《铁道工程》轨道结构

铁道工程

RailwayEngineering石家庄铁道大学道路与铁道工程教研室2011.9.1主讲教师：王天亮电话Q：1721823802E-mail：wangtl@1第一章轨道结构TrackStructure2反反复复3轨道结构组成功能---引导、承受、传递性能要求---坚固稳定、几何形位、安全4第一节钢轨钢轨的功能及基本要求钢轨的长度及接头钢轨伤损5一、钢轨功能为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，引导机车车辆前进；直接承受车轮的巨大压力，并分布传递到轨枕；在电气化铁道或自动闭塞区段，还兼做轨道电路之用6钢轨的基本要求：足够的强度和耐磨性较高的抗疲劳强度和冲击韧性足够光滑又有一定粗糙度的顶面较强的抗不均匀磨耗性能和硬度的均匀性良好的可焊性良好的道岔机加工性能化学成分便于进行热处理高速铁路钢轨的高平直度7钢轨的型号75、60、50、43kg/m钢轨断面尺寸采用工字型断面，由轨头、轨腰、轨底组成。钢轨设计钢轨头部设计钢轨腰部设计钢轨底部设计钢轨断面的四个主要参数：钢轨的头部顶面宽度（b）轨腰厚度（t）钢轨高度（H）轨底宽度（B）8钢轨断面尺寸9钢轨的材质与机械性能化学成分物理力学性能金属组织热处理工艺碳、锰、硅、硫、磷强度极限、屈服极限、疲劳极限、伸长率、断面收缩率、冲击韧性及硬度等钢轨重型化、提高钢轨韧性、纯净化10钢轨轨缝预留轨缝：目的：适应应钢轨热胀胀冷缩钢轨的长度度：12.5m和25m需满足条件件当轨温达到到当地最高高轨温时，，轨缝应大大于或等于于零，使轨轨端不受挤挤压力，以以防胀轨跑跑道。当轨温达到到当地最低低轨温时，，轨缝应小小于或等于于构造轨缝缝，以防接接头螺栓拉拉弯或拉断断。构造轨缝指受钢轨、、接头夹板板及螺栓尺尺寸限制，，在构造上上能实现的的轨端最大大缝隙值。。11钢轨接头定义-轨道道上钢轨与与钢轨之间间用夹板和和螺栓连接接悬空式、承承垫式；相相对式、相相错式；普普通接头、、异形接头头、绝缘接接头等。见p23图图1-3。。12钢轨的伤损损钢轨伤损概概念指钢轨在使使用过程中中，发生折折断、裂纹纹及其它影影响和限制制钢轨使用用性能的伤伤损钢轨伤损分分类依据伤损在钢轨轨断面上的的位置、伤伤损外貌及及伤损原因因编号九类32种种用两位数表表示，十位位数表示伤伤损的部位位和状态，，个位数表表示造成伤伤损的原因因。13钢轨的折断断钢轨全断面面至少断成成两部分裂缝贯通轨轨头或轨底底<160km/h，，钢轨顶面面上有L>50mm,H>10mm的的掉块。>160km/h，，钢轨顶面面上有L>30mm,H>5mm的掉掉块。钢轨轨裂裂纹纹除了了上上述述情情况况外外，，钢钢轨轨部部分分材材料料发发生生分分离离，，形形成成裂裂纹纹。。14钢轨轨磨磨耗耗侧面面磨磨耗耗波形形磨磨耗耗钢轨轨接接触触疲疲劳劳伤伤损损钢轨轨踏踏面面外外形形变变化化轨头头表表面面金金属属破破坏坏接触触疲疲劳劳形形成成15轨头头核核伤伤---最最危危险险，，突突然然断断裂裂内因因---内内部部材材质质缺缺陷陷外因因---外外部部荷荷载载内因因在在外外因因的的作作用用下下，，轨轨头头内内部部裂裂纹纹形形成成核核，，然然后后向向轨轨头头四四周周发发展展，，猝猝然然断断裂裂。。