第十一讲无缝线路

1铁路轨道任娟娟博士、副教授Ren，juanjuanPh.D.AssociateprofessorSchoolofCivilengineering,SouthwestJiaotongUniversity2第六章无缝线路本讲主要内容概述无缝线路基本原理无缝线路纵向温度力分布无缝线路稳定性分析无缝线路结构设计桥上无缝线路跨区间无缝线路3四、无缝线路稳定性分析1、稳定性概念*失稳（胀轨跑道）无缝线路在夏季高温季节，由于钢轨内部存在巨大压力，引起轨道的横向变形，在外来因素（列车动力或人为因素）干扰下，轨道弯曲变形突然增大的现象胀轨时采用冰块冷却钢轨降温胀轨直接导致运行中的列车脱轨胀轨跑道4四、无缝线路稳定性分析2、失稳（胀轨跑道）过程*持稳阶段:钢轨温度压力增大，但轨道不变形胀轨阶段:随轨温增加，钢轨温度压力随之增加，轨道出现微小变形，压力与位移呈现的非线性关系跑道阶段:当钢轨温度压力达到临界值后，在外部干扰或轨温继续升高时，轨道将会发生突然臌曲5四、无缝线路稳定性分析3、无缝线路结构稳定分析*判别准则：能量法和静力平衡法能量法：弹性理论的能量变分原理势能驻值原理：结构物处于平衡状态的充要条件是在虚位移过程中，总势能取驻值压杆在均匀介质中的失稳现象保持稳定的因素：道床横向阻力、轨道框架刚度丧失稳定的因素：钢轨温度压力、轨道初始弯曲6四、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*道床抵抗轨道框架横移的阻力枕端抗推力30%枕侧摩擦力20%~30%枕底摩擦力50%7四、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*表示方法单根轨枕的横向阻力Q道床单位横向阻力q影响因素道碴：饱满程度、材质、粒径尺寸道床肩部：堆高、加宽轨枕：枕底压花、宽轨枕、框架轨枕、双块式轨枕线路维修作业8四、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*反映其自身抵抗弯曲能力的参数组成两股钢轨的水平刚度（横向刚度）扣件阻矩扣件螺母扭矩分别为20，50，100，150N·m9四、无缝线路稳定性分析5、丧失稳定的因素*钢轨温度压力无缝线路稳定问题的根本原因，应控制温升幅度轨道初始弯曲影响稳定的直接诱因，应控制初始弯曲大小弹性初始弯曲：温度力和列车横向力作用下产生塑性初始弯曲：轧制、运输、焊接、铺设过程中产生，占总初弯的58.33%10四、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*无缝线路稳定性统一公式

1977年提出，假定变形曲线波长与初始波长相等，并取变形为2mm时对应的温度压力，除以安全系数，即为保证线路稳定的允许温度压力。不等波长稳定性计算公式

1990年开始实施，假定变形曲线波长与初始弯曲波长不相等的计算公式国外计算公式

美国kerr、英国、法国、俄罗斯、日本均有相应的计算公式11四、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*计算假定统一公式不等波长公式轨道铺设于均匀介质中的细长压杆初始变形塑性初弯：圆曲线弹性初弯：半波正弦半波正弦轨道压力下的变形半波正弦半波正弦初始变形与压力作用下的变形关系波长相等波长不等能量构成钢轨压缩形变能轨道框架弯曲变形能道床形变能钢轨压缩形变能轨道框架弯曲变形能道床形变能扣件形变能12四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式*计算简图变形总势能A由以下部分组成：钢轨受到轴向压力引起的形变能A1；轨道框架受弯曲产生的形变能A2；道床横向阻力抵抗轨道横向位移做的功A3。13四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式轨道曲线圆曲线变形曲线塑性初始弯曲弹性初始弯曲f0e弹性初始弯曲矢度l0e弹性初始弯曲半波长，取4mf0p塑性初始弯曲矢度R0塑性初始弯曲半径f变形曲线矢度l变形曲线弦长=l0L0初始弯曲弦长yf轨道横向变形量R圆曲线半径14四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式钢轨压缩变形能，负值弧弦差之差15四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式轨道框架弯曲变形能，忽略扣件扭矩16四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式道床变形能Q为等效道床阻力

17四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式容许温度力分子为抵抗轨道横向变形的单位长度抗力，分母为曲率步骤1：f＝0.2cm，计算l步骤2：波长不等，计算f0e步骤3：安全系数取1.3，计算[P]

