铁道概论5无缝线路课件

第五章无缝线路第一节概述1.无缝线路概念

2．无缝线路涉及主要问题1）接头焊接质量问题；2）长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定；3）无缝线路设计4）长轨运输5）铺设施工6）养护维修等3．无缝线路的基本特点及分类

(1)特点与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了轨缝，从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。

(2）分类

1)无缝线路根据处理钢轨内部温度应力方式的不同，可分为温度应力式和放散温度应力式两种类型。

温度应力式无缝线路是由一根焊接长钢轨及其两端2～4根标准轨组成，并采用普通接头的形式。放散温度应力式无缝线路，又分为自动放散式和定期放散式两种，适用于年轨温差较大的地区。采用伸缩接头的放散温度应力式无缝线路2)无缝线路根据钢轨铺设长度划分为：普通无缝线路全区间无缝线路跨区间无缝线路第二节无缝线路纵向受力分析线路阻力纵向阻力横向阻力竖向阻力接头阻力扣件阻力道床纵向阻力道床横向阻力轨道框架水平刚度道床竖向阻力轨道框架垂直刚度式中P——一枚螺栓拧紧后的拉力(kN)；

α——夹板接触面的倾角，tanα＝i；i为轨底顶面接触面斜率，50、75kg/m钢轨：i

＝1/4；43、60kg/m钢轨：i

＝1/3。当钢轨发生位移时，夹板与钢轨接触面之间将产生摩阻力F，F将阻止钢轨的位移。

一枚螺栓对应有四个接触面，其上所产生的摩阻力之和S为：因为接头一端有三枚螺栓，因此接头阻力PH为：钢的摩擦系数一般为0.25，而f=tanφ，则有φ＝arctan0.25；又有α＝arctani。相应值代入得到：70、50kg/m钢轨：S＝1.03P；60、43kg/m钢轨：S＝0.90P。

由以上分析表明：一枚螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力。接头阻力的表达式，可写成：PH=n·P

接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有关。在其他条件均相同的情况下，螺栓的拧紧程度就是保持接头阻力的关键。扭力矩T与螺栓拉力P的关系可用经验公式表示：T=K·D·P式中T——拧紧螺帽时的扭力矩(N·m)；

K——扭矩系数，K＝0.18～0.24；

P——螺栓拉力(kN)；

D——螺栓直径(mm)

。

列车通过钢轨接头时产生的振动，会使扭力矩下降，接头阻力值降低。据国内外资料，可降低到静力测定值的40％～50％。所以，定期检查扭力矩，重新拧紧螺帽，保证接头阻力值在长期运营过程中保持不变，是一项十分重要的措施。修理规则规定无缝线路钢轨接头必须采用10.9级螺栓，扭矩应保持在700～900N·m。表8—1所示为计算时采用的接头阻力值。2．扣件阻力中间扣件和防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面纵向位移的阻力，称扣件阻力。为了防止钢轨爬行，要求扣件阻力必须大于道床纵向阻力。扣件阻力是由钢轨与轨枕垫板面之间的摩阻力和扣压件与轨底扣着面之间的摩阻力所组成。摩阻力的大小、取决于扣件扣压力和摩擦系数的大小。一组扣件的阻力F为：F=2(μ1+μ2)P

。

扣件摩阻力F的表达式为：

实测资料指出，在一定的扭矩下，扣件阻力随钢轨位移的增加而增大。当钢轨位移达到某一定值之后，钢轨产生滑移，阻力不再增加。垫板压缩和扣件局部磨损，将导致扣件阻力下降，通常垫板的压缩与扣件的磨损按1mm估计。此外，列车通过时的振动，会使螺帽松动，扭矩下降，导致扣件阻力下降。为此规定：扣板扣件扭矩应保持在80～120N·m；弹条扣件为100～150N·m。