16减缓缓钢钢轨轨伤伤损损的的措措施施：净化化轨轨钢钢，，控控制制杂杂物物的的形形态态采用用淬淬火火钢钢轨轨，，发发展展优优质质重重轨轨，，改改进进轨轨钢钢力力学学性性质质改革革旧旧轨轨再再用用制制度度，，合合理理使使用用钢钢轨轨钢轨轨打打磨磨按轨轨钢钢材材质质分分类类铺铺轨轨17第二二节节轨轨枕枕轨枕枕的的功功用用及及类类型型木枕枕混凝凝土土枕枕轨枕枕间间距距特种种混混凝凝土土轨轨枕枕18二、、轨轨枕枕轨枕枕的的功功能能承受受来来自自钢钢轨轨的的各各向向压压力力，，并并弹弹性性地地传传布布于于道道床床有效效地地保保持持轨轨道道的的几几何何形形位位，，特特别别是是轨轨距距和和方方向向。。对轨轨枕枕的的要要求求具有有必必要要的的坚坚固固性性、、弹弹性性和和耐耐久久性性，，并并能能便便于于固固定定钢钢轨轨具有抵抗纵向向和横向位移移的能力19轨枕的分类构造及铺设方方法构造及铺铺设方法横向轨枕纵向轨枕短枕使用部位普通轨枕岔枕桥枕材质木枕混凝土枕钢枕20木枕优点易加工、运输输、铺设、养养护维修弹性好，可缓缓冲列车的动动力冲击作用用与钢轨联结较较简单良好的绝缘性性缺点消耗大量优质质木材，价格格较高易腐蚀、磨损损，使用寿命命短强度、弹性不不均21混凝土枕优点纵、横向阻力力较大自重大、刚度度大，轨底挠挠度较平顺，，动力坡度小小高弹性垫层保保证轨道弹性性均匀使用寿命长，，降低养修费费用节约木材缺点不平顺处，轨轨道附加动力力增大，对轨下部件的的弹性要求更更高22轨枕的设计方方法中间不支承、、中间部分支支承、全支承承原则：轨枕的的受力特点截面形状：两两侧梯形，中中间矩形，上上窄下宽轨枕长度：以以轨下截面正正弯矩与轨中中截面负弯矩矩保持一定的的比例。2.3~2.7m轨枕高度：轨轨下高些，轨轨中矮些。配筋预应力形形成有利的偏偏心距。23有挡肩2.6m长Ⅲ型混混凝土轨枕24PC枕的分类类分类I型：包括弦弦15B、弦弦61A、弦弦65B、69型、79型、S-1型和J-1型II型：包括括S-2型、、J-2型、、YⅡ-F型、TKG-Ⅱ型等III型：新新研制的与75kg/m钢轨配套的的混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型、、Ⅲ型。（强强度逐渐加强强）Ⅰ型、Ⅱ型长长度2.5m，Ⅲ型2.6m（有档档肩、无档肩肩两种）2526不同类型混凝凝土枕27III型混凝凝土枕的特点点：结构合理，强强化了轨道结结构（长度、、枕下面积17%、端侧侧面积20%、轨枕质量量均增加31%）增大了轨下和和中间截面的的设计承载力力43%和65%，提高高了轨枕的强强度。采用无螺栓扣扣件，减少养养护维修工作作量28轨枕间距轨枕间距运量行车速度线路设备条件钢轨道床每公里的轨枕根数29轨枕密一些，，道床、路基基面、钢轨以以及轨枕本身身受力都可小小一些。同时时，使轨距、、方向易于保保持，对行车车速度高的地地段尤为重要要。太密则不经济济，而且净距距过小，也会会影响捣固质质量（Ⅲ型轨轨枕枕间距0.6m，客客运专线无碴碴轨道0.625~0.650m））。30混凝土枕的铺铺设数量及布布置轨枕级差为每每公里80根根，正线铺设设见表1-16下列地段应增增加轨枕的铺铺设数量：半径R≤800m的曲线线地段（含两两端缓和曲线线）；坡度大于12‰的下坡地地段；长度等于或大大于300m且铺设木枕枕的隧道内。。轨道加强地段段每千米增加加的轨枕数量量和最多铺设设根数应符合合表1-8。。31轨枕数量的计计算钢轨接头处，，轨枕间距比比中间小，并并向中间间距距过渡，以适适应荷载的变变化。见图1-8.a>b>cnL32混凝土宽轨枕枕荷载位于宽枕枕轴线位置，，避免了偏心心宽度大，纵横横向上都有弯弯矩33其它轨枕-弹弹性轨枕34梯式轨枕35框架式轨枕36德国B系列轨轨枕37法国双块式轨轨枕38第三节联结结零件钢轨接头联结结零件钢轨与轨枕联联结零件39三、联结零零件定义：连接钢钢轨或连接钢钢轨和轨枕的的部件。