无缝线路课程设计

路基上无缝线路课程设计——中和轨温及预留轨缝设计姓名：张小冬学号：09231123班级：土木0904学院：土木建筑工程学院时间：2012年6月9日目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 简介 (1)\o"CurrentDocument"二、 设计参数 (2)\o"CurrentDocument"三、 设计内容 (5)\o"CurrentDocument"四、 设计总结 (13)五、 参考文献 (14)\o"CurrentDocument"六、 程序设计 (14)一、简介（一） 、无缝线路锁定轨温及预留轨缝简介无缝线路是当今轨道结构的一项重要新技术，是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线路。它是当今轨道结构的一项重要技术，是与重载、高速铁路相适应的新型轨道结构。无缝线路是当今轨道结构的最佳选择，世界各国竞相发展。我国铁路无缝线路的发展，近年来在技术上有很大的进步，在数量上有较快增长。无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著，在桥梁上铺设无缝线路，可以减轻列车车论对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量。这些优点在行车速度提高时尤为显著。然而铺设无缝线路是有条件的，主要是考虑气候温度的影响，因为万物都有热胀冷缩的特点，对于无缝钢轨，温度的影响更为明显，只有选择适当的温度（我们称为锁定轨温），才能尽可能的避免这方面的伤害。锁定轨温一般采用高于本地区的中间轨温。（二） 、设计的目的与意义中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）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，自主练习，将所学知识用于实际的设计中，学以致用。完成该课程设计的意义在于让所学的知识形成一个系统的体系，加固对知识的理解与应用，逐渐熟悉使用规范，设计手册和查阅参考资料，培养自身分析问题、解决问题和独立工作的能力。（三） 、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（即无缝线路设计锁定轨温）。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。该设计的目的是通过实际设计，更深入地掌握《铁路轨道》的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）。（四）、本课程设计自选参数及自选计算软件自选参数：施工地点：深圳地区 最小曲线半径：800m机车：韶山8（SS8）电力机车，Vmax=120Km/h计算软件：microsoftvisualc++6.0二、设计参数主要技术指标：深圳地区某段线路铺设无缝线路。（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，，一，尸附加压力f本设计可取为0（N）轨枕间距a=60cm钢轨附加应力（Mpa）°f10MPa路基填料沙粘土临界温升^tk5钢轨支座刚度D检算钢轨330000(N/cm)设计最大速度Vmax120km/h检算轨下基础720000(N/cm)曲线最小半径R800m接头阻力PH510KN钢的弹性模量E2.1X105Mpa机车类型韶山8（ss8）电力机车钢轨的线膨胀系数a11.8X10-6/C相邻标准轨间预留轨缝ag18mm.表（1）（二）、具体参数如下各表：

1、取正线轨道类型如下:项目单位数量列车设计最高速度km/h120轨道结构钢轨Kg/m60混凝土枕型号m铺枕根数根/km1667岩石、渗水土路基道渣一级cm面25底20表（2）2、钢轨断面尺寸特征如下:钢轨类型kg/m60钢轨类型kg/m60每米质量M/kg60.64轨头所占面积A/%37.47断面积A/cm277.45轨腰所占面积A/%w25.29重心距轨底距离yi/mm81轨底所占面积A/%b37.24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Wi/cm3（考虑垂直磨耗6mm）396轨头高度h/mm48.5下部截面系数W2/cm3（考虑垂直磨耗6mm）339轨头宽度b/mm73轨底横向挠曲断面系数W/cm3y70轨腰厚度t/mm16.5表（3）3、混凝土枕尺寸如下: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7720320260m10①7C6023.018.530.028表（4）4、轨枕扣件技术性能如下:扣件性能弹条II型扣件性能弹条I型每个弹条初始扣压力/KNN10弹程/mm10扣压节点垂直静刚度/KN/m60-80调轨距量/mm-8〜12纵向防爬阻力/KN16调高量/mmW10

