城市轨道交通4.2

1、l第一节第一节 概述概述l第二节第二节 无缝线路的稳定性分析无缝线路的稳定性分析l第三节第三节 城市轨道交通高架无缝线路城市轨道交通高架无缝线路 无缝线路又称焊接长钢轨线路，是20世纪轨道结构最突出的改进与创新。它的出现，不仅在理论上修正和丰富了轨道的设计和计算内容，而且在结构上消除了钢轨接头，减少列车在接头区的冲击与振动，不仅延长了轮轨部件的使用寿命，减少了维修费用，而且提供了平滑的运行表面，给列车运营与行车安全也带来了诸多好处，尤其对于高速与重载铁路来讲，无缝线路已成为不可或缺的轨道结构形式。因此，无缝线路在世界各国得到了广泛的应用和推广。 按按钢轨内部温度应力的处理方式钢轨内部温度应力的

2、处理方式温度应力式无缝线路温度应力式无缝线路放散温度应力式无缝线路放散温度应力式无缝线路 按按钢轨长度钢轨长度普通无缝线路普通无缝线路全区间无缝线路全区间无缝线路跨区间无缝线路跨区间无缝线路 l一一.稳定性的概念稳定性的概念l二二. .影响无缝线路稳定性的因素影响无缝线路稳定性的因素l三三.我国无缝线路稳定性的计算公式我国无缝线路稳定性的计算公式l一一.稳定性的概念稳定性的概念l 无缝线路作为一种新型轨道结构，其最大的特点是在夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力，容易引起轨道的横向变形，在列车动力或人工作业等干扰下，轨道的弯曲变形有时会突然增大，这一现象称胀轨跑道。l 无缝线路稳定性计算的

3、主要目的是研究胀轨跑道的发生规律，分析其产生的力学条件及主要影响因素的作用，计算出保持线路稳定的允许温度压力。保持稳定的因素保持稳定的因素（1）道床横向阻力）道床横向阻力 道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称道床横向阻力，它是防止无缝线路胀轨跑道，保证线路稳定的主要因素。kN 根阻力N/cm位移mm宽轨枕150钢筋混凝土轨枕100木枕50 图1 道床横向阻力与位移曲线关系l 轨道框架刚度是是反映其自身抵抗弯曲能力的参数。轨道框架刚度愈大，弯曲变形愈小，所以是保持轨道稳定的因素。l 轨道框架刚度，在水平面内，等于两股钢轨的水平刚度及钢轨与轨枕节点间的扭矩之和。丧失稳定的因素丧失稳定的因素（1）温度压

4、力）温度压力（2）轨道初始弯曲（轨道初始不平顺）轨道初始弯曲（轨道初始不平顺） a.弹性初弯 b.塑性初弯（死弯）现行的计算公式： （1）等波长公式（统一公式）等波长公式（统一公式） （2）不等波长公式）不等波长公式 以不等波长公式为例，计算的基本假定为：l钢轨为无限长梁，道床为均匀介质 ，轨道框架水平刚度为 。 l在温度压力下，梁的变形曲线与初始弯曲波形相似，但波长不等。l梁的初始弯曲有弹性初弯（正弦曲线）和塑性初弯（圆曲线）组成，变形过程中曲线两端点无位移。a.轨道处在半径为R的圆曲线上。0ll0llEIl 图2 不等波长方法计算图梁压缩形变能梁弯曲形变能道床形变能扣件形变能1A2A3A4

5、Al轨道总势能l 由于已经假定了线形，且梁在变形的过程中，弯曲变形弦长l起着积分变量的作用，真正的变量只有一个弯曲变形矢度f值，因此对总势能A取驻值，相当于求 ，则可推导出无缝线路保持平衡稳定状态时的温度压力。l 另外，当考虑有列车横向力作用在线路上时，梁的弯曲形变能将增大，由此根据稳定条件求得的允许温度压力P将变小，即无缝钢轨特别是道岔区的基本轨处在考虑横向力以后将变得更加容易失稳，因此在施工与维护时应加强关注。l 1234AAAAA0dAdf一一.概述概述二二.钢轨类型选择钢轨类型选择三三.无碴无碴轨下基础上无缝线路压弯变形轨下基础上无缝线路压弯变形四四.大坡道无缝线路大坡道无缝线路五五.