分类：钢轨接接头联结零件件、中间联结结零件（扣件件）。作用：保证钢轨间、、钢轨与轨枕枕间的可靠连连接；保持钢轨的连连续性和整体体性；减震性能；；阻止钢轨纵横横向移动，确确保几何形位位。40钢轨接头联结结零件钢轨接头：轨轨道上钢轨与与钢轨之间用用夹板和螺栓栓连接。接头头处轮轨动力力作用大，养养护维修工作作量大，是轨轨道结构的薄弱环节之一一。形式：接头的联结形形式按其相对对于轨枕位置置，可分为悬悬空式和承垫垫式两种。按两股钢轨接接头相互位置置来分，可分分为相对式和和相错式两种种。我国一般采用用相对悬空式式，即两股钢钢轨接头左右右对齐，同时时位于两接头头轨枕间。41组成：接头夹夹板、螺栓、、弹簧垫圈接头夹板---承受弯矩矩、传递纵向向力、阻止钢钢轨伸缩。双头夹板---竖直荷载载作用下，具具有较大的抵抵抗挠曲和横横向位移的能能力。见下图图。螺栓、螺母、、弹簧垫圈---夹紧夹夹板和钢轨，，防止螺栓松松动。4243联结零件实物物图444546钢轨与轨枕联联结零件（扣扣件）作用保持钢轨与轨轨枕可靠联结结阻止钢轨相对对于轨枕的移移动缓冲减震性能能，延缓轨道道残余变形积积累要求足够的强度、、耐久性、弹弹性构造简单，便便于安装、拆拆卸零部件精度高高、可靠性好好较大的调高能能力和调距能能力绝缘性能47分类：按扣压件区分分：刚性和弹弹性之分；按承轨槽区分分：有挡肩和和无挡肩之分分；按轨枕区分：：有木枕扣件件和混凝土枕枕扣件之分；；按轨枕、垫板板及扣压件的的联结方式区区分：不分开开式和分开式式之分；48木枕扣件分开式扣件---4个螺螺纹道钉、T形螺栓。零件多，用钢钢量大，钢轨轨更换麻烦。。混合式扣件---道钉、、五孔双肩铁铁垫板。钢轨受荷后翘翘起易将道钉钉拔起，影响响扣压力。49混凝土枕扣件件应具备的性能能足够的扣压力力适当的弹性性尽可能大的的轨距和水水平调整量量绝缘性能50混凝土枕扣扣件类型弹条Ⅰ型扣扣件（由ω形弹弹条、螺旋旋道钉、轨轨距挡板、、挡板座及及弹性橡胶胶垫板等组组成,50\60）弹条Ⅱ型扣扣件（有螺栓，，需靠扭力力扳手上紧紧,60））W型→Ⅰ型型：材质差差些，W→→高出不多多（最早德德国）Ⅱ型材质好好些，两端端高出较多多。弹条Ⅲ型扣扣件（无螺栓无无挡肩扣件件。由弹条条、预埋铁铁座，绝缘缘轨距块和和橡胶垫板板组成）51弹条Ⅲ型弹条Ⅰ型52无砟轨道弹弹性分开式式扣件无砟轨道扣扣件

WJ-2型WJ-7型型

WJ-8型53国外有砟轨轨道扣件日本102型扣件件弹性不分开开式有挡肩有螺栓扣压压高低调整10mm轨距无级调调整扣压力5kN弹程12mm静刚度60kN/mm54国外有砟轨轨道扣件英国PANDROLe系系列扣件弹性不分开开式无挡肩无螺栓扣压压高低不调整整轨距有级调调整-8～～+4mm扣压力11kN弹程13mm静刚度：80～100kN/mm55国外有砟轨轨道扣件英国PANDROLFASTCLIP扣扣件弹性不分开开式无挡肩无螺栓扣压压56国外有砟轨轨道扣件德国VOSSLOHW14型扣件件弹性不分开开式有挡肩有螺栓扣压压高低调整10mm轨距有级调调整-8～+4mm扣压力10kN弹弹程13mm静刚度50～70kN/mm57国外有砟轨轨道扣件法国NABLA扣扣件弹性不分开开式有挡肩有螺栓扣压压高低调整10mm轨距有级调调整-8～～+4mm扣压力11kN弹程9mm静刚度70kN/mm58国外无砟轨轨道扣件日本直结结4型弹性不分开开式有挡肩无铁垫板有螺栓扣压压59德国VOSSLOH336型弹性分开式式无挡肩带铁垫板有螺栓扣压压扣压力12kN60英国PANDROLFAST弹性分开式式无挡挡肩带带铁垫板无无螺栓扣扣压高高低不调整整61实际中的一一些扣件图图片626364第四节有有砟道道床道床的功功能及对对材质的的要求道床断面面道床的变变形65四、有砟砟道道床66有砟道床床的功能能承受来自自轨枕的的压力并并均匀地地传递到到路基面面上，使使之不超超过路基基面的容容许应力力；提供轨道道的纵横横向阻力力，保持持轨道的的稳定；；提供轨道道弹性，，减缓和和吸收轮轮轨的冲冲击和振振动；提供良好好的排水水性能，，以提高高路基的的承载能能力及减减少基床床病害；；便于轨道道养护维维修作业业，校正正线路的的平纵断断面。67道砟应具具备的性性能质地坚韧韧，有弹弹性，不不易压碎碎和捣碎碎排水性能能好，吸吸水性差差不易风化化，不易易被风吹吹动或被被水冲走走道砟的分分级指标标抗磨耗、、抗冲击击性能抗压碎性性能渗水性能能抗大气腐腐蚀性能能稳定性能能软弱颗粒粒含量68材质：碎碎石、天天然级配配卵石、、筛选卵卵石、粗粗砂、中中砂及熔熔炉矿砟砟等；；分级：一一级、二二级，京京沪特级级；级配粒径：25～70mm(一般般)，粒粒径越小小，强度度、排水水差；接触面积积大，吸吸收动能能能力强强高速铁路路：25～50mm。。见图1-19和和1-20.形状：正正方形最最好，长长方形次次之，片片状最差差。69有砟道床床断面70道床几何何尺寸道床厚度度：直线或曲曲线内轨轨中轴线线下轨枕枕底面至至路基面面30～50cm，曲线线上应量量测里股股（外侧侧有堆高高）。秦沈线一一般30cm，，路基面面有级配配碎石。。胶新线有有的铺有有底碴（（沙石））－部分分地段道道碴厚度度不足。。非渗水土土路基的的道床厚厚度不小小于30cm。。岩石、渗渗水土路路基的道道碴厚度度不小于于35cm。顶面宽度度：与轨枕长长度和道床肩宽宽有关一般25～30cm无缝线路路≥45cm（（堆高15cm，增大大阻力，，稳定。。）边坡坡度度：1:1.5或1:1.7571有砟道床床的变形形72第五节无无砟轨轨道整体道床床板式轨道道轨枕埋入入式轨道道轨枕支承承式轨道道73概念是一种在在坚实基基底上直直接浇筑筑混凝土土以取代代传统道道碴层的的轨下基基础。应用于铁路隧道道地地下铁道道无砟桥梁梁上城城市轨轨道交通通有特殊需需要、基基础又经经过适当当处理的的土质路路基上常见见类类型型板式式轨轨道道、、双双块块式式轨轨道道、、长长枕枕埋埋入入式式轨轨道道、、弹弹性性支支承承轨轨道道等等结结构构型型式式。。74优点点：：整体体性性强强，，轨轨道道几几何何形形位位易易于于保保持持，，稳稳定定性性好好；；轨道道变变形形很很小小，，发发展展较较慢慢，，有有利利于于铺铺设设无无缝缝线线路路及及高高速速行行车车；；减少少养养护护维维修修工工作作量量，，改改善善劳劳动动工工作作条条件件减少少隧隧道道的的开开挖挖面面积积，，增增加加隧隧道道或或桥桥梁梁净净空空（（减减轻轻重重量量））外观观整整洁洁美美观观，，坚坚固固耐耐久久。。缺点点：：整体体道道床床工工程程投投资资费费用用高高要求求较较高高的的施施工工精精度度和和特特殊殊的的施施工工方方法法对扣扣件件和和垫垫层层也也有有特特殊殊要要求求在运运营营过过程程中中，，一一旦旦出出现现病病害害，，整整治治非非常常困困难难振动动噪噪声声大大。。75无砟砟轨轨道道分分类类76A型型轨轨道道板板7778防震震G型型79优点点采用用后后张张法法，，避避免免了了先先张张法法的的预预应应力力自自由由锚锚固固区区，，减减小小了了板板的的宽宽度度，，降降低低了了轨轨道道结结构构自自重重。。单元元式式轨轨道道板板，，便便于于维维护护。。