北京交通大学轨道工建期末课程设计

1、北京交通大学土建学院轨道工程课程设计路基上无缝线路课程设计指导老师： 学号：姓名： 班级： 日期：2013年6月30日路基上无缝线路课程设计概论中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）和预留轨缝是无缝线路设计的关键问题，涉及轨道工程这门课的主要理论。该设计目的是通过实际设计，更深入地掌握铁路轨道的基本理论。1.设计任务 1）收集资料，综合分析。通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。2）通过计算，确定路基上无缝线路的允许降温幅度。3）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅度。4）通过计算，确定中和轨温（

2、即无缝线路设计锁定轨温）。5）通过计算，确定预留轨缝大小。6）给出路基上无缝线路结构设计方案。2.设计目的和意义中和轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。本设计目的是通过实际设计，对无缝线路设计的主要原理、方法及步骤有更清楚的了解，更深入地掌握铁路轨道的基本理论与其实际应用（尤其是强度计算和温度力计算理论）。在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，由于钢轨接头的存在，列车通过时发生震动和冲击，并伴随有击打噪声，所产生的冲击荷载最大可达非接头区3倍以上。接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，并促使道床破坏、线路状态恶化、钢轨及联接零件的使用寿命缩短、养护维修费用增加

3、。线路接头区养护维修占总经费的1/3以上；钢轨因轨端损坏而抽换的数量较其他地方大23倍；重伤钢轨60%发生在接头区。无缝线路由于消灭了大量的钢轨接头，因而具有行车平稳、旅客乘坐舒适、机车车辆和轨道的维修费用少、使用寿命长等一系列优点。大量的研究资料表明，从节约劳动力和延长设备寿命方面计算，无缝线路比普通有缝线路可节约养护维修费用35%75%。3.设计理论依据无缝线路中和轨温计算的主要思路如图：图中揭示了该无缝线路设计的主要思路。中和轨温应根据当地的轨温条件（）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据无缝线路的设计原则来确定。1、 无缝线路钢轨

4、强度检算（确定允许降温和升稳幅度）强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力：式中：钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；钢轨温度应力（Mpa）；钢轨附加应力（Mpa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等；本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取；钢轨允许应力。因此允许的降温幅度可由下式计算： 式中：钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。2、 根据稳定性条件确定允许的升温幅度根据稳定性计算求得的允许温度压力后，可计算出允许的升温幅度： 式中： 附加压力，本设计可取为零（N）。轨道允许的最大温度压力；根据无

5、缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”。最后，与强度确定的允许升温幅度比较，取最小值。3、 中和轨温确定根据图，中和轨温计算如下： 4、 预留轨缝的确定符号与下标表示：1长轨， 2短轨， 夏天伸长量，冬天缩短量长轨和短轨间：120（12）短轨和短轨间：22022设计参数一、 基本参数选取如下：钢轨屈服强度s457MPa标准轨长度取25m钢轨允许应力352Mpa附加压力本设计可取为0（N）轨枕间距钢轨附加应力（Mpa）10MPa路基填料沙粘土设计锁定轨温修正值tk5钢轨支座刚度D检算钢轨301000（N/cm）变形曲线弦长L4m检算轨下基础720000（N/cm）允许未被平衡超高h75cm曲线最

6、小半径R900m钢的弹性模量E2.1×105Mpa机车类型东风11内燃机车钢轨的线膨胀系数11.8×10-6/设计最大速度Vmax128km/h.接头阻力PH490KN相邻标准轨间预留轨缝ag18mm二、 具体参数如下各表：1、 取正线轨道类型如下：（见轨道工程-绪论）项目单位重型运营条件年通过总质量Mt2550列车设计最高速度km/h160轨道结构钢轨Kg/m60混凝土枕型号-铺枕根数根/km1667沙粘土路基双层表层道砟cm25底层道砟202、钢轨断面尺寸特征如下： （见轨道- 表2.1，P25）钢轨类型kg/m60钢轨类型kg/m60每米质量M/kg60.64轨头所占