18四、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式算例相当于允许升温幅度49.9℃19四、无缝线路稳定性分析8、无缝线路稳定性变波长公式计算图示初始弯曲线形变形曲线20四、无缝线路稳定性分析8、无缝线路稳定性变波长公式总势能21四、无缝线路稳定性分析8、无缝线路稳定性变波长公式容许温度力计算条件：最不利初弯波长60kg/m轨720cm，矢长比1‰，弹性矢度占比58.33%允许温升考虑纵向分布不均，减去8C，直线及半径R≥2000m曲线在设计中考虑运营过程中锁定轨温的变化，再减去8C计算步骤：假定波长，计算P得到P的极小值22四、无缝线路稳定性分析8、无缝线路稳定性变波长公式算例23五、无缝线路结构设计1、设计任务与内容设计任务：区间路基上普通无缝线路设计设计核心：确定无缝线路的设计与施工锁定轨温设计内容：确定锁定轨温、进行无缝线路结构计算设计锁定轨温的确定保证最低轨温时不断轨、即使断轨，断缝值不影响行车安全保证最高轨温时不压溃、不失稳设计步骤根据强度条件确定允许降温幅度根据断缝条件确定允许降温幅度根据稳定条件确定允许升温幅度画图确定设计锁定轨温范围24五、无缝线路结构设计2、根据强度条件确定允许升降温幅度保证钢轨足够的强度——不被拉断由钢轨强度检算条件

可得允许降温幅度

同理，根据强度条件确定的允许升温幅度25五、无缝线路结构设计3、根据断轨条件确定允许降温幅度保证断轨后的最大断缝值小于容许值断缝容许值：确定原则：行车安全、动力作用一般情况70mm、困难条件90mm；无砟轨道100mm计算方法26五、无缝线路结构设计4、根据稳定条件确定允许升温幅度保证钢轨的稳定性——不失稳

根据稳定条件（统一公式、不等波长公式、压弯变形计算公式）求得允许温度压力[P]，钢轨允许升温幅度[∆tc]：无砟轨道目前不作稳定性检算，尚未建立无砟轨道碎弯变形计算理论27五、无缝线路结构设计5、确定设计锁定轨温范围TmaxTmax-[∆tc]Tmin+[∆ts]Tmin[∆tc][∆ts]tetmtn28五、无缝线路结构设计6、无缝线路结构计算内容长轨条长度伸缩区长度缓冲区长度预留轨缝防爬设备29五、无缝线路结构设计7、轨条长度长轨条长度考虑线路平、纵面条件、道岔、道口、桥梁、隧道所在位置，原则上按闭塞分区长度设计，一般长度为1000-2000m。最短为200m，特殊情况下不短于150m伸缩区长度长度一般取为50-100m，宜取为标准轨长度的整倍数缓冲区长度长轨之间、道岔与长轨之间、绝缘接头处需设置缓冲区，2～4根同类型标准轨30五、无缝线路结构设计8、预留轨缝确定原则：与普通线路轨缝相同。长轨与标准轨之间预留轨缝冬季不超过构造轨缝夏季轨缝不顶严预留轨缝缓冲区中标准轨间轨缝与普通线路轨缝设置相同构造轨缝60kg/m以下:18mm75kg/m:20mm31五、无缝线路结构设计8、预留轨缝轨端伸缩量计算32五、无缝线路结构设计9、防爬设备线路爬行是造成轨道病害主要原因之一改变无缝线路锁定轨温在伸缩区和缓冲区应布置足够的防爬设备，以保证无相对无钢轨相对于轨枕的纵向移动 P防+nP扣≥nR采用混凝土轨枕和配套的弹条型扣件时，一般可不装防爬器33五、无缝线路结构设计10、拓展与思考研究实例：某地区最高年轨温为65℃，最低年轨温-35℃，Ⅲ型混凝土轨枕，等效道床阻力为115N/cm，钢轨容许强度为351MPa，计算得轨底拉应力为161MPa，轨头压应力为208MPa，制动应力取为10MPa，断缝容许值为90mm，线路纵向阻力160N/cm，问能否在250m曲线上铺设无缝线路？若不能铺设，可采取哪些措施？钢轨弹性模量2.1×105MPa，截面积77.45cm2。解：由强度条件计算得容许升温幅为53.6℃，容许降温幅度72.6℃

由断缝条件计算得容许降温幅度为79.7℃

由稳定性条件计算得容许升温幅度为34.8℃

确定得设计锁定轨温为(30.2+37.6)/2+3=36.9≈37℃

铺设轨温范围为32-42℃，超过了容许降温幅度，不宜铺设。34五、无缝线路结构设计10、拓展与思考研究实例：主要问题是无缝线路稳定性不足解决措施：设置护轨、护轨横撑桁架、道砟袋支挡、轨枕卡纵连、道砟胶固化

35五、无缝线路结构设计10、拓展与思考研究实例建立有限元稳定性计算模型，分析各种解决措施的容许温升设置护轨提高-1.2℃、护轨横撑桁架提高3.3℃

、道砟袋支挡提高15.3℃

、轨枕卡纵连提高20.6℃

、道砟胶固化提高45℃36五、无缝线路结构设计10、拓展与思考*思考：1、无缝线路维修作业是否有时间限制及作业条件限制？道床扰动阻力下降，须有作业轨温条件限制，一般在锁定轨温15

℃2、轨道不平顺对无缝线路稳定性的影响如何？方向不平顺会引起胀轨3、竖向上是否也会胀轨？一般不会，但在梁端温度力集中及竖曲线处也会，无砟轨道弹性支承块