充填填式式垫垫板板解解决决了了轨轨道道高高低低调调整整及及轨轨道道板板翘翘曲曲引引起起的的变变形形。。生产产、、铺铺设设方方法法简简单单、、可可靠靠。。缺点点：：轨道道板板变变形形后后只只能能靠靠充充填填垫垫板板调调整整。。凸形挡挡台处处砂浆浆容易易破坏坏。轨道板板易产产生翘翘曲变变形。。相对于于德国国雷达达轨道道，其其造价价较高高。80CA砂砂浆CA砂砂浆具具有足足够的的支承承荷载载的强强度，，也具具有一一定的的弹性性，且且成本本不太太高。。水泥泥砂浆浆虽然然有一一定的的强度度和耐耐久性性，但但弹性性差，，而乳乳化沥沥青虽虽富于于弹性性，但但强度度和耐耐久性性差，，将两两者结结合起起来成成为CA砂砂浆，，通过过调整整配合合比例例，可可得到到所需需要的的强度度和弹弹性。。CA砂桨桨由水水泥、、沥青青乳剂剂、细细砂、、膨胀胀剂和和速凝凝剂等等组成成。81铺设好好的板板式轨轨道82全突起起半半突突起（（排水水）83博格板板式轨轨道优点Bögl板板式轨轨道吸吸收了了日本本板式式轨道道使用用的预预制轨轨道板板，制制作和和施工工方便便快捷捷的优优点；；同时吸吸收了了轨枕枕埋入入式轨轨道结结构整整体性性好的的优点点，改改善了了单块块轨道道板板板端翘翘曲的的问题题。与日本本板式式轨道道不同同，Bögl板板式轨轨道中中的沥沥青-水泥泥-砂砂浆调调整层层为半半刚性性材料料。日日本板板式轨轨道中中的CA砂砂浆可可视为为弹性性材料料。缺点曲线上上每块块板的的承轨轨槽打打磨加加工不不同，，在实实际施施工线线位上上是唯唯一的的定位位板，，施工工不灵灵活，，通用用性差差。轨道维维修时时需切切割进进行。。造价相相对较较高。。84博格轨轨道结结构8586长枕埋埋入式式87长枕埋埋入式式轨道道施工工88Rheda轨道道的优优化过过程89优点施工工工艺，，利于于掌握握；预制件的的生产经经验及生生产设备备利于掌掌握由于采用用单根枕枕，平整整度利于于保证，，避免了了板式轨轨道需模模型精细细加工或或车床加加工等工工序；预制件较较小，运运输吊装装方便；；轨道基本本为混凝凝土构筑筑，耐久久性保证证概率高高。缺点新老混凝凝土结合合面易产产生裂纹纹，裂纹纹控制较较困难；；轨道结构构宽度较较板式轨轨道宽，，自重大大；现场混凝凝土施工工量大；；轨道结构构一旦发发生变形形，维修修困难，，可维修修性低；；90铺设中的的Rheda200091铺设中的的Rheda200092Züblin（（旭普林林）型无无砟轨道道德国无砟砟轨道之之二：Züblin（（旭普林林）型无无砟轨道道于1974年年开发。。与Rheda2000型无无砟轨道道结构形形式基本本相同，，主要差差异是在在施工方方式上。。Züblin的的施工方方式是在在现场混混凝土道道床板浇浇筑以后后，通过过振动方方式将轨轨枕“振振入”到到新鲜的的混凝土土中，使使轨枕和和道床板板成为一一个整体体结构。。此时的的混凝土土必须具具有一定定的密度度，以确确保只能能将轨枕枕“振入””其中，而而不允许许轨枕靠靠重力““沉入””其中。。研发初衷衷：寻求求一种高高度机械械化的施施工方法法，以解解决Rheda型轨枕枕埋入式式无砟轨轨道传统统手工施施工带来来的进度度慢、成成本高的的问题。。93优点结构整体体性强；；轨枕采用用振动方方式压入入混凝土土中，避避免了灌灌注过程程中的振振捣不密密实，加加强了新新老混凝凝土的结结合面的的连接；；采用特殊殊的钢构构架组装装成段轨轨排，避避免了钢钢轨变形形等引起起轨道位位置偏移移；所有机械械及机具具均特殊殊加工，，定位功功能强，，刚度大大，减低低外力干干扰，利利于质