（道路与铁道工程专业论文）大瑞铁路梯形枕无砟轨道设计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文针大瑞铁路高黎贡山隧道“三高”( 高地热、高地应力、高地震烈度) 、“四活 跃”( 活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅 表改造过程) 的特点，提出具有合理、经济的无砟轨道结构型式，即梯形枕无砟轨道。 首先，比较详细地介绍大瑞铁路“三高四活跃”的复杂地质情况，以及由此产生 的应用普通无砟轨道( 如双块式、弹性支撑块式轨道等) 的问题。梯形轨道系统具有 结构轻巧、修复快速、减振降噪、少维修和适应基础变形能力强等突出优点，是适合 高黎贡山隧道的一种优选轨道结构类型。 其次，根据梯形轨枕设计理念，初步设计出适合大瑞线地质特性的梯形枕无砟轨 道结构尺寸及参数。采用弹性地基叠合梁理论，建立钢轨一梯形轨枕一l 形支座一隧道 基础的模型进行力学分析。竖向受力分析时，对影响结构稳定性的减振材料支撑间距 和合理刚度进行研究，确定合理的减振刚度和支撑间距；对结构进行横向受力分析， 分析梯形枕两侧缓冲材料对轨道结构的影响，确定缓冲材料的合理刚度。 再次，根据结构受力分析，依据无砟轨道设计计算理论指导性意见，采用容许 应力法对梯形枕无砟轨道结构进行预应力配筋计算，并对临时荷载进行检算，确保配 筋安全可靠。依据高黎贡山隧道内地震错动量建立横向和垂向维修预案，使得轨道结 构在最短的时间内实现通车。 最后提出了论文中存在的几点不足，并对论文的进一步研究工作及对梯形轨枕有 价值的研究方向做出了几点展望。 关键词：大瑞铁路；梯形枕无砟轨道；设计；维修预案 西南交通大学硕士研究生学位论文第l f 页 i i a b s t r a c t t h i sp a p e rp u t e d f o r w a r dar e a s o n a b l ea n de c o n o m i c a lt y p eo ft h eb a l l a s t l e s s t r a c k 1 a d d e rs l e e p e ru n b a l l a s t e dt r a c k ，a n de s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e la c c o r d i n gt ot h e f e a t u r eo fg a o l i g o n g s h a nt u n n e lw h i c ha p p e a r e da s “t h r e eh i g h s ”( h i g hg e o t h e r m y 、h i g h g e o s t a t i cs t r e s s 、h i g hs e i s m i ci n t e n s i t y ) a n d “f o u ra c t i v e ”( a c t i v en e o t e c t o n i cm o v e m e n t 、 a c t i v eg e o t h e r m a lw a t e re n v i r o n m e n t 、a c t i v ee x t e r n a ld y n a m i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 、a c t i v e s l o p es u p e r f i c i a lt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s ) f i r s t ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ec o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f “t h r e eh i g h a n df o u ra c t i v e ”o fd a r u ir a i l w a y ，a n ds o m ep r o b l e m so no r d i n a r yb a u a s t l e s st r a c k ( b i b l o c k b a l l a s t l e s st r a c k 、t r a c kw i t he l a s t i cb e a r i n gb l o c k ) a r i s i n gt h e r e f o r m l a d d e rs l e e p e rt r a c ki s s u i t a b l ef o rg a o l i g o n g s h a nt u n n e ld u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sl i g h ts t r u c t u r e 、f a s tr e p a i r 、 l e s sm a i n t e n a n c e 、d e c r e a s i n gv i b r a t i o na n dn o i s er e d u c i n g 、s t r o n ga b i l i