注意：只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵向移动的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻力确定。可以看出：道床纵向阻力值随位移的增大而增加，当位移达到一定值之后，轨枕盒内的道碴颗粒之间的结合被破坏，在此情况下，即使位移再增加，阻道床纵向阻力与位移之间的关系力也不再增大；在正常轨道条件下，钢筋混凝土轨枕位移小于2mm，木枕位移小于1mm，道床纵向阻力呈斜线增长，钢筋混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木枕轨道。在无缝线路设计中，采用轨枕位移为2mm时相应的道床纵向阻力值，见表8—3。

如果钢轨两端完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度应力。根据虎克定律，温度应力σt为：式中E——钢的弹性模量，E＝2.1×l05MPa；将E

、α之值代入上式，则温度应力为：

(MPa)

一根钢轨所受的温度力Pt为：(N)

以上为无缝线路温度应力和温度力计算的基本公式。由此可得知：

1．在两端固定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨温变化幅度有关，而与钢轨本身长度无关。因此，从理论上讲，钢轨可焊成任意长，且对轨内温度力没有影响。控制温度力大小的关键是如何控制轨温化幅度。2．对于不同类型的钢轨，同一轨温变化幅度产生的温度力大小不同。对于75、60、50kg/m钢轨，如轨温变化1℃所产生的温度力分别为23.6、19.2、16.3kN。

3．无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度，轨长有关，与钢轨断面积无关。

为降低长轨条内的温度力，需选择一个适宜的锁定轨温，又称零应力状态的轨温。在铺无缝线路中，将长轨条始终端落槽就位时的平均轨温称为施工锁定轨温。施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围之内。锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，因此根据强度、稳定条件确定锁定轨温是无缝线路设计的主要内容。

7．温度力图面积与钢轨伸缩量

1)温度力图面积与被约束伸缩量任何温度力图都是对应于一定的Δt。现在任取一段钢轨的温度力图进行分析，如图所示。此处温度力图为曲线，代表了道床纵向阻力梯度取为变量的更一般的情况。由于受有纵向力，则该段钢轨L必存在有受到约束的，或说未能实现的伸缩量ΔLr

。

而对于单位长度的钢轨来说，必然存在相应的受到约束而未能实现的应变εt(x)。对于长度为dx的钢轨，其受约束的伸缩量应为εt(x)dx，因此，该L段钢轨被约束的总伸缩量为：文字表述：

L段钢轨被约束的伸缩量等于该段钢轨温度力图面积除以EF。2）标准温度力图面积与全约束伸缩量如一段钢轨自其被钡定之后未曾产生过任何伸缩位移，则其温度力图为矩形，如图所示：此时，该L段钢轨被约束的总伸缩量为ΔLt，即：

全约束伸缩量ΔLt的意思是：该段钢轨自锁定后，被完全约束住，未产生任何伸缩变形，在温度变化幅度为Δt时的伸缩量，它仅是Δt的函数。温度力为：相应的应变为：3）温度力图面积差及实现的伸缩量

任何一段钢轨的两个温度力图面积差都反映了该段钢轨在两种工况下被约束伸缩量的变化量，亦即实现了的伸缩量。冬季断轨时的温度力图

三、温度力图

温度力沿长钢轨的纵向分布，常用温度力图来表示，温度力图实质是钢轨内力图。温度力图的横坐标轴表示钢轨长度，纵坐标轴表示钢轨的温度力(拉力为正，压力为负)。钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持平衡是温度力纵向分布的基本条件。一根焊接长钢轨沿其纵向的温度力分布并不是均匀的，它不仅与阻力和轨温变化幅度等因素有关，而且还与轨温变化的过程有关。

(一)约束条件

1．接头阻力的约束为简化计算，通常假定接头阻力PH为常量。无缝线路长轨条锁定后，当轨温发生变化，由于有接头的约束，长轨条不产生伸缩，只在钢轨全长范围内产生温度力，这时有多大温度力作用于接头上，接头就提供相等的阻力与之平衡。当温度力大于接头阻力时，钢轨才能开始伸缩。因此在克服接头阻力阶段，温度力的大小等于接头阻力，即：Pt=2.5ΔtH·F=PH(N)Pt=2.5ΔtH·F=PH(N)