6、车站无缝线路车站无缝线路一一.概述概述 城市轨道交通是现代化城市的血液循环系统，它既要保证城市与外界交流，也要确保城市经济的有效运作和良好的城市生活环境，它是城市交通运输的主动脉，对城市经济、文化的发展起着极其重要的作用。 城市轨道交通与干线铁路运输的区别在于：它以市区或市郊运输为主要目标，具有客运量大、行车密度高等特点，对轨道结构的安全、可靠性以及舒适、低噪声、长寿命、少维修提出了更高的要求，为此它的轨道结构必须采用无缝线路。l l 上海市明珠线是我国第一条城市轨道交通高架线路，铺设无缝线路需要解决多项科研课题，如钢轨类型的选择，桥梁与无缝线路结构的互制、桥上小半径曲线区段无缝线路的稳定性、

7、桥上大坡道地段无缝线路的锁定、高架车站无缝线路与道岔的连接等。l 高架线路采用了新型轨道结构：设计了超长无缝线路(最长约5km)、无碴无枕承轨台、小阻力弹性扣件(是专为明珠线设计的新型扣件)；部分地面线采用整体道床无缝线路，在无缝线路上铺设了钢轨伸缩调节器。l l二二.钢轨类型选择钢轨类型选择l 地铁设计规范（GB 50157)规定，地铁正线及辅助线采用50kg/m以上的钢轨。上海市轨道交通明珠工程建设指挥部主持明珠线轨道结构方案论证时，意识到城市轨道交通的轨道结构类型选择应从城市轨道交通的运输特点和运输环境考虑，全面满足安全、舒适、耐久性和城市环境等等的综合要求，为此要求进一步深入研究。 （

8、一）断面类型选择（一）断面类型选择 明珠线钢轨类型的选用，应保证轨道具有良好的动力响应特性和更大的稳定性。可供选择的钢轨类型有： 次重型CHN50型钢轨 重型CHN60型钢轨 1.使用寿命使用寿命 轨道结构有别于其它建筑结构，它直接承受随机重复荷载，决定它的安全使用寿命并非一次性荷载作用下的抗弯强度，而是疲劳伤损和磨耗。 2002年铁道部颁布的铁路线路设备大修规则对我国钢轨使用周期作出了规定。 表11 CHN50型钢轨与CHN60型钢轨无缝线路使用周期的对比规则规定运营实际CHN50型500Mt450MtCHN60型700Mt800Mt1.27倍1.78倍l 但是，规则关于关于钢轨使用周期的规

9、定是基于直线及大半径曲线，其钢轨使用寿命是由疲劳伤损决定的，而上海市明珠线约占线路总长15%是在半径小于600m的曲线上，因而必须考虑曲线上股钢轨侧磨和下股钢轨压溃对使用寿命的影响。对此，铁道部对各地重型钢轨在小半径曲线上的磨耗情况进行了调查。l 表12 钢轨磨耗速率与曲线半径的关系0 00.050.050.10.10.150.150.20.2300300500500700700900900CHN60CHN60CHN50CHN502.安全可靠性安全可靠性 两种轨型使用的安全可靠性，可从强度和稳定性两个方面作比较。两种轨型的机械强度，可根据铁道部标准钢轨焊接接头技术条件（TB/T1632)规定的

10、焊接接头检验值加以比较，其中最主要的机械性能指标静弯破断荷载和疲劳荷载，CHN60型较CHN50型钢轨分别增大22%-27%和37%-45%，只要对塑性初始弯曲和长波长初始弯曲加以控制，CHN60型与CHN50型钢轨无缝线路的稳定性允许升温相近，则综合考虑无缝线路的强度和稳定性，合理设计中和温度， CHN60型较CHN50型钢轨无缝线路的安全可靠性有所提高。根据北京地铁公司实际调查统计， CHN60型较CHN50型钢轨无缝线路焊接接头的折减率减少90.6%。 （二（二）钢轨材质钢轨材质 在相同线路、相同车辆类型条件下，为减小轮轨磨耗，除要求钢轨踏面与车轮踏面几何匹配外还要求两者材质的硬度匹配。

11、一般要求钢轨踏面为车轮踏面硬度的1.1-1.2倍。 根据铁道部铁路用辗钢整体车轮（GB 8601)和国际铁路联盟机车和车辆用非合金钢轧制整体车轮供货技术条件（UCI812-3)的有关规定，车轮距踏面下30mm处，三点的平均硬度值255HBW10/3000-285HBW10/3000,故钢轨踏面的合理硬度应为280HBW10/3000-320HBW10/3000。 可供选用的钢轨： 全长热轧轨 U71Mn全长猝火轨3PDl 因城市轨道交通的基地焊接钢轨长度一般为125250米，铺设无缝线路时，相当数量的钢轨接头要在工地完成焊接，采用全长猝火轨施焊后需进行二次猝火，而在工地只能采用火焰猝火，其质量

12、稳定性很难控制。采用合适的热轧轨，则可避免上述施工中的麻烦。l 因此，在城市轨道交通使用车辆车轮踏面平均硬度为255HBW10/3000-285HBW10/3000的前提下，建议采用轨头平均硬度为280HBW10/3000-320HBW10/3000的 热轧轨。上海明珠线的运营实践证明，这一选择是正确的。3PDl 城市轨道交通受既有建筑物和地下管线的限制，小半径曲线的数量较多，又由于跨越街道、铁路或高架结构的需要，线路坡度较陡。我国已建城市轨道交通采用交流变压、变频传动的车辆，线路设计最小曲线半径R=300m，个别情况R=250m，最大线路坡度i=30，个别情况i=33。l 高温下，小半径曲线