7、面积Ah/%37.47断面积A/cm277.45轨腰所占面积Aw/%25.29重心距轨底距离y1/mm81轨底所占面积Ab/%37.24对水平轴的惯性矩Ix/cm43217钢轨高度H/mm176对竖直轴的惯性矩Iy/cm4524钢轨宽度B/mm150下部截面系数W1/cm3396轨头高度h/mm48.5下部截面系数W2/cm3339轨头宽度b/mm73轨底横向挠曲断面系数Wy/cm370轨腰厚度t/mm16.53、钢轨头部磨耗轻伤标准如下（V=160km/h）：（见轨道- 表2.9 P38）钢轨kg/m总磨耗/mm垂直磨耗/mm侧面磨耗/mm60129124、混凝土枕尺寸如下：（见轨道- 表2

8、.2 P45）轨枕类型主筋数量混凝土等级截面高度/mm截面宽度/cm底面积/cm2质量/kg长度/cm轨下中间端部轨下中间7720320260107C6023.018.530.0285、轨枕扣件技术性能如下: （见轨道- 表2.20 P65）扣件性能弹条型扣件性能弹条型每个弹条初始扣压力/KN10弹条变形量/mm10扣压节点垂直静刚度/KN/m60-80调轨距量/mm-812纵向防爬阻力/KN16调高量/mm106、附加速度系数如下：（见轨道- 表5.4 P157）附加速度系数和速度范围 km/h内燃机车V120120<V1607、横向水平力系数f如下（取最小曲线半径R=720）：（见轨

9、道- 表5.5 P159）线路平面曲线半径/m900横向水平力系数f1.458、最高最、低及中间轨温如下：（见轨道- 表7.2 P235）地区最高轨温最低轨温中间轨温乌鲁木齐60.7-41.59.69、等效道床阻力Q如下（线路容许弯曲矢度f=0.2cm）：（见轨道- 表7.10） 线路条件每千米轨枕根数碎石道床、混凝土枕混凝土轨枕肩宽40cm1667 Q=84N/cm10、混凝土枕线路的初始弯曲如下：（见轨道结构课程设计资料附表）初始弯曲60kg/m钢轨弹性初弯（mm）2.5塑性初弯（mm）2.5表（11）11、机车类型为: 东风11内燃机车，设计速度取：Vmax=128km/h，机车参数如下

10、：（见轨道结构课程设计资料附表）机车型号轮轴名称轮重kN轮距cm构造速度km/h东风11（DF11）第一转向架I112.8200客160II112.8200III112.8826.7第二转向架I112.8II112.8200III112.820012、道床状态参数指标如下：（见轨道设计规范规）指标轨枕类型速度km/h道床横向阻力q(KN/枕)道床纵向阻力q(KN/枕)道床支承刚度(KN/mm)道床密度(g/cm3)III16010121001.7东风11轮轴重示意图设计内容1. 计算动弯矩东风11轮轴重示意图如下图所示车轮荷载采用当量静荷载最大可能值。考虑速度及偏载的因素，车辆垂直当量荷载的最

11、大可能值为：120km/hv160km/h 因为钢轨弯矩M0与车轮垂直静荷载P0成正比，因此，在垂直当量静荷载的最大可能值Pd作用下钢轨动弯矩Md为：120km/hv160km/h 轮载群作用下y,M,R的计算： 弹性位移曲线： 当 量 荷 载： 弯 矩： 轨 枕 反 力：其中影响线函数：刚比系数：则最大动弯矩为：速度系数： 内燃机车偏载系数：，采用75mm（考虑最不利情况）； 附加速度系数： 曲线半径：R=900m曲线上横向水平力系数：f=1.45采用下面C语言编程计算动弯矩#include<stdio.h>#include<math.h>void main()dou

12、ble D,a,u,k,E,Ix,y0,M0,M01,M02,R0,P0i,xi,x1; printf("请输入钢轨支座刚度D:n");scanf("%lf",&D);printf("请输入钢轨轨枕间距a:n");scanf("%lf",&a);printf("请输入钢轨弹性模量E:n");scanf("%lf",&E);printf("请输入钢轨截面惯性矩Ix:n");scanf("%lf",&Ix);