5、附加速度系数如下:a n附加速度系数1和2速度范围km/h电力机车a1120<VW1600.3AV 1100a2160<VW2000.1AV 2100表（6）6、横向水平力系数f如下:线路平面曲线半径/m800横向水平力系数f1.45表（7）7、深圳地区最高最、低及中间轨温如下:地区最高轨温最低轨温中间轨温深圳58.7-0.229.5表（8）8、混凝土枕线路的初始弯曲如下:初始弯曲60kg/m钢轨 f ,、弹性初弯，°。（mm）2.5 f,、塑性初弯op(mm)2.5表（9）9、机车类型为：韶山8（SS8）电力机车，设计速度取：Vmax=160km/h，机车参数如下：机车型号轮轴名称轮重kN轮距cm构造速度km/h韶山8（ss8）电力机车第一转向架I107.8290客160II107.8610第二转向架I107.8II107.8290表（10）

三、设计内容T皿nT皿n 允许温降AtdTavTmax无缝线路中和轨温计算的主要思路如图：图中揭示了该设计的主要思允许温升路。中和轨温应根据当地的轨温条允许温升中和轨温:件（TnaXTnin）和轨道允许的升温幅中和轨温:度和降温幅度来确定。因此确定轨道允许的升温幅度和|确定。主要计算如下：无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）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[。]：b+b+b<[b]式中：bd——钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；bt 钢轨温度应力（Mpa）；bf——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b=10Mpa；f[b]——钢轨允许应力。因此允许的降温幅度[At]可由下式计算drA1[b]-b-b[At]= d fd Ea

式中：。d——钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。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［P］后，可计算出允许的升温幅度［］:c式中：Pf——附加压力，本设计可取为零（N）。［P］——轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”［教材和参考文献1］。中和轨温确定根据图，中和轨温［计算如下:±Atk预留轨缝的计算根据预留轨缝的原则冬季轨缝不应超过构造轨缝可得预留轨缝上限:a=a—6+人短）夏季轨缝不顶紧可得预留轨缝下限:+人短式中从锁定轨温至当地最低轨温时，长轨、短轨一端的缩短量从锁定轨温至当地最低轨温时，长轨、短轨一端的缩短量从锁定轨温至当地最高轨温时，长轨、短轨一端的伸长量无缝线路预留轨缝:

（二）、计算过程轨道结构静力计算:计算最大静位移、弯矩和枕上压力：当D=33000N/mm、a=600mm时，u=55.00MPaK=0.0011944mm-1当D=72000N/mm、a=600mm时，u=120.0MPa;K=0.0014517mm-1计算最大静位移、弯矩和枕上压力：对于SS8电力机车，转向架间距离超过5m，故不考虑各转向架的互相影响。各轮载及转向架各轴间距均相同，故只需取第一转向架进行计算。第一个轮的计算y=^—^Lpe-kx(coskx+sinkx)0 2U i ii=1=0.0011944x107800{1+e0.0011944x2900lcos(0.0011944x2900)+sin(0.0011944x2900)}2x55.0M=-1M=-1£pe-kx(coskx-sinkx)0 4ki=11x107800{1+e-0.0011944x2900lcos(0.0011944x2900)-sin(0.0011944x2900)]}4x0.0011944=22121228(N-m)R=——£Pe-kx(coskx+sinkx)02i i ii=12=46002.913(N)③轨道强度检算600x0.0014517x107800{1+e-0.0014517x2900lcos(0.0014517x2900)+sin(0.0014517x2=46002.913(N)③轨道强度检算1、计算M厂yd、Rd速度系数a=0.6V100=0.6*120/100=0.72

偏载系数P=0.0002△龙=0.002x75=0.15(未被平衡的超高一般不大于75mm)曲线半径R=800m时，查表5-5可得横向水平力系数f=1.45故y=y(1+a+P)=2.1052mmMd=M0(1+a+P)f=59981709.95N-mmRd=勺(1+a+P)=86025.45mm2、轨枕检算、轨下断面正弯矩检算M=KR［假-、］=1.0x86025.45xf5002-也］x10-6=9.703(KN-m)<18(KN-m)gsd"2e 8J "2x950 8J满足要求、中间断面负弯矩检算M=-K3"+4e2—8qe-12气/Rcs 4(3/+2e) de3x25002+4x9502-8x500x950-12x500x2500(=-1.0x x86025.45x10-64x(3x2500+2x950)=-8.145(KN•m)<18(KN•m)，满足要求1、道床顶面压应力检算bzmaxR=-^m=