t ya d a p t i n gb a s i c d e f o m a t i o na n ds oo n s e c o n d l y , a c c o d i n g t ot h ed e s i g nc o n c e p t ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h es i z ea n dp a r a m e t e r so f l a d d e rs l e e p e rt r a c ks t r u c t u r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o rs p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t o no fd a r u i r a i l w a y a c c o d i n gt o e l a s t i cf o u n d a t i o nc o m p o s i t eb e a mt h e o r y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e d w h o l i s t i cm o d e lt om e c h a n i c a la n a l y s i s t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n dc o n f i r m e dt h es u p o r t s p e a c i n go fd a m p i n g m a t e r i a la n dt h er e a s o n a b l es t i f f n e s sw h e nt h ev e r t i c a l f o r c e a n a l y s i s t h i sp a p e r a l s oc o n f i r m e dt h es u p p o r tp o s i t i o na n ds t i f f n e s s o fr e a s o n a b l e c u s h i o n i n gm a t e r i a lb ya n a l y s i n gt h ei n f l u e n c eb e c a u s eo fc u s h i o n i n gm a t e r i a lw h e nt h e h o r i z o n t a lf o r c ea n a l y s i n g t h i r d a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r ef o r c ea n a l y s i sa n d ( t h eg u i d i n go p i n i o n sf o r t h ed e s i g n a n dc a l c l u t i o n so fb a l l a s t l e s st r a c k t h i sp a p e rd i dt h ep r e s t r e s sr e i n f o r c e m e n tf o rt h el a d d e r s i c e p e rt r a c ks t r u c t u r eb ya l l o w a b l es t r e s sm e t h o da n dc h e c k e du pt h et e m p o r a r yl o a df o r i n s u r i n gt h er e i n f o r c e m e n ts e c u r i t y i nt h ee n d t h ep a p e rd r a w e dt h ec o n c l u s i o no nt h er e s e a r c h ，a n dm a d eaf e wp r o s p e c t s f o rd o i n gf u r t h e rr e s e a r c ha n dt h ev a l u a b l er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h el a d d e rs l e e p e r 。 k e y w o r d s ：d a r u ir a i l w a y ；l a d d e rs l e e p e rb a l l a s t l e s st r a c k ；d e s i g n ； r e i n f o r c e m e n tc a l c u l a t i o n s 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“修) 学位论文作者签名：为、 日期：橱踢 指删币签名：亩) 弘笺 指导老师签名：两l 老荪垒 日期：为汐够2 , 4 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 一、参考城市轨道交通和日本梯形轨枕研发理念，结合大瑞线高黎贡山隧道地质 特点，提出初步设计方案。