13、printf("请输入机车的轮重P0i:n");scanf("%lf",&P0i);printf("请输入机车的轴距xi:n");scanf("%lf",&xi);u=D/a;x1=u/(4*E*Ix);k=sqrt(sqrt(x1);M01=1/(4*k)*P0i*(1+exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-sin(k*xi)+exp(-k*2*xi)*(cos(k*2*xi)-sin(k*2*xi);M02=1/(4*k)*P0i*(1+2*exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-si

14、n(k*xi); if (M01>M02) M0=M01;else M0=M02;printf("钢轨基础弹性模量u=%7.2lfn",u);printf("刚比系数k=%7.8lfn",k);printf("静弯矩M0=%10.2lfn",M0);double Vmax, ho,ao1,ao2,bo,Md; printf("请输入轨道允许的最高速度Vmax:n");scanf("%lf",&Vmax);printf("请输入轨道的未被平衡超高值ho:n");s

15、canf("%lf",&ho);ao1=0.4*120/100; ao2=0.4*(Vmax-120)/100;bo=0.002*ho;Md=M0*(1+ao1+bo)*(1+ao2)*1.45;printf("钢轨上的动弯矩为Md=%lfn",Md); 运行结果如图所示，2、根据稳定性计算允许温度压力由线路条件有：原始弹性弯曲矢度：foe=0.25cm 原始塑性弯曲矢度：fop=0.25cm线路容许弯曲矢度：f=0.2cm 原始弯曲半波长：l0=400cm等效道床阻力：84N/cm 1：换算曲率 其中 2： 3： 4： 5当f=0.2cm时，可

16、由式 求的变形曲线的弦长L，如果L与有较大出入，则再假设，并在弹性初始弯曲曲率不变的条件下，按下式重新计算其矢度：，将代入上式计算，如果与与相差不多，就可以将及相应的值代入 ，则：（其中，）6 ： 7： 再设 ，重新计算 ， 8： 再设 ，重新计算 ，9： 将，代入公式，得10: 最后3：计算中和轨温（1）计算、； ；很明显为轨底最大拉应力，则钢轨最大动弯拉应力为：（2）计算根据强度条件允许的降温幅度无缝线路固定区的温度应力为: 制动而引起的附加应力：安全系数：K1.3 钢轨容许应力由钢轨的强度条件得：轨底 而 从强度条件出发，要求无缝线路钢轨冬季最低轨温时，轨底总拉应力不超过允许应力，夏季最

17、高轨温时，轨头产生的总压应力也不超过；故强度条件允许的轨温变化幅度为： 故 即：允许的轨降温幅度为 （3）根据稳定条件计算允许的升温幅度：（4）锁定轨温的确定：则锁定轨温上限为：则锁定轨温下限为：(5)伸缩区长度根据铁路轨道设计规范（TB100822005）中11.10.1伸缩区长度的计算方法，计算伸缩区长度可按下面公式进行计算：式中： -钢轨温度拉力或压力的最大值（取两者中较大值）（N）,可以按下面公式进行计算：钢轨最大温度拉力；钢轨最大温度压力；为设计锁定轨温上限；为设计锁定轨温下限； - 接头阻力（N），取490kN。 - 有砟道床路基上一股钢轨下线路的纵向阻力，取12KN/枕。 伸缩区

18、长度4计算长轨和缓冲轨间预留缝和缓冲轨与缓冲轨间的预留缝（如下图）（1）长钢轨与短钢轨间预留轨缝的计算 根设计要求，预留轨缝的计算方法如下： 式中：-锁定轨温。 长轨条端部伸缩量 标准轨端部伸缩量 式中：-为从锁定轨温到最低或最高轨温时所产生的温度力。 预留轨缝的计算为：按冬季轨缝不超过构造轨缝的条件，可算得预留轨缝上限为： 按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为： 式中： -从锁定轨温到当地最低轨温时，长轨，短轨一端的缩短量； -从锁定轨温到当地最高轨温时，长轨，短轨一端的伸长量。则无缝线路缓冲区预留轨缝为：（2）短钢轨与短钢轨间预留轨缝的计算按冬季轨缝不超过构造轨缝的条件，可算得预留轨缝上