13、和大坡道地段，无缝线路受温度压力作用而产生弯曲变形（简称压弯变形）。城市轨道交通大量采用无渣轨下基础，虽然无碴轨下基础下的无缝线路因压弯变形而失稳的可能性不大，但大量的压弯变形不仅影响列车运行的平稳性，而且积累压弯变形超限，同样威胁行车安全。压弯变形量的影响因素：压弯变形量的影响因素：（1）温度压力）温度压力 在线路条件、轨道结构标准一定的情况下，无缝线路压弯变形量的大小取决与温度压力的大小，因而中和温度设计应该合理。（2）线路平剖面）线路平剖面 观测证明，高温下，直线、平坡地段，无缝线路同样同样产生压弯变形，但在曲线、坡道地段，无缝线路压弯变形更为集中。（3）轨道施工质量）轨道施工质量 混凝

14、土道床的灌注、扣件的安装和长轨条的焊铺不可避免地出现轨向的偏差，因而在无碴轨下基础上的无缝线路存在初始弯曲，在温度压力作用下进一步扩大弯曲变形。（4）扣件横向抗力）扣件横向抗力 无碴轨下基础上的无缝线路通常使用无挡肩扣件，为保证运营安全，要求扣件必须具有足够的横向抗力，使之控制压弯变形不超限。对此应予以重视。 在长大坡道上铺设无缝线路，是城市轨道交通的轨道结构设计又一技术难题。国外有关轨道爬行及其防止方面的理论是研究大坡道上铺设无缝线路的理论基础，通过试验测定大坡道上轨道防爬锁定的扣件阻力限定值，从而制定大坡道地段无缝线路的防爬锁定措施，监控无缝线路纵向力分布的不均。 1.轨道爬行机理轨道爬行

15、机理 轨道爬行的主要原因：在列车轮重的作用下，轨道挠曲起伏而纵向位移，坡道地段还有列车制动附加纵向力作用。此外，在曲线地段，钢轨上还作用轮轨滑动引起的摩擦力，但这一影响较小，可略去不记。 关于轨道爬行机理的两种理论：动进波理论（英国）动进波理论（英国）蛇形起伏理论（俄国）蛇形起伏理论（俄国） 在列车轴重、行车方向和密度一定的情况下，轨道竖向挠度、扣件扣压力和轨下基础的弹性模量是决定轨道爬行的主要参变量。 大坡道上无缝线路设计，根据轨道爬行及其防止方面的理论和试验结果，采取以下防爬锁定措施：l轨条布置轨条布置l 尽可能延长无缝线路的轨条长度，使列车运行时长轨条保持“前挡、后拽”状态，并使计算轨条

16、范围内扣件的平均阻力达到防爬限定值。l支承块间距设计支承块间距设计 支承块布置间距减小，可使列车通过时钢轨挠度减小，并增大单位长度的扣件纵向阻力，必要时可采取这一措施。 l扣件布置扣件布置l 城市轨道交通的高架桥，往往是不同跨度，不同梁型混合布置，小跨度、矮墩桥梁所受无缝线路的纵向力的量值较小，地面线路更可增大扣件的纵向阻力，因而宜充分利用小跨度、矮墩的桥梁和地面线路作为无缝线路的锁定区段。3.纵向力分布不均的监控纵向力分布不均的监控 运营实践证明，大坡道地段的钢轨扣件阻力若达到限定值，无缝线路的爬行量能够减小，因而可以避免纵向力分布的显著不均。但设计应考虑到运营过程可能出现的疏忽、扣件养护未

17、达到规定的要求、线路产生明显的爬行，为此，必须设置监控措施。l应力测定监控应力测定监控l 在纵坡的变坡点及其附近，在大坡道及其反向坡道上，每隔2550米设置纵向应力观测点，采用KS646轴应力测定仪或VERSE纵向力测定仪，定期测定纵向应力的变化。l位移测定监控位移测定监控 每隔50100米设置纵向位移观测标志，用纵向位移观测仪定期测定纵向位移。 城市轨道交通高架线的车站设计，应重视防止振动和噪声的污染。虽然列车进站运行速度减缓，但对轨道的减振降噪要求丝毫不应降低，因为每日大量客流过往，站务人员长时间工作需要宁静环境。 为减小振动和噪声，轨道梁与站台、站房梁应采取隔离，防止激振，站内不同梁型衔接处的轨道应采取必要的刚度过渡措施，尤为重要的是优化轨道结构，改善它的平顺性，消除轮轨间的稳态噪声。l 建议采用的道岔与区间无缝线路的连接方案：（1）设置伸缩调节器）设置伸缩调节器 通常城市轨道交通的站内左右线仅各设一组道岔，因而