对设计方案进行垂向受力分析，判定设计方案是否可行， 并对影响结构稳定性的减振材料支撑间距和合理刚度进行研究，确定合理的减振刚度 和支撑间距。对结构进行横向受力分析，分析梯形枕两侧缓冲材料对轨道结构的影响， 确定缓冲材料的合理支撑刚度。 二、确认修正后的初步设计，并对梯形枕无砟轨道结构进行配筋，采用容许应力 法，梯形枕为预制件，设预应力钢筋，并对临时荷载进行检算，确保配筋安全可靠。 三、依据隧道内地震错最大动量提出合理的快速修复预案，使得轨道结构在最短 的时间内恢复，实现通车。 四、总结本文的研究工作及结论，提出论文中存在的不足之处，针对国内外的研 究现状及论文的讨论结果，对未来的研究工作提出几点建议。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者躲刍母 日期：卅犀牛脚脚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章概述 无砟轨道由于其高稳定性、高平顺性和少维修性等特点，在世界各国铁路得到了 广泛的应用。近年来，随着无砟轨道技术不断进步，我国铁路建设逐渐由以有砟轨道 为主转向以无砟轨道为主，特别是在长大隧道内，进行了大量的铺设。 本章主要对国内外无砟轨道发展形势和大瑞线高黎贡山隧道轨枕选比方案之一的 梯形轨枕详细介绍。 1 1 国内外无砟轨道发展概况 高速铁路具有快速、安全、舒适的优点，是发达国家一种高效的交通运输方式， 至今已有多个国家兴建了高速铁路和客运专线，并在高速铁路的技术上积累了较为成 熟的经验。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，建设客运专线 和高速铁路网是我国铁路满足人民日益增长的物质需要，也是适应国际、国内市场竞 争的要求。在2 0 0 4 年2 月举行的全国铁路工作会议上，铁道部全面部署了中长期铁路 网规划实施的启动工作，描绘了我国铁路发展的宏伟蓝图：至u 2 0 2 0 年，我国铁路营 业总里程将达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均将达到 5 0 。2 0 0 8 年4 月，时速3 5 0 公里的京沪高速铁路全面开工建设更是将我国高速铁路建 设推向了又一个高潮。 无砟轨道结构是用耐久性好、塑性变形小的材料代替道砟材料的一种轨道结构形 式。由于取消了碎石道砟道床，轨道保持几何形状的能力提高，轨道稳定性相应增强， 维修工作量减少，成为高速铁路轨道结构的发展方向乜1 。 1 1 1 国外无砟轨道结构与特点 ( 1 ) 日本板式无砟轨道 日本铁路是发展无砟轨道较早、较快的国家。早在2 0 世纪6 0 年代中期，日本就开 始了无砟轨道的研究与试验，并逐步推广应用。r 本无砟轨道技术主要以新干线板式 轨道结构为代表。2 0 世纪7 0 年代，板式轨道作为同本铁路建设的国家标准进行推广， 板式轨道( s l a b 轨道) 已成为同本新干线无砟轨道的主要结构形式旧6 引。到目前为止，其 板式轨道累计铺设里程己达到2 7 0 0 多延长公里。目前常用的有普通a 型轨道板( 图1 - 1 ) 、 框架型轨道板( 图1 2 ) 、用于特殊减振区段上的防振g 型轨道板及早期用于路基上的 r a 型轨道板等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图卜1 普通a 型板式轨道 ( 2 ) 德国无砟轨道 ，、筝携臼 图卜2 框架型板式轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一。与其他国家不同的是，德国铁路首先在 车站试铺无砟轨道，随后解决了土质路基铺设无砟轨道的技术问题，然后逐步推广到 隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利的条件。德铁、高校研究所以 及工业界自2 0 世纪7 0 年代起就一直进行无砟轨道的研究，目前正式批准的无砟轨道结 构形式有6 种，包括r h e d a 型、b ( ) g l 、 z i i b l i n 、a t d 、g e t r a c 、b e r l i n 型。最近开发的r h e d a 2 0 0 0 型轨道( 图1 3 ) 已投入商业应 用，如应用在纽伦堡一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道岔区上阳1 。同时， 我国武广客运专线也引进、消化、吸收了r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道部分相关技术。 图卜3r h e d a 一2 0 0 0 型无砟轨道结构 博格板式无砟轨道( 图1 4 ) 是德铁应用的另一种轨道结构形式，它的前身是1 9 7 9 年 铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪的一种预制板式无砟轨道。博格板式无砟轨道己获得 了德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁路，目日i 已在德国纽伦 堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设，于2 0 0 6 年开通运营。