19、限为：按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为：式中： -从锁定轨温到当地最低轨温时，短轨一端的缩短量； -从锁定轨温到当地最高轨温时，短轨一端的伸长量。 则无缝线路缓冲区预留轨缝为：用以下C语言程序计算长轨和缓冲轨间预留缝#include<stdio.h>#include<math.h>void main()double T11=18.3,19.3,20.3,21.3,22.3,23.3,24.3,25.3,26.3,27.3,28.3,doublea,r,r2,E,F,w,pt1,pt2,pH,lc1,ld1,lc2,ld2,l1,l2,l,lg,Tmax,Tmin

20、,L;int i; printf("请输入钢轨截面面积F:n");scanf("%lf",&F);printf("请输入钢轨轨枕间距a:n");scanf("%lf",&a);printf("请输入钢轨弹性模量E:n");scanf("%lf",&E);printf("请输入钢轨每枕纵向阻力r2:n");scanf("%lf",&r2);printf("请输入钢轨的线膨胀系数w:n")

21、;scanf("%lf",&w);printf("请输入相邻标准轨间预留轨缝lg:n");scanf("%lf",&lg);printf("请输入钢轨接头阻力pH:n");scanf("%lf",&pH);printf("请输入最高轨温Tmax:n");scanf("%lf",&Tmax);printf("请输入最低轨温Tmin:n");scanf("%lf",&Tmin);p

22、rintf("请输入标准轨的长度L:n");scanf("%lf",&L); r=r2/(2*a);for(i=0;i<11;i+)pt1=F*E*w*(Ti-Tmin);lc1=(pt1-pH)*(pt1-pH)/(2*E*F*r);ld1=(pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);pt2=F*E*w*(Tmax-Ti);lc2=(pt2-pH)*(pt2-pH)/(2*E*F*r);ld2=(pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);l1=lg-lc1-ld1;l2=lc2+ld2;l=(l1+l2)/2;pr

23、intf("当温度为%lf钢轨预留轨缝为%lfn",Ti,l);运算结果如图：（当轨缝值为负值时取为零）用以下C语言程序计算缓冲轨与缓冲轨间预留缝#include<stdio.h>#include<math.h>void main()double T11=18.3,19.3,20.3,21.3,22.3,23.3,24.3,25.3,26.3,27.3,28.3,doublea,r,r2,E,F,w,pt1,pt2,pH,lc1,ld1,lc2,ld2,l1,l2,l,lg,Tmax,Tmin ,L;int i; printf("请输入钢轨

24、截面面积F:n");scanf("%lf",&F);printf("请输入钢轨轨枕间距a:n");scanf("%lf",&a);printf("请输入钢轨弹性模量E:n");scanf("%lf",&E);printf("请输入钢轨每枕纵向阻力r2:n");scanf("%lf",&r2);printf("请输入钢轨的线膨胀系数w:n");scanf("%lf",&

25、w);printf("请输入相邻标准轨间预留轨缝lg:n");scanf("%lf",&lg);printf("请输入钢轨接头阻力pH:n");scanf("%lf",&pH);printf("请输入最高轨温Tmax:n");scanf("%lf",&Tmax);printf("请输入最低轨温Tmin:n");scanf("%lf",&Tmin);printf("请输入标准轨的长度L:n&quo

26、t;);scanf("%lf",&L); r=r2/(2*a);for(i=0;i<11;i+)pt1=F*E*w*(Ti-Tmin);lc1=(pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);ld1=(pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);pt2=F*E*w*(Tmax-Ti);lc2=(pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);ld2=(pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);l1=lg-lc1-ld1;l2=lc2+ld2;l=(l1+l2)/2;printf("当温度为%lf钢轨预留轨缝为%lfn",Ti,l);运行结果如图所示：设计总结