则：式中ΔtH——接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度(℃)；

PH——接头阻力(N)；

F——钢轨断面面积(mm2)。例如：60kg/m钢轨，F=77.45cm2、PH=490kN(接头扭矩T=800N·m)。则：(℃)2．道床纵向阻力的约束接头阻力被克服后，当轨温继续变化时，道床纵向阻力开始阻止钢轨伸缩。但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的位移阻力，随着轨枕位移的根数的增加，相应的阻力也增加。为计算方便，常将单根轨枕的阻力R换算为钢轨单位长度上的阻力r，并取为常量，由上述特征可见，道床纵向阻力是以阻力梯度的形式分布。故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量伸缩，钢轨内部分温度力以位移的形式得到部

分放散，因而发生位移的钢轨各截面的温度力并不相等，以斜率分布。

(二)基本温度力图无缝线路锁定以后，轨温单向变化时，温度力沿钢轨纵向分布的规律，称为基本温度力图。现以降温为例说明。当轨温t等于锁定轨温t0时，钢轨内部无温度力，即Pt=0，如下图中A－A′线。AA′lPt1．当Δt=t0-t

＜ΔtH时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt=2.5FΔt。AA′lPt1．当Δt=t0-t

＜ΔtH时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt=2.5FΔt。Pt=2.5FΔt2．当Δt=ΔtH时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt=PH

，图中B－B′线。AA′lPt1．当Δt=t0-t

＜ΔtH时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt=2.5FΔt。2．当Δt=ΔtH时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt=PH

，图中B－B′线。BB′PHAA′lPt3．当Δt＞ΔtH时，道床纵向阻力开始发挥作用，轨端开始产生收缩位移，在钢轨发生纵向位移的长度范围内放散部分温度力，图中BC，范围内任意截面的温度力为：Pt=PH

+r·x(N)BB′PHrxxCC′式中：x为轨端至发生纵向位移的钢轨任一断面之间的距离(mm)。Pt=2.5FΔtAA′lPt4．当t降到最低轨温Tmin时，钢轨内产生最大温度拉力Pt拉max，如图中线。这时发生纵向位移的钢轨长度达到最大值ls，ls称为伸缩区长度。BB′ls

CC′DD′Pt拉max伸缩区伸缩区固定区AA′lPtBB′ls

DD′Pt拉max伸缩区伸缩区固定区

此时Pt拉max和ls

可按下式计算：Pt拉max=2.5FΔt降max=2.5F(t0-Tmin)(N)(mm)

上面分析了轨温从下降到Tmin时，温度力纵向变化的情况。同理，当轨温从锁定轨温变化到最高轨温时，长轨内温度力的分布与图8－4相仿，不同的是轨温升高时，钢轨内将产生温度压力，其最大值为：Pt压max=2.5FΔt升max=2.5F(Tmax-t0)(N)

伸缩区长度ls按式(8－9)计算。伸缩区长度一般取50～100m，宜取为标准轨长度的整倍数。

算例：某地区铺设无缝线路，已知该地区年最高轨温为65.2℃，最低轨温为-20.6℃，道床阻力梯度为9.1N/mm，接头阻力为490KN，60kg/m钢轨断面面积为7745mm2，当锁定轨温为当地中间轨温加5℃时，试计算：(1)克服接头阻力所需升降的轨温；(2)固定区最大拉、压温度力；(3)伸缩区长度；(4)绘制轨温从锁定轨温单向变化到最高、最低温度时的温度力图，并标注有关数据。

解：(1)℃(2)℃Pt拉max=2.5FΔt降max=2.5F(t0－Tmin)=2.5×7745×(27.3+20.6)=927464N=927.464kNPt压max=2.5FΔt升max=2.5F(Tmax－

t0)=2.5×7745×(65.2－27.3)=733839N=733.839kN(3)=48073mm即ls1=48.073m=26795mm

即ls2=26.795m

即ls=50m8、轨端伸缩量计算

从温度力图中可知，无缝线路长轨条中部承受大小相等的温度力，钢轨不能伸缩，称为固定区。在两端，温度力是变化的，在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量的伸缩，称为伸缩区。伸缩区两端的调节轨，称为缓冲区。在设计中要对缓冲区的轨缝进行计算，因此需对长轨及标准轨端的伸缩量进行计算。