博格板式无砟轨道在我 国京津城际客运专线取得巨大成功，有望在我国推广使用。 要里圣塑奎兰至圭塑圣兰兰簦至兰至：至 图卜4 博格扳式无砟轨道单元板结构图 z i i b l i n 型无砟轨道是德国高铁轨道结构的又重要形式，其结构组成与r h e d a 型 无砟轨道相同( 罔15 ) 。只是在设计理念与施工方法上存在很大差异。我国郑西客运 线引进、消化、吸收了z o b l i n 型无砟轨道的部分相关技术。 围卜5z u b l i n 型无砟轨道 桥隧比例大已经是高速线路的普遍特点为了解决大跨度桥梁上铺设无砟轨道的 难题，德国博格公司开发了桥上纵联板式无砟轨道”。 ( 3 ) 世界其它国家无砟轨道 萸国无砟轨道的主要代表类型有两种：【t 型和p a c 型。l 型无砟轨道是在 烈块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围设橡胶套靴在轨枕块底与套靴问设 橡胶弹性垫联，而在双块式轨枕周围及底下灌注混凝土而成型，为减振型轨道。萁蛙 初山r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发，瑞上囤铁于1 9 6 6 年在隧道内首次试铺。1 9 9 3 年开通 运营的英吉利海峡哺单线隧道内伞部铺设了独立支承块式l v t 型无砟轨道。目前i 厂r 型轨道的铺没总长度约3 印k m 。p a c t 型无砟轨道为就地灌筑的混凝土道床，钢轨直接 与道床相连接，轨底与混凝l 道床之问设连续带状橡胶挚板，钢轨为连续支承。英国 自1 9 6 9 年丌始研究和试铺到1 9 7 3 年正式推广，井在西班牙、南非、加拿大和荷兰等 国家重载和高速线的桥、隧结构上应用，铺设总k 度约8 0 k i n 。 奥地利联邦铁路铺设了2 5 k m 的o b b p o r t 轨道系统，其结构近似于z o b l i n 型，丰 要用 。高禁桥梁霸j 隧道。意人利的正砟轨道类型基本上等同十n 本的板式轨道。荷兰 贸 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的e r c 嵌入式轨道结构近似于英国的p a c t 型轨道结构。韩国的汉城釜山高速线建 设中采用的无砟轨道设计与日本的新干线类似。此外还有一些主要用于隧道和地铁的 无砟轨道结构如德国的s t e d e f 系统、瑞士的w a l o 系统、e d i l o n 系统等。法国高铁一 直以发展有砟轨道为主，但在新建的地中海线，选择隧道里铺设了4 8k m 双块式无砟 轨道，进行试验，还准备在东部高速线4 0 - 5 0k m 的一个区间修建无砟轨道。 1 1 2 我国无砟轨道结构与特点 2 0 世纪6 0 年代我国开始无砟轨道的研究，与国外的研究几乎同步。初期曾试铺过 支承块式、短枕式、整体灌注式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支承块式整体道 床。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l k m 的隧道内铺设，累计达3 0 0 k m 。 2 0 世纪8 0 年代，曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床， 全部铺设在大型客站和隧道内，总长约1 0 k m ，但并未正式推广使用。 2 0 世纪9 0 年代末，在完成长枕埋入式、弹性支承块式和板式三种无砟轨道特性研 究及其设计参数确定的基础上，选定秦沈客运专线3 座高架桥作为无砟轨道的试铺段。 其中，沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道；狗河特大桥( 铺轨1 4 8 2 m ， 直线) 和双河特大桥( 铺轨1 4 8 0 m ，曲线) 上试铺了板式轨道。综合试验结果表明，两 种无砟轨道结构形式在结构受力、变形和振动方面都达到了设计要求。 随后，在西康线秦岭隧道( 铺轨3 7 k m ) 、兰新线乌鞘岭隧道( 铺轨4 0 3 6 8 k m ) 和 宜万线隧道内都设计铺设了弹性支承块式无砟轨道，在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺轨 1 4 3 8 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道，在赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设了板式 无砟轨道。 紧接着，吸取长枕埋入式无砟轨道结构铺设经验与教训，铁道科学研究院在铁道 部高速办的指导下，提出了双块式无砟轨道( 简称为t b s 型) 结构方案，并进行了相 关的试验室试验。 2 0 0 4 年，遂渝线无砟轨道综合试验段成功建设n 引，通过遂渝线综合试验段的实际 试铺，系统地研究解决了不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、过渡段、结构承载 能力及耐久性、路基结构形式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减振降噪措施、 无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术，为创建具有我国自主知识产权的、有中国 特色的无砟轨道起到了非常重要的作用。 