7 无缝线路技术 - 稳定性课件讲解

三、无缝线路的稳定性Page

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无缝线路在高温夏季钢轨内部存在巨大的温度压力，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,这一现象称为胀轨跑道，在理论上称为丧失稳定。（一）涨轨跑道（失稳）概念道床横向阻力三、无缝线路的稳定性Page

2研究温度压力和轨道原始不平顺、道床横向阻力以及轨道框架刚度之间的关系，了解胀轨跑道的发生机理，分析其力学条件和主要影响因素，计算出保证线路稳定的允许温度压力。稳定性分析目的：Page

3涨轨跑道总是从轨道的薄弱地段（即具有原始弯曲的不平顺）开始，依横向位移随钢轨温升的变化特征，曲线变化可分为三个阶段见图。图中纵坐标为钢轨温度压力Pt，横坐标为轨道弯曲变形矢度f0+f，f0为轨道原始弯曲矢度。第一阶段:持稳阶段（AB），轨温上升，温度压力增大，但轨道不变形。第二阶段:涨轨阶段（BK），随着轨温的增加，温度压力也随着增加，此时轨道开始出现微小变形，此后，温度压力的增加与横向变形之间呈非线性关系。第三阶段:跑道阶段（KC），当Pt达到临界值Pk时，这时轨温稍有升高或稍有外部干扰时，轨道将会突然发生鼓曲，道砟抛出，轨枕断裂，钢轨发生较大变形，轨道受到严重破坏，至此稳定性完全丧失。三、无缝线路的稳定性Page

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通过大量调查发现，很多次的胀轨跑道事故并非温度压力过大所致,而是由于对无缝线路起稳定作用的因素认识不足，在养护维修中破坏了这些因素而发生的。因此，需要研究丧失稳定和保持稳定两方面的因素。（二）影响无缝线路稳定性的因素1.保持稳定的因素

（1）道床横向阻力

道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称为道床横向阻力，它是防止无缝线路胀轨跑道，保证无缝线路稳定性的主要因素。工程经验表明，在稳定轨道框架的因素中，道床的贡献约为65%，钢轨的贡献约为25%，扣件的贡献约为10%。三、无缝线路的稳定性Page

5道床横向阻力的构成：由轨枕两侧及底部与道砟接触面之间的摩阻力，和枕端砟肩阻止横移的抗力组成。其中，道床肩部的阻力占20～30%，轨枕两侧占20～30%，轨枕底部占50%左右。为使道床横向阻力达到设计要求，不仅要求道床断面符合标准尺寸，还应捣固紧密，其道床密实度应达到1700kg/m3。木枕混凝土枕混凝土宽枕阻力kN/根f(mm)道床对每根轨枕的横向阻力Q0，可用试验方法获得。试验表明Q0与轨枕横向位移f呈非线性关系，如图所示。道床横向阻力Q0与轨枕类型、道床断面尺寸、道砟材料及其密实度有关。由图可见，宽轨枕线路横向道床阻力最高，混凝土轨枕线路次之，木枕线路最低。三、无缝线路的稳定性Page

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标准道床对每根轨枕的横向阻力Q0与道床单位横向阻力q具有下列关系：

通过试验研究，可得出q与轨道横向位移f的如下关系式：

a—轨枕间距，cm。q0—道床单位横向阻力初始值，N/cm；B、C、Z、N—阻力系数。三、无缝线路的稳定性Page

7线路特征q0BCZ1/N木枕道床肩宽40cm，1840根/km12.421529612/3道床密实，标准断面，1840根/km20.08.0601.71/3混凝土枕Ⅰ型，道床肩宽40cm，1840根/km15.044458313/4Ⅰ型，道床密实，标准断面，1840根/km22.0381101.51/3Ⅱ型，1760根/km11.6214.8597.513/4Ⅱ型，1840根/km12.1225.1624.613/4Ⅲ型，1667根/km14.6357.2784.713/4Ⅲ型，1760根/km15.4366.6819.713/4表7.6道床横向分布阻力系数Page

8道砟材质与粒径：不同材质道砟提供的横向阻力不一样，砂砾石道床比碎石道床阻力低30～40％；道床粒径较大提供的横向阻力较大，如粒径由25～65mm减小到15～30mm，横向阻力将降低20～40％。道床饱满程度：根据美国和英国铁路试验研究，在同类轨道的条件下，经过长期运营密实稳定的道床饱满程度最好、横向阻力最大，机械捣固后道床饱满程度降低、阻力显著减小。线路维修作业：维修作业中，凡扰动道床，如起道捣固、清筛等改变道砟间或道砟与轨枕间的接触状态，都会导致道床阻力的下降。列车动荷载：在列车的动荷载作用下，每根轨枕所提供的横向阻力是不同的。这是因为轨道框架在轮载作用下会产生正挠曲，而距轮载一定范围内则会出现负挠曲，使两转向架之间的轨道框架最大抬高量可达0.1～0.3mm，从而大大削弱这一范围内轨枕所提供的横向阻力。三、无缝线路的稳定性

影响道床横向阻力的因素Page

9道床肩宽：适当的道床肩宽可以提供一定的横向阻力，但不是肩宽越大，横向阻力就总会增大。轨枕端部的横向阻力是轨枕横移挤动砟肩道砟棱体时的阻力，并最终形成破裂面，砟肩的宽度必须覆盖这一破裂面，以保证具有较大的阻力。破裂面的顶宽用下式计算：