bzmaxR=-^m=

be'86025.45275x1175x1.6=0.4260Mpa<0.5Mpa，满足要求2、路基基床表面压应力检算b275=—cot中= cot35°=196.4(mm)22e' 1175=一cot中= cot35°=839.0(mm)2286025.45现有道床厚度为450mm86025.45b=——Rd——= i" =0.115Mpa<0.13Mpa满足要求l2he'tan甲2x450x1175xtan35°

3、钢轨强度检算60Kg/m钢轨，当垂直磨耗为6mm时，截面磨量W底=375000mm3,W头=291000mm3,故:，、 …M轨底外缘拉应力b=d=159.95MPo底W底M 轨头外缘压应力b= d=206.12MPa头W头温度应力取ot=51MPa,检算钢轨强度：轨底：。底+ot+of=159.95+51+10=220.95(MPa)<[b]，满足要求轨头：。头+ot+of=206.12+51+10=267.12(MPa)<[b]，满足要求4，计算汇总根据以上计算结果，轨道各部件应力或弯矩都未超过标准允许值，轨道强度合格，结果汇总见下表：轨道各卜部分强度检算结果汇总检算项目钢轨应力(MPa)轨枕检算断面弯矩(kN•m)道床顶面应力。zmax(MPa)甘轨底外缘拉应力。酎底(MPa)轨头外缘压应力。;头(MPa)轨下断面正弯矩Mg(kN•m)中间断面负弯矩Mc(kN•m)基床表面应力。L(Mpa)计算值159.95206.129.70-8.150.430.115允许值35235213.310.50.50.152.中和轨温计算根据强度条件确定容许降温幅度虹Lb457钢轨附加应力bf=10MPa钢轨弹性模量E=210000钢轨附加应力bf=10MPa钢轨弹性模量E=210000N/mm2线膨胀系数a=1.18x10-5/°C由之前计算得到的应力值:轨底外缘拉应力。轨底外缘拉应力。底、=159.95MPaW底b]-b-b\AtJ= 底——-=73.47°Cs Ea

根据稳定性条件确定容许升温幅度氏七]:弹性初始弯曲矢度foe=2.5（mm） 塑性初始弯曲矢度fop=2.5（mm）弹性初始弯曲半波长lo=4000（mm） 最小曲线半径R=800000（mm）塑性初始弯曲半径R=—^=800000mm。8f0p变形曲率L=—+—=——-—— 钢轨断面垂直轴惯性矩Iy=5240000（mm4）R'RR0400000等效道床阻力通过查表内插取得：Q=7.25N/mm，由公式：2EI兀2y_R':2EI冗2EI兀52EI兀2y_R'+t(n2r(/+/QQ可以求得:l=4490.33mm，与l0=4000mm相差较大，所以按下式重新计算其矢度:12Xf 0e12012—0—=3.15mm-，重新计算得l=4554.75mm8f0pf'=324mm-还是有较大出入，再次计算J0e ，/=4563.47mm再次计算f'=3.25mm，l=4564.65mm0e所以由公式：EI^5(f+f「Y2l4—P=2084948.465N所以得轨道框架的允许温度压力P]=P=1603865.512NK所以由公式]=些w Pc 2EF,(f附加应力可取为0)得辰]=41.79。。c计算中和轨温已知深圳地区最高轨温为58.7°C,最低轨温-0.2°C\At]=73.47。。 \At]=41.79。。s c由中和轨温计算公式t='max'min+—±At可以求得e2 2 kt=45.1°C得施工温度区间应为： [40.1°C，50.1°C]得如下轨温图：预留轨缝计算长轨与标准轨之间预留轨缝设计：先假设锁定轨温为45.1°C，所以得最大温度力maxP=2.48AtF=2.48x7745x(45.1+0.2)=870104.28Nt拉