为了实现中国铁路的跨越式发展，我国各相关政府部门、科研院所、高校通过对 日本、德国等原创国无砟轨道相关技术的引进、消化、吸收与改进，依据我国基本国 情和我们已经取得的研究成果，编制了中国无砟轨道技术设计、施工的系列规范。同 壁里圣鎏奎茎塑圭竺罂兰兰篁堡圣里! 至 时，形成了具有自主知识产权的无砟轨道相关技术。表1 - 1 为中国无砟轨道结构形式分 类及运用情况。 表卜1 我国无砟轨道应用情况 i 板式 无砟轨道 海南东环铁路 c r t s i 无砟轨道 c r 丁s 1 双块式 武广客运专线 无砟轨道 c 1 盯s 1 1 板式 京津城际客运专线 无砟轨道 c r t s l l 无砟轨道 c r t s i i 双块式 郑西客运专线 无砟轨道 c r t s m 无砟轨道纵联板式无砟轨道成灌铁路 1 2 梯形轨枕无砟轨道结构及应用情况 1 2 1 梯形轨枕轨道结构概念 梯形轨枕轨道系统是由日本铁道综合技术研究所开发的专利技术，其中轨枕是由 两片矩形截面的预应力混凝土纵粱和横向联接构成的，形状像梯子，所以叫梯形轨枕。 梯形轨枕的出现，在很多方面解决了传统横向轨枕的不足。梯形轨枕为轨道提供了连 续支撑，结合了纵枕轨道及轨道板的特点从而产生了“钢制钢轨+ 混凝土钢轨”组成 的“复合钢轨”，又由于在混凝土制轨枕之间有横向连接的存在，因此，在承载力和左 右稳定性方而都要比横向轨枕更好“4 ，复合轨道的图形如图1 _ 6 所示。 图_ - 6 复合轨道的形成 要里圣塑查兰堡圭至圣兰兰堡堡圣里! 圣 图i7 梯形轨枕的外观组成 与普通轨枕中的整体式预应力钢筋混凝土轨枕、双块式预应力钢筋混凝土轨枕相 比，梯形轨枕体现出了一种尝试，它沿钢轨方向使用整体式，这样可咀增强轨枕功能， 出于采用了职块式轨枕的钢连接形式，从而保证了轨枕的作用。与板式轨道中的a 型 轨道板及框架式轨道板相比，梯形轨枕是第一种被应用的接近框架型板式轨道的类型。 但是，框架型板式轨道是精确的平面型，而且在结构上与梯形轨枕相比具有根本差异， 梯形轨枕由混合梁部件组成的，并利用了框架式轨道板在经济和环境方面的优点。梯 形轨枕与a 型轨道板相比，具有了很高的先进性，总体来说，梯形轨枕吸收了单块式 轨枕保持轨道方向的能力，同时吸收了双块式轨枕的特点，在两块纵向p c 粱问用钢管 连接，增强了保持轨距的能力。如图i - 8 所示。 p c 轨枕 型 匣式道床 积埏式轨枕 哗 匙婚， i 气。 中空式根式轨道 辋搁 图卜8 梯形轨枕轨道的特点 日本近年的理论分析和应用实践证明，梯形轨扰轨道系统具有轻量化质量弹簧系 统、减振降嗓能力好、大幅度减少维护管理成本等优越性。这一系统不仅能对土术结 构的减振降噪起到良好作用，还因其具有“改善车辆轨道结构相互作j j 系统的动力特 性”的特点，对车辆运行系统也起到了良好作用。“1 。 122 梯形轨枕轨道系统分类 梯子轨枕轨道结合了纵枕轨道及轨道扳的特点发展了全新的包含两者优点的轨 道结构，其结果是产生了“钢制钢轨+ 混凝土钢轨”组成的“复合钢轨”，形成了多种 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 改进的轨道结构形式。具体来说大致有以下几种轨道结构形式：道砟型、弹性道砟型、 填充型、沙浆型、浮置型。如1 - 9 、1 - 1 0 、1 - 1 1 、1 - 1 2 、1 - 1 3 图所示。 图卜1 1 填充道砟型 r ：一u 减振材料间隔1 2 5 m ，尺寸为2 5 0 m m ( 宽) x 6 0 0 m m ( 长) x 1 2 0 m m ( 厚) ； ( 4 ) 缓冲材料布置在与连接钢管位置2 5 0 m m ( 宽) x 3 0 0 m m ( 长) x 1 8 0 m m ( 厚) 及轨枕凸起两边1 5 0 m m ( 宽) 2 5 0 m m ( 长) x 1 8 0 m m ( 厚) ； ( 5 ) 梯形轨枕混凝土强度等级为c 6 0 ； ( 6 ) 相对的两单元枕之间用直径为8 0 r a m 的三根钢管连接。 梯形轨枕式无砟轨道平面布置图、横断面图分别如图2 - 1 、图2 2 所示。 匝旧当颦覃毒姑喂惰晕茸龄辇甲“匝 匝阻牛培群带眠懈嚣辱蘸辇【-“匝 # 赫凝霉 峨。一融 帆磐g朴刊豫摩书馨朴k昭州崆旧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 4 列车竖向荷载作用下计算理论与方法 传统轨道结构计算主要采用弹性地基梁理论，视轨道结构复杂程度及计算要求可 采用弹性地基多层叠合梁理论求解。随着计算技术发展，为得到无砟轨道内部详细应 力状态，可采用实体有限元理论进行研究分析。而作为无砟轨道主要承载结构的轨道 板( 或道床板) 、底座板( 或支承层) ，其厚度方向的尺寸远小于平面尺寸，且荷载 作用下的挠曲变形远小于其厚度，符合弹性薄板的结构特点，因此，对于无砟轨道主 要承载结构的计算分析，宜采用弹性地基梁板理论。 日本在板式轨道研发过程中，曾采用弹性地基双层叠合梁理论，后来发展了弹性 地基梁板理论，并已成为板式轨道结构设计的标准计算方法。德国计算列车荷载作用 下的轨道结构应力时采用e i s e n m a n n 理论。