0 4000 0 3859 6 2 0 4000 2 14896542 2 4000 2 1 862 以再次试算 求得 1 862 2 1473478593 2 则 3838 6 该 与第二次设的不符 再设 计算 0 3859 6 0 3838 6 oe f 再求得到 则 基本上与 1 84 2 14708771 5 2 3835 2 原来的 相接近 因此取 作为变形曲线长度 3838 6 3835 2 作为原始弹性初弯矢度 1 84 2 计算曲线地段允许温度压力及允许温升 为了减小温度反复变化所致残余变形的累计 避免过分限制温度力 从而 影响无缝线路的铺设范围 由时计算温度压力 并除以安全系数 2 得到允许温度压力 2 2 0 4 3 2 0 4 2 3 5 6 式中 E 钢轨弹性模量 I 两根钢轨对竖直中和轴线的惯性矩 其中 60kg m 钢轨取 2 524 1048 2 轨道框架刚度系数 采用 1 0 轨道曲半波长 f 轨道弯曲变形矢度 用 0 2cm Q 等效道床分布阻力 经计算取 6 68 5 7 式中 K 安全系数 一般情况下取 1 25 1 3 由于该算法是小位移情况 顾不考虑胀轨区的温度压力降低 所以温度升 幅为 5 8 式中 F 钢轨断面面积 取 7745 mm2 2 172 1013 2 1 84 14708771 5 4 3 6 68 14708771 5 2 1 84 4 3 1 25 10 6 14708771 5 2953339 78 2953099 5 1 25 2362671 82 2362671 82 10 7745 149 75 7745 2 1 105 1 18 10 5 7745 58 6 5 4 3 直线段允许温升 1 试算直线段变形弦长 值 时 4000 2 2 2 524 104 4 2 6 68 换算曲率为 1 1 8 2 8 2 40002 1 10 6 1 77 45 102 7745 2 EJy 2 2 2 1 105 524 104 2 2 172 1013 2 1 EJy 2 EJy 2 3 4 EJy 2 2 1 6 68 2 172 10 13 1 10 6 2 172 1013 1 10 6 2 2 172 1013 3 4 2 2 6 68 13805598 04 2 3716 计算得到 与原假定不符 设 重新计算 0 4000 0 3716 2 0 4000 2 13805598 04 2 4000 2 1 73 以再次试算 求得 1 73 2 1 6 68 2 172 10 13 1 10 6 2 172 1013 1 10 6 2 2 172 1013 3 4 2 1 73 6 68 13478124 68 2 则 3671 该 与第二次设的不符 再设 计算 0 3716 0 3671 13478124 68 2 4000 2 1 68 再求得到 则 基本上与原来的 2 13416323 78 2 3662 相接近 因此取 作为变形曲线长度 3662 3671 作为原始弹性初弯矢度 1 68 2 计算直线段的允许温度压力及允许温升 2 172 1013 2 1 68 13416323 78 4 3 6 68 13416323 78 2 1 68 4 3 1 10 6 13416323 78 3237846 72 3237846 72 1 25 2590277 4 2590277 4 10 7745 117 21 7745 2 1 105 1 18 10 5 7745 83 6 5 4 4 无缝线路锁定轨温 无缝线路铺设地点在拉萨地区 其地区历史最大轨温差 49 4 16 5 65 9 温度应力式无缝线路中应该满足 5 9 拉 压 10 曲线地段 拉 压 86 1 58 6 144 7 10 65 9 10 75 9 故可采用温度应力式无缝线路 直线地段 拉 压 97 3 83 6 180 9 10 65 9 10 75 9 所以可采用温度应力式无缝线路 锁定轨温上限为 上 拉 86 1 16 5 69 6 锁定轨温下限为 下 ax 压 49 4 58 6 9 2 中间锁定轨温为 中 0 5 上 下 0 5 69 6 9 2 30 2 设计锁定轨温 ts 中 0 5 设计锁定轨温范围 ts 5 30 2 5 25 2 35 2 5 5伸缩区长度计算 计算参数 设计锁定轨温 30 2 钢轨接头阻力 扭矩为 510 900 钢轨纵向阻力梯度 16 最大温升 t升 49 4 25 2 24 2 最大温降 t降 35 2 16 5 51 7 取 t t降 51 7 伸 2 5 2 5 7745 51 7 510 103 16 30 690 缓冲轨长度取标准轨长度的整倍数 得 伸 50 5 6施工预留轨缝 轨缝设置的目的是为了保证在最高轨温时 相邻钢轨在最轨缝处不会产生 压应力 也就是在轨头发生伸缩之后 轨缝能够大于零 在最低轨温时 轨头 发生收缩之后 轨缝仍能够满足构造轨缝的要求 其中 轨头的伸缩量计算关 系如下 长轨端 5 长 2 2 10 缓冲轨 短 2 2 8 5 11 式中 钢轨接头阻力 为 510KN 温升或温降所产生的最大温度力 标准轨长度为 25m 最大温度力 最大温度压力 2 5 7745 24 2 468 572 最大温度拉力 2 5 7745 51 7 1001 041 而接头阻力 可见大于钢轨于 铺设后轨温下降至时 510000 要发生缩短位移 5 6 2 缓冲轨伸缩量 缓冲轨端部收缩量 短 2 2 8 1001041 510000 25000 2 2 1 105 7745 16 250002 8 2 1 105 7745 3 由于接头阻力大于最大温度压力 故接头不会伸长 所以缓冲轨 端部伸长量 短 0 短 2 2 8 1001041 510000 25000 2 2 1 105 7745 16 250002 8 2 1 105 7745 3 1 当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量 缓缩 2 短 6 2 当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量 