H轨枕端部高度450+φ/2Cbb’BA

H—轨枕端埋入道床的深度；φ—摩擦角，一般取35～50°。三、无缝线路的稳定性Page

10据有关测试比较，与30cm的肩宽相比，肩宽增加到50cm时，阻力值可增加16%，若再加宽，阻力将不再增加。我国普通线路砟肩宽度为30cm，无缝线路砟肩宽度为40～50cm。道床肩部堆高：国内外的试验表明，道床肩部堆高也可提高道床横向阻力。砟肩堆高比砟肩加宽效果更明显，并可节约道砟。这项措施为国内外无缝线路广泛采用。我国铁路砟肩一般堆高15cm。三、无缝线路的稳定性Page

11轨道框架刚度越大，抵抗横向弯曲变形的能力就越强。轨道框架刚度在水平面内等于两股钢轨的横向水平刚度及钢轨与轨枕节点间（扣件）的阻矩抵抗横向弯曲能力的总和。（2）轨道框架刚度

H、μ—阻矩系数三、无缝线路的稳定性两股钢轨的水平刚度为：EI=2EIy，Iy为一根钢轨对竖直轴的惯性矩。扣件阻矩与轨枕类型、扣件类型、扣压力及钢轨相对于轨枕的转角有关。可以表示为钢轨相对轨枕转角的幂函数：Page

122.丧失稳定的因素

（1）钢轨的温度压力

轨道初始横向弯曲则是无缝线路失稳的直接原因。胀轨跑道多发生在轨道的初始弯曲处。因此，控制轨道的初始弯曲大小，对提高无缝线路的稳定性有重要作用。初始弯曲一般可分为弹性初始弯曲和塑性初始弯曲。现场调查表明，大量塑性初始弯曲矢度为3～4mm，测量的波长为4～7m，塑性初始弯曲矢度占总初始弯曲矢度的58.33％。（2）轨道的初始横向弯曲由于温升引起钢轨轴向温度压力是无缝线路丧失稳定的根本原因。因此，控制温升幅度对提高无缝线路的稳定性至关重要。三、无缝线路的稳定性Page

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轨道结构的工作特点是荷载的重复性与随机性，加上自然条件的影响,使得轨道存在各种不平顺，不得不对线路进行经常或定期的修理，线路状态的变化会降低无缝线路的稳定性。因此，无缝线路对其稳定性需要考虑一定的安全储备量。（四）稳定性安全储备量分析1.初始弯曲的影响

轨道变形量一定时，对于不同的初弯波长，相应的临界温度力和轨温差是不同的，即存在最不利初弯波长，相对应的轨温差为最小值。计算时考虑一定的安全性，根据初弯有关参数计算钢轨最不利初始弯曲波长l0，对于60、50kg/m钢轨无缝线路的最不利初始弯曲波长l0分别为720cm和700cm。三、无缝线路的稳定性Page

14允许温差设计，把限制轨道累积变形作为基本条件，有利于提高无缝线路的稳定性。通常取f＝0.2cm所对应的轨温差作为稳定性允许温差。考虑在轨道弯曲变形范围内纵向力分布不均匀，计算时修正锁定温度8℃，即将稳定性允许温差减去8℃。在直线及半径R≥2000m曲线区段上，为保证有充裕的养护维修作业时间，考虑高温季节也可安排必要的养护维修作业，因此在允许铺轨温差中，再减去8℃。在半径R<2000m曲线区段上，锁定轨温差异在作业安排的轨温差中加以修正，而允许铺轨温差不作修正。三、无缝线路的稳定性2.允许温差的确定

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15无缝线路稳定性统一计算公式

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。《铁路轨道设计规范》仍采用统一公式。无缝线路稳定性不等波长计算公式

我国在1990年5月1日开始实施的《无缝线路铺设及养护维修方法》，稳定性计算采用铁科院卢耀荣等提出的变形波长与初始弯曲波长不相等的计算公式（以下简称“不等波长公式”。Page

16三、无缝线路的稳定性(五)无缝线路稳定性计算公式Page

17统一公式计算简图三、无缝线路的稳定性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。统一公式基本假定统一计算公式三、无缝线路的稳定性Page

18统一计算公式总的初始变形量为：总的变形量为：三、无缝线路的稳定性Page

19统一计算公式Page

20统一计算公式Page

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23统一计算公式Page

24统一计算公式将式（7.38），（7.41），（7.44）代入式（7.34a）中

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25统一计算公式钢轨失稳时温度压力为三、无缝线路的稳定性（7.45）Page

26式中，安全系数K取为1.3。三、无缝线路的稳定性将代入式(6.46)重新计算l，如果l与最后假定的l0相差不大，就可将及相应的l值代入式(6.45)计算出计算温度力PN，再除以安全系数，即可得到两股钢轨组成的轨道框架的允许温度压力Page

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30给定f，计算不同l对应的PN根据不同f时的PN－f平衡状态方程，求得临界矢度、波长、温度压力温度力非均匀性修正及安全系数Page

31不等波长公式计算简图三、无缝线路的稳定性32不等波长公式基本假定

轨道为无限长梁，曲线轨道视为半径等于R的曲梁，并埋置在均匀介质（道床）中；假定梁初始弯曲的线形为正弦线；假定梁在温度压力作用下，变形曲线与初始弯曲波形相似，但波长不等。三、无缝线路的稳定性Page

3233不等波长计算公式三、无缝线路的稳定性Page

33三、无缝线路的稳定性Page

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35不等波长计算公式Page

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40不等波长计算公式三、无缝线路的稳定性钢轨失稳时温度压力为（7.64）设初始弯曲失长比为弹性初弯失度占总初弯