首先视钢轨为弹性地基上的无限长梁计算 扣件支点压力，同时利用e i s e n m a n n 多层理论根据无砟轨道结构层间的连接状态将无 砟轨道多层结构转化为单层结构，再利用弹性地基无限长梁或w e s t g a a r d 荷载应力公 式，计算换算单层结构的内力和位移。德国采用该种计算方法，与其借鉴公路设计经 验和连续浇筑无砟轨道是分不开的。 这些方法的繁简程度和计算精度虽有一定差异，但只要满足相对简便、符合实际、 概念清晰、参数便于测定、精度满足工程设计需要，均可作为设计中使用的方法。为 了设计使用和工程中相关参数测定的相对统一，一般要相对固定地采用一种方法，当 推荐使用的方法不能满足设计需要时，可考虑采用别的计算方法。 2 4 1 弹性地基叠合梁理论 将钢轨、轨道板( 或道床板) 、底座( 或支承层) 构成的无砟轨道结构，在纵向 和横向上均视为弹性地基上的叠合梁处理。 无砟轨道沿轨道纵向的挠曲变形及弯矩计算，考虑到实际轨道结构的状态和平面 布置情况，可采用如图2 3 所示的力学模型，把一股钢轨连同半宽的轨道板( 或道床 板) 和混凝土底座( 或支承层) 用弹簧联结，作为多重叠合梁置于弹性地基上。钢轨 上作用以轮载，便可得到钢轨、轨道板以及底座板沿线路纵向的位移和弯矩分布情况。 为了使计算模型具有普遍的适用性，每层梁上均可设置接缝，且位置可任意调整。 轨道板( 或道床板) 和底座( 或支承层) 在钢轨支点压力作用下的横向挠曲变形 和弯矩的计算，可从相邻钢轨扣件中间截取轨道板( 或道床板) 和底座( 或支承层) 截梁，构成弹性地基上二重叠合梁模型，如图2 4 所示。 根据图2 3 和图2 4 所示的计算模型，可建立微分方程并通过求解，得到各层梁的 弯矩或位移解析解。物理概念明确，求解方便，是各国无砟轨道设计中长期使用的方 法之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 对于路基上双块式轨道这种无中间层的结构，可以根据道床板与支承层的界面连 接状况按照位移协调、刚度相等的原则等效为单层梁，与钢轨一起构成二重叠合梁模 型计算纵向弯矩，然后再在横向按照弹性地基上的短梁计算横向弯矩，最后再根据界 面间关系求得结构层的最大拉压应力，称之为弹性地基等效梁理论。 卜 鱼 l 丝 鸯赫一 图2 - 3 弹性地基叠合梁理论纵向计算模型 ee 卜叫卜-1 图2 - 4 弹性地基叠合梁理论横向计算模型 2 4 2 弹性地基梁板理论 弹性地基梁板理论( 模型如图2 5 ) 中，钢轨采用弹性点支承梁，双层弹性扣件的 轨下挚板采用单个线性点支承弹簧、板下垫板采用多个平行的线性弹簧，铁挚板则采 用刚度较大的弹性薄板模拟，轨道板( 或道床板) 与底座板( 或支承层) 采用弹性薄 板，c a 砂浆层以及基础的支承采用均布弹簧模拟。 为消除边界效应，计算模型中选取三块单元轨道板或相当的长度( 纵连式轨道) 进行计算，以中间单元板或相当的长度作为研究对象。采用有限单元法实现计算。 梁板理论的计算模型物理概念清楚，与无砟轨道实际情况更加接近，适应性更强， 计算参数便于测定，且与叠合梁理论中的计算参数可方便地换算。 ，r 脚缸 k 凡 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 对于路基上双块式轨道这种无中间层的结构，可根据道床板与支承层的界面连接 状况按照位移一致的原则等效为单层板，与钢轨一起构成梁板模型计算等效板的纵、 横向弯矩。 图2 - 5 弹性地基梁板理论的计算模型 2 4 3 弹性地基梁体有限元理论 梁体有限元理论( 模型如图2 6 ) 中，钢轨、扣件仍分别采用弹性点支承梁、线性 弹簧模拟，轨道板( 或道床板) 、砂浆层、底座( 或支承层) 等部分则采用实体有限 元模拟： ( 1 ) 钢轨采用弹性点支承梁单元。 ( 2 ) 扣件采用线性弹簧单元。 ( 3 ) 轨道板、砂浆层、底座或支承层根据其实际拓扑形状采用实体单元模拟。 ( 4 ) 路基隧道桥梁对轨道的支承采用线性弹簧单元模拟。 为消除边界效应，计算模型选取三块单元轨道板或相当的长度进行计算，以中间 单元板或相当的长度作为研究对象，计算的应力数据经积分计算得到轨道板所受纵横 向弯矩。 至里奎塑奎兰竺圭丝至兰兰堡兰圣里垒至 ，、 图26 弹性地基粱体有限元理论的计算模型 25 计算分析模型及参数介绍 根据弹性地基叠台梁理论，采用有限元方法，建立弹性地基上三层叠合梁计算模 型计算梯形轨扰式无砟轨道在列车荷载作用下的力学行为，其计算模型如图2 7 所示。 图2 7 梯形轨枕垂向叠合粱梗型图 钢轨作为一个等截面的细长结构物，在对其进行有限元分析时，可将其看成无限 硅点支承粱，采用粱单元b e a m 4 对其进行模拟。对于联结扣件和胶挚，可以将其作 为一个连续弹性支撑元件，忽略其非线性因素，等效为一个线性弹性件，采用弹簧单 元c o m b i n l 4 进行模拟。混凝土纵粱和混凝土底座的基本形状比较规则，在建立叠合 梁有限元模型时可将其等效为一段粱柬处理，采用粱单元b e a m l 8 8 对其进行模拟。 减振材料等是梯形轨枕结构的弹性调整层的关键组成部分，其性能的好坏直接影响到 梯形轨枕使用的耐久性与维修工作量；其组成材料复杂，技术指标要求多且赢，在建 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 立叠合梁有限元模型时将其等效为线性弹簧c o m b i n l 4 单元进行模拟，布于纵梁下。 