maxP=2.48迹=2.48x7745x(58.7-45.1)=261223.36Nt压接头阻力值p^据表7-3取为51°°°°N,易发现，maxP压比接头阻力值还小’故轨道在夏季施工时不会因温度升高出现伸长，所以入长=、=0，同时根据公式可求得冬季施工时人C人CnaxP一P)长= 2EFr=2.61mm人 (maxP拉-Ph)lrl2短= 2EF ~8EF"2'°4由构造轨缝a=18mm可求得：ga上-a一G长+人短）=13.35mma-人'+人短-0mm其余温度的预留轨缝:温度/°C预留轨缝/mm40.18.041.17.042.17.043.17.044.17.045.17.046.16.047.16.048.16.049.16.050.15.0标准轨之间预留轨缝设计:a上-a—2x人短-13.93mma-2x人短-0mma= ——^下=7mm0 2其余温度的预留轨缝：温度/°C预留轨缝/mm40.18.041.18.042.17.043.17.044.17.045.17.046.17.047.17.048.17.049.16.050.16.0四、设计总结本设计根据所给工程资料对深圳某段无缝线路轨道的锁定轨温和预留轨缝进行了设计，在设计中主要参照课本上的知识进行参数选择和设计。同时，对于不懂的问题请教了老师和同学，通过本次《轨道工程》课程设计我对整个知识体系有了个较完整的回顾，对所学知识有所巩固，对于软件的使用也有了更深入、熟悉的操作。对于本次课设最终结果，我得出以下结论：1、 南方地区温差小，由此产生的温度应力比北方地区要小。而且南方地区最低轨温较高，即使是由于降温引起的温度应力，起始轨温也得达到70多度才能最终引起最大温度应力，这几乎是不可能的。2、 南方地区由于升温引起的温度应力较小，故接头阻力足以抵抗温度应力引起的伸长。所以在夏季施工，几乎不用考虑钢轨的伸长。3、 由于夏季钢轨不会伸长，预留轨缝的控制因素完全在于冬季收缩量以及18mm的构造轨缝，最终预留轨缝应在6~7mm之间。4、最终结论是，中和轨温取45.1°C,长轨与标准轨之间预留轨缝7.0mm，标准轨之间预留轨缝7.0mm.五、参考文献1、《轨道工程》中国铁道出版社高亮主编；2、《铁路轨道》中国铁道出版社谷爱军主编；3、《铁路无缝线路》中国铁道出版社广钟岩等；4、 《铁道工程》5、 铁路轨道设计规范西南交通大学出版社郝瀛主编；(TB10082-2005)。六、程序设计源程序代码(C语言)如下：①计算动弯矩Md、挠曲变形yd、枕上压力Rd#include<stdio.h>#include<math.h>voidmain(){doubleD,D1,a,u,u1,k,k1,E,Ix,y0,M0,R0,P0i,xi,x1,x2;printf("请输入计算钢轨用支座刚度D:\n");scanf("%lf”,&D);printf("请输入计算轨枕、道床、基床用钢轨支座刚度D1:\n");scanf("%lf”,&D1);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);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;u1=D1/a;x1=u/(4*E*Ix);x2=u1/(4*E*Ix);k=sqrt(sqrt(x1));k1=sqrt(sqrt(x2));M0=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)));y0=k/(2*u)*P0i*(1+exp(-k*xi)*(cos(k*xi)+sin(k*xi))+exp(-k*2*xi)*(cos(k*2*xi)+sin(k*2*xi)));R0=a*k1/2*P0i*(1+exp(-k1*xi)*(cos(k1*xi)+sin(k1*xi))+exp(-k1*2*xi)*(cos(k1*2*xi)+sin(k1*2*xi)));printf("钢轨基础弹性模量u=%7.2lf\n",u);printf("刚比系数k=%lf\n",k);printf('，静弯矩M0=%lf\n",M0);printf("枕上压力R0=%lf\n",R0);printf("钢轨的挠曲变形y0=%lf\n",y0);doubleVmax,ho,ao,bo,Md,yd,Rd,f;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");scanf("%lf”,&ho);printf("请输入横向水平力系数f:\n");scanf("%lf”,&f);ao=0.6*Vmax/100;bo=0.002*ho;Md=M0*f*(1+ao+bo);yd=y0*(1+ao+bo);Rd=R0*(1+ao+bo);printf("钢轨上的动弯矩为Md=%lf\n",Md);printf("动荷载下枕上压力Rd=%lf\n”,Rd);printf("动荷载下钢轨的挠曲变形yd=%lf\n",yd);}②计算允许温度压力#include<stdio.h>#include<math.h>#defineK1.3#definePAI3.1415926doublel0=4000,r0,f0p,r1,r,p,E,Iy;doublef=2,q,p00,c,d,l2,f0e,l,f0e1;doubleb,temp;intmain(){doublei,j,l1;printf("请输入弹性初始弯矩矢度f0e:\n");scanf("%lf”,&f0e);printf("请输入塑性初始弯矩矢度f0p:\n");scanf("%lf”,&f0p);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Iy:\n");scanf("%lf”,&Iy);printf("请输入等效道床阻力q:\n");scanf("%lf”,&q);printf("请输入最小曲线半径r:\n");scanf("%lf”,&r);r0=l0*l0/(8*f0p);r1=1/((1/r)+(1/r0));c=2*E*Iy*PAI*PAI/r1;temp=E*Iy*(pow(PAI,5))/2;l2=(1/q)*(c+sqrt(c*c+temp*(f+f0e)*q));l=sqrt(l2);f0e1=l*l*f0e/(l0*l0);d=fabs(l0-l);printf(唾新计算后的l=%lf\n",l);while(d>=2)(l1=l;b=f0e1;l=sqrt((1/q)*(c+sqrt(c*c+temp*(f+f0e1)*q)));d=fabs(l1-l);f0e1=l*l*f0e1/(l1*l1);printf(唾新计算后的l=%lf\n",l);}f0e=b;i=(temp*(f+f0e))/(l*l*l*l)+q;j=(((f+f0e)*(pow(PAI,3)))/(4*l*l))+(1/r1);p=i/j;p00=p/K;printf("钢轨允许温度压力p=%lf\n”,p00);printf("计算误差为d=%lf\n",d);return0;}计算长轨和缓冲轨间预留缝#include<stdio.h>#include<math.h>voidmain(){doubleT[11]={40.1,41.1,42.1,43.1,44.1,45.1,46.1,47.1,48.1,49.1,50.1},doubleF,a,E,r2,w,ag,pH,Tmax,Tmin,L,r,pt1,pt2,l1,l2,l3,l4,a1,a2,a0;inti;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");scanf("%lf”,&w);printf(-请输入相邻标准轨间预留轨缝ag:\n");scanf("%lf”,&ag);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");scanf("%lf”,&L);r=r2/(2*a);for(i=0;i<11;i++){pt1=2.48*F*(T[i]-Tmin);pt2=2.48*F*(Tmax-T[i]);if(pt1<=pH){l1=0;l2=0;}else{l1=((pt1-pH)*(pt1-pH))/(2*E*F*r);l2=((pt1-pH)*L/(2*E*F))-r*L*L/(8*E*F);}if(pt2<=pH){l3=0;l4=0;}else{l3=((pt2-pH)*(pt2-pH))/(2*E*F*r);l4=((pt2-pH)*L/(2*E*F))-r*L*L/(8*E*F);}a1=ag-(l1+l2);a2=l3+l4;a0=(a1+a2)/2;printf("当温度为％廿钢轨预留轨缝为％lf\n”,T[i],a0);}}④计算缓冲轨和缓冲轨间预留缝#include<stdio.h>#include<math.h>voidmain(){doubleT[11]={40.1,41.1,42.1,43.1,44.1,45.1,46.1,47.1,48.1,49.1,50.1},doubleF,a,E,r2,w,ag,pH,Tmax,Tmin,L,r,pt1,pt2,l1,l2,l3,l4,a1,a2,a0;inti;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");scanf("%lf”,&w);printf(-请输入相邻标准轨间预留轨缝ag:\n");scanf("%lf”,&ag);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");scanf("%lf”,&L);