缓伸 2 短 0 5 6 3 长钢轨端部伸缩量 长轨端收缩量 长 2 2 1001041 510000 2 2 2 1 105 7745 16 5 由于接头阻力大于最大温度压力 故接头不会伸长 所以长轨端 部伸长量 长 0 1 当钢轨处于最低轨温时长轨端的收缩量 长缩 短 长 8 2 当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量 长伸 长 短 0 5 6 4 缓冲轨间接头预留轨缝 缓冲轨间预留轨缝设置应当满足 其中 缓伸 预缓 构 缓缩 构 18 预缓 1 2 18 6 0 6 5 6 5 长轨轨端接头预留轨缝 长轨端预留轨缝设置应当满足 长伸 预长 构 长缩 预长 1 2 18 8 0 5 5 6 6 计算结果汇总 设计锁定轨温范围 30 2 5 伸缩区长度 50 施工预留轨缝 预缓 6 预长 5 缓冲区预留轨缝如图 5 2 所示 图 5 2 5 7设计参数检算 钢轨强度检算 已知无缝线路钢轨温度应力 l 2 478 2 478 51 7 128 11 y 2 478 2 478 24 2 60 对于 U71Mn 钢轨 屈服极限 安全系数 因此 允 457 1 25 许应力 457 1 25 351 54 A 曲 线 轨 底 c 128 19 128 11 10 266 3 轨 头 c 149 75 60 10 219 75 B 直 线 轨 底 c 100 34 128 11 10 238 45 轨 头 c 117 21 60 10 187 21 所以 ND5 型机车通过该曲线时 钢轨强度满足要求 5 7 2 混凝土枕强度检算 由于采用 S 型钢筋混凝土枕 每千米轨枕数为 1760 根 Km 根据设计要 求 当在检算轨枕时轨枕间距为 60000 1000000 1760 568 因此 60000 568 105 63 4 4 4 105 63 4 2 1 105 3217 104 0 00141 1 5 7 3 弯矩计算 ND5 机车前后转向架各有三个轴 在寻找引起最大弯矩的最不利轮位时 只要用一个转向架的三个轴分别作为计算轮来求最不利轮位 由于转向架的三 个轴轮重量相等 但是轴距是不相同的 所以要计算 1 2 3 轮引起的弯矩 在所有弯矩值中找到最不利弯矩 既最不利荷载值 表 5 2 不利荷载计算表 轮位 计算轮项目 动 1动 2动 3 P N P N 106450 106450 106450 x mm 0 2550 4350 kx0 000 3 009 5 133 1 000 0 042 0 003 动 1 P N 106450 000 4511 862 316 805 101621 33 P N 106450 106450 106450 x mm 2550 0 1800 kx3 009 0 000 2 124 0 042 1 000 0 039 动 2 P N 4511 862 106450 000 4141 538 106079 68 P N 106450 106450 106450 x mm 4350 1800 0 kx5 133 2 124 0 000 0 003 0 039 1 000 动 3 P N 316 805 4141 538 106450 000 110274 73 其中 取 110274 73 5 7 4 计算枕上动压力 ND5 型内燃机车 计算枕上压力时 速度系数及偏载系数为 0 3 100 0 3 120 100 0 36 0 002 0 002 75 0 15 A 曲线考虑横向水平力系数 对于 S 型轨枕长度为 荷载作用点至轨枕端距离 2600 由于轨枕不被掏空 轨枕有效支撑长度为 轨枕底宽 1 500 1100 取轨枕的平均宽度 则 300 0 1 1 2 1 0 36 0 15 0 00141 568 2 110274 73 66679 2 B 直线不考虑横向水平力系数 则 0 1 1 2 1 0 36 0 00141 568 2 110274 73 60055 4 5 7 5 轨枕弯矩计算 轨下截面正弯矩 5 2 1 2 8 12 式中 荷载作用点到轨枕端距离 取 1 1 550 股钢轨下轨枕的全支撑长度 取 1100 轨下衬垫宽度 一般取轨底宽 S 型轨枕取平均宽度 150mm 轨枕设计系数 为 1 轨下允许弯矩 型轨枕取 18 枕中截面负弯矩 5 4 1 4 13 式中 轨枕长度 cm 轨下允许负弯矩 型轨枕取 14 A 曲线地段 2 1 2 8 1 5502 2 1100 150 8 66679 2 7918155 4 1 4 1 2600 4 550 4 66679 2 6667920 B 直线地段 2 1 2 8 1 5502 2 1100 150 8 60055 4 7131578 8 4 1 4 1 2600 4 550 4 60055 4 6005540 5 7 6 道床顶面强度检算 对于 S 3 型轨枕 中部不掏空 有效支承长度 轨枕底面 1300 平均宽度为 由设计资料可知 面碴厚为 垫层厚为 300 250 应次 道床计算厚度 200 250 200 2 350 1 2 150 35 214 2 2 650 35 928 所以 该轨道路基顶面处于与之间 考虑到道床面应力的不均匀性 1 2 因此道床顶面应力为 5 14 式中 m 应力分布不均匀系数 一般取 1 6 一股钢轨下的有效支撑长度 S 型轨枕取轨枕长的一半 即 1300 b 轨枕底面宽度 取 300mm A 曲线道床顶面压应力 66679 2 300 1300 1 6 0 274 B 曲线道床顶面压应力 60055 4 300 1300 1 6 0 246 对于碎石道床允许应力 所以道床强度满足要求 0 5 5 7 7 路基顶面强度检算 当在道床深度为时 该区域的道床应力为 375 5 15 式中 压力扩散角一般取 35 A 曲线地段 2 66679 2 2 350 1300 35 0 105 B 直线地段 2 60055 4 2 350 1300 35 0 095 对于既有线粘砂土路基 允许应力 因此 满足强度要求 0 15 故该设计合格