隧道基础是整个轨道结构的基础，对轨道结构正常工作有直接影响，计算轨道强度时 有必要对隧道基础支承条件加以考虑，在建立叠合梁有限元模型时将其等效为线性弹 性件，采用弹簧单元c o m b i n l 4 进行模拟，将其密布于混凝土底座下。轨道结构各部 分之间通过共用节点发生相互作用，钢轨和纵梁间由弹簧单元通过节点相连接。这样， 就可建立梯形轨枕整体叠合梁有限元模型。模型中不考虑重力作用。 列车设计轮载取单轮3 0 0 k n ，钢轨采用c h n 6 0 轨，扣件刚度采用动刚度5 0 k n m m ， 枕下减振材料垂向刚度1 0 0 0 0 k n m m ，轨枕采用c 6 0 混凝土，l 形支座采用c 4 0 混凝 土。为了消除边界效益，模型长度取三跨轨枕，列车设计轮载以集中力的形式作用于 模型中中间轨枕上部的钢轨节点上，分五种工况。 表2 - 1 隧道内轨道垂向力计算参数 部件参数名单位量值 弹性模鼍m p a2 0 6 0 0 0 泊松比0 3 钢轨 沿截面横轴惯性矩 m 4 3 2 1 7 e 一8 截面积m 27 7 4 5 e - 4 密度 k g m 3 7 8 0 0 刚度l 【n m m 5 0 扣件 扣什间距m0 6 2 5 弹性模量m p a4 0 0 0 0 泊松比 0 1 6 7 长度m6 1 5 轨枕 宽度 m 0 6 0 高度 m0 1 8 密度 k g m 3 2 5 0 0 枕卜减振材料 刚度 k n m m1 0 0 0 0 弹性模鼍m p a3 2 5 0 0 l 形支座 宽度 m1 3 枕| 卜高度 m0 2 5 隧道基础面刚度m p a m 1 2 0 0 2 6 计算结果及分析 列车垂向设计轮载以集中力的形式作用于中间轨枕不同位置，共五种加载工况， 如图2 8 及表2 2 所示。 要室耋望銮兰誓老至塞兰兰堡薹吝墨丝要 图2 _ 8 梯形轨枕垂向加载工况示意图( 中间一跨) 表2 - 2 梯形轨枕垂向受力加载工况说明表 工况编号 加载位置( 中间轨枕) 作用于梯形轨枕端部第一扣件处 作用于梯形轨枕端部第二扣件处 作用于梯形轨枕端部第三扣件趾 作用于梯形轨枕端韶第四扣件赴 作用于梯形轨枕端部第五扣件处( 轨枕中部) 工况l 作用下，梯形轨道结构变形图如图2 - 9 所示，弯矩云图如图2 1 0 和图2 n 所示。不同工况下梯形轨道结构弯矩和位移如表2 - 4 所示。 圈2 - 9 梯形轨枕式无砟轨道结构变形图工况1 i ，单位m 至里耋兰奎耋至圭竺至兰兰堡尘圣兰：! 皇 jl 3 4 0 6 5z s h ，7 日1491 2 2 9 9 6 92 1 1 71 3 5 0 ：- 5 9 j 图2 - 1 0 梯形轨枕弯矩云图( 工况1 ) 单位：nm i - 6 22 e 1 5 7 z 7 一 焉气烹专- _ - 忑 墨t ：。 图2 - 1 l 梯形轨枕式无砟轨道l 形支座弯矩云图( 工况1 ，单位：、m 表2 - 3 工况1 下轨道结构的弯矩和位移 弯矩( k nm )垂向位移( 皿) 梯形轨枕l 形支座 钢轨 梯形轨枕 3 4 0 6 5 洼：止弯矩表示f 部受拉，负弯矩指l 部受挝 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 表2 - 4 不同工况下轨道结构的弯矩和位移 弯矩( kn m ) 垂向位移( 哪) 工况 梯形轨枕l 形支座 + 钢轨梯形轨枕 12 7 9 93 4 0 6 52 2 4 7 46 2 2 82 8 7 51 0 9 2 1 2 6 1 82 3 6 0 7 2 0 5 8 7 5 6 2 32 7 5 40 4 0 1 e 一3 31 4 4 4 02 1 5 0 62 0 9 7 95 7 1 02 7 5 30 4 5 6 e - 3 41 3 9 5 52 1 2 3 02 0 7 3 85 7 5 32 7 4 90 4 2 1 e - 3 51 4 2 5 12 0 6 3 92 0 2 5 05 6 2 82 7 4 60 4 2 4 e 一3 表2 - 5 不同工况下梯形枕端竖向转角及两侧钢轨支点竖向相对位移 上况 12345 最人值 轨枕端竖向转 角( 1 0 。3 r a d ) 0 9 5 20 7 7 90 4 8 90 4 2 4o 1 1 40 9 5 2 轨枕端两侧钢 轨两支点间相0 1 6 50 0 6 20 0 7 4 70 0 4 9 30 0 1 20 1 6 5 对位移( m m ) 主 囊 静 爿 嚣 暴 警 爨 2345 加载工况 图2 - 12 各种工况下梯形轨枕的正弯矩 从图2 1 2 可以看出，梯形轨枕的正弯矩的不利工况发生在工况3 和工况5 ，工况 2 - 4 相差并不大。 e z 芒 圣 静 餐 泰 婪 窭 加载工况 图2 - 1 3 各种工况下梯形轨枕的负弯矩 从图2 1 3 可以看出，梯形轨枕的负弯矩的最不利工况发生在工况1 ，工况2 4 相 差并不大。 4 2 o 8 6 2 o 1 1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 i i i i i i i i i i i i i i i ii_i ii iii i i i i i i 2 5 蛊 至20 壤 静i 5 崮 星10 悯 蓑s 譬。 图2 - 1 4 各种工况下l 形支座的正弯矩 从图2 1 4 可以看出，l 形支座的正弯矩的最不利工况发生在工况1 。 