由温度力图8—6可见，其中阴影线部分为克服道床纵向阻力阶段释放的温度力，从而实现了钢轨伸缩。由材料力学可知，轨端伸缩量长与阴影线部分面积的关系为：

第三节无缝线路稳定性分析一、稳定性基本概念无缝线路作为一种新型轨道结构，其最大特点是在夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力，容易引起轨道横向变形。在列车动力或人工作业等干扰下，轨道弯曲变形有时会突然增大，这一现象常称为胀轨跑道，在理论上称为丧失稳定。这将严重危及行车安全。无缝线路稳定性计算的主要目的是研究轨道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，计算出保证线路稳定的允许温度压力。

从大量的室内模型轨道和现场实际轨道的稳定试验以及现场事故观察分析，轨道胀轨跑道的发展过程基本上可分为三个阶段，即持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段,如下图所示。

无缝线路胀轨跑道过程示意图二、影响无缝线路稳定性的因素无缝线路失稳是各种因素综合作用的结果，这些影响因素归纳为两大类：促进稳定因素；促使失稳因素。①保持稳定的因素a．道床横向阻力（65％作用）（阻力提供：轨枕两侧20％～30％、道床肩部30％、轨枕底部50％）每枕为Q.轨道单位长度横向阻力:y――轨枕横同位移(cm);

q0、c1、c2、n――参数，由试验确定，书上已给出。b．轨道框架刚度EJ＝βEJyE――轨钢弹模量

Jy――钢轨断面对坚直轴的惯性矩

β――与框架扣件类型及拧紧程度有关的系数。试验表明β＝2～8，取β＝2，偏于安全（至少2根轨）。②丧失稳定的因素a.温度力――与锁定轨温Tsf有关b.轨道原始弯曲（原始不平顺）矢度f0：1)弹性弯曲：变形曲线假设为正弦曲线（正弦半波）2)塑性原始弯曲（近似公式，原点在一端）假设变形曲线为圆曲线

fop――塑性弯曲矢度

R0――曲率半径

l0――fop对应的弦长（3）稳定性理论

无缝线路稳定问题，可以看做是位于弹性介质中无限长梁（轨道框架）的受压稳定问题。轨道在失稳之前，将产生胀轨变形，胀轨变形的影响区可以划分为3个区段：即胀轨变形区和两侧的纵向位移区（邻区），影响区之外为未变形的稳定区。

图8-9无缝线路稳定分区（4）统一无缝线路稳定性计算公式统一无缝线路稳定性计算公式的基本假定是：把整个轨道框架视为铺设于均匀介质（道床）中的一根细长压杆；轨道弹性初始弯曲为半波正弦曲线，塑性初始弯曲为圆曲线，在变形过程中变形曲线端点无位移；不考虑扣件变形能。

图8-10统一稳定性计算图示

表8-1正常轨道轨排起来后的等效道床横向阻力Q（N/㎜）

表8-2正常轨道不同轨枕配置的等效道床横向阻力Q第四节无缝线路结构设计一、无缝线结构类型的选择1、结构类型的选择某一地区能否铺设温度应力式无缝线路，主要取决于轨道的必须大于该地区的年轨温变化幅度，并留有一定的富裕量，以满足铺轨时所必须的锁定轨温范围，即：2、锁定轨温范围的确定方法温度应力式无缝线路，其锁定轨温应保证夏季不胀轨跑道，冬季不折断钢轨，也就是说，锁定轨温的上下限应由和来决定，如图所示。二、无缝线路结构计算1、伸缩区长度计算2、预留轨缝无缝线路缓冲区标准轨之间，以及标准轨与长轨之间要预留轨缝，以满足冬季轨缝值不超过构造轨缝，夏季轨缝不挤严。3、防爬设备的设置4、轨条长度第五节超长无缝线路

超长无缝线路从本质上说与普通无