z 6 隶 静 鹾4 懒 瑙2 双 譬。 从图2 1 5 可以看出， 3 0 2 5 量2 0 冀 = 夺1 0 暴 0 5 0 o 加载工况 图2 1 5 各种工况下l 形支座的负弯矩 l 形支座的负弯矩的最不利工况发生在工况1 。 加载工况 图2 - 16 各种工况下钢轨的垂向位移 从图2 1 6 可以看出，钢轨垂向位移的最不利工况发生在工况1 。 从表2 - 4 可以看出，梯形轨枕只在第一工况下出现明显位移。从梯形轨枕币负弯 矩图以及梯形轨枕的位移可以看出，因梯形轨枕底部的竖向减振材料罩梯形轨枕端部 有一定的距离，当梯形轨枕端部扣件受力时，梯形轨枕端部向下有较大的位移，但端 部弯曲曲率较小，因此正弯矩较小，而在减振材料处，梯形轨枕有向上弯曲曲率较大， 因此负弯矩较大。 轨枕所受最大弯矩计算如下： 截面惯性矩为，。2 9 1 6 1 0 一n l ，w n 。j i = 3 2 4 x 1 0 6 m m 3 ，c 6 0 混凝土容许应 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 i i i i ii i i i i i 力为2 0 m p a ，则梯形轨枕纵向最大弯矩为6 2 8 k n ，m ，本设计条件下梯形轨枕最大弯矩 为3 4 0 6 5k n m ，强度满足要求。 一般规定在常用列车荷载作用下钢轨竖向位移不超过1 5 m m ，换算在设计竖向荷 载3 0 0 k n 条件下，钢轨竖向最大位移应为2 9 1 5 m m ，本设计情况下的钢轨最大竖向位 移为2 8 7 5 m m ，满足要求。 客运专线无砟轨道铁路设计指南中对于桥梁上无砟轨道板规定，梁缝两侧的 钢轨支点由于支座横向的构造间隙、梁端竖向转角、支座弹性压缩变形等水平移动的 影响，会产生横向和竖向相对位移，造成钢轨、扣件等局部受力。德国规范规定：竖 向相对位移不超过l m m ，梁端竖向转角不大于1 o 。此设计是在隧道内的单元式无砟 轨道，对轨道板的限位并无具体要求，在轨枕端部出现竖向转角和相对位移与桥梁上 轨道板具有类似性质，可参考桥上无砟轨道板的限位要求。要求轨枕端部竖向转角不 大于l ，轨枕端部钢轨两支点间相对位移小于l m m ，从以上分析认为初步设计方案 可行。 2 6 1 竖向减振材料支撑间距分析 在保持其他条件不变的条件下，改变减振材料的支撑间距，分析其对轨道变形的 影响。先前设计条件为参考日本浮置l 形台座式梯形轨枕减振材料支撑间距1 2 5 m 。 现将减振材料支撑f 白j 距分别取0 5 m 、0 7 5 m 、1 0 m 、1 2 5 m 、1 5 m 、1 7 5 m 、2 0 m 七种 情况，对梯形轨枕结构弯矩及位移进行比较，如表2 - 6 和图2 1 7 2 2 2 所示。 表2 - 6 不同减振材料支撑间距下轨道结构的弯矩和位移 减振材料 弯矩( k n m ) 垂向位移( m m ) 支撑间距 梯形轨枕l 形底座 ( m ) + + 钢轨梯形轨枕 o 5 09 9 3 67 。4 6 71 4 0 7 53 。9 4 52 6 0 90 。2 6 7 e 3 o 7 5 1 2 9 1 9 8 9 7 9 1 3 7 1 13 8 2 92 6 3 10 2 3 9e 3 1 0 01 8 5 6 92 0 2 6 61 6 9 5 96 4 6 4 2 7 0 0 0 7 6 6e 3 1 2 51 4 4 4 03 4 0 6 52 2 4 7 46 2 2 82 8 7 5 1 0 9 1 5 03 3 0 6 72 8 9 7 6 2 6 4 7 98 4 6 33 2 0 82 6 7 1 7 53 5 7 3 94 8 5 8 43 1 3 2 11 0 4 5 14 8 1 6 5 7 4 1 2 04 2 1 6 03 6 7 9 43 2 7 5 21 0 3 6 13 8 8 53 9 6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 目 蚕 骚 静 茸 k 蛹 墨 暴 嫠 爨 4 0 0 4o 81 21 62 o 减振材料支撑问距m 图2 - 17 不同减振材料支撑间距下梯形轨枕最大正弯矩 由图2 1 7 可见，随着减振材料支撑间距的增大，轨枕最大正弯矩逐渐增大，在间 距为1 2 5 m 时，梯形轨枕最大正弯矩减小，此后逐渐递增。 e z 芒 硖 静 g 二 皤 基 磊 癸 爨 5 0 o 0 40 81 21 62 0 减振材料支撑间距，m 图2 - 1 8 不同减振材料支撑间距下梯形轨枕最大负弯矩 由图2 1 8 可见，随着减振材料支撑问距的增大，轨枕最大负弯矩逐渐增大，在间 距为1 5 m 时，梯形轨枕最大负弯矩减小。 e 芝 兰 虽 静 点 斗 墨 型 似 心 1 3 5 0 4 0 8 1 21 62 0 减振材料支撑间距m 图2 - 1 9 不同减振材料支撑间距下l 形支座最大正弯矩 由图2 1 9 可见，随着减振材料支撑i 、日j 距的增大，l 形支座最大正弯矩逐渐增大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 0 4o 81 21 62 0 减振材料支撑问距m 图2 2 0 不同减振材料支撑间距下l 形支座最大负弯矩 由图2 2 0 可见，随着减振材料支撑间距的增大，l 形支座最大负弯矩逐渐