轨道工程课件：铁路无缝线路

1无缝线路概述无缝线路基本原理无缝线路基本参数无缝线路基本温度力无缝线路稳定性分析无缝线路结构设计无缝道岔桥上无缝线路跨区间无缝线路2一、概述1、铺设无缝线路的意义*定义：铁路无缝线路是指将钢轨连续焊接或胶接而成的长钢轨线路，一般需超过两个伸缩区长度（一个伸缩区长度一般约60~70m），以确保形成一定长度的无缝线路固定区。特点：消除了大量接头，从而具有行车平稳、旅客舒适；同时机车车辆和轨道的维修费用减少、使用寿命延长等特点全世界130万km铁路，近1/3为无缝线路,德96%，法59%，美40%，苏联39%，中50%无缝线路是二十世纪轨道结构进步的标志，是与高速重载相适应的轨道结构，是轨道技术的发展方向3一、概述2、无缝线路类型*按温度力调节方式的不同，无缝线路可分为温度应力式无缝线路、自动放散温度应力式无缝线路和定期放散温度应力式无缝线路。按铺设区段的范围不同，无缝线路可分为普通无缝线路、区间无缝线路和跨区间无缝线路等。按下部基础的类型不同，无缝线路可分为路基上无缝线路、桥上无

缝线路、隧道区无缝线路和道岔区无缝线路等。按钢轨接头处理方式的不同，无缝线路可分为焊接无缝线路、胶结

无缝线路和冻结无缝线路等。按轨道结构形式的不同，无缝线路可分为有砟轨道无缝线路和无砟轨道无缝线路等。4一、概述3、无缝线路发展历程无缝线路上世纪三十年代在德国开始发展我国无缝线路从上世纪50年代开始，经历了五个阶段无缝线路技术储备阶段：焊接、长轨运输、设计理论突破四大铺设禁区阶段：长大桥、大坡道、小半径、寒冷地区跨区间无缝线路试铺阶段：无缝道岔、胶结绝缘接头新线一次铺设跨区间无缝线路阶段：秦沈客运专线全面推广跨区间无缝线路阶段：高速及新建铁路、长定尺钢轨5二、无缝线路基本原理1、无缝线路温度力、伸缩位移与温度变化的关系*当轨温变化时，钢轨要发生伸缩，但由于有扣件或道床阻力的约束作用，不能自由伸缩，在钢轨内部就会产生很大的温度力

长度为l可自由伸缩的钢轨，当轨温变化时，其伸缩量为如果钢轨完全被固定，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钢轨所受的温度力为

a钢轨钢膨胀系数l钢轨长度△t轨温变化幅度F钢轨断面积6二、无缝线路基本原理1、无缝线路温度力、伸缩位移与温度变化的关系*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。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控制轨温变化幅度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，P75>P60>P50无缝线路钢轨自由伸长量与轨温变化幅度、轨长有关，与钢轨断面面积无关钢轨受力原理与杆件压缩不同相同的是纵向力、应力和应变不同的是荷载、伸缩量竖向上钢轨自由伸缩、压杆应变受泊松比限制

钢轨温度应力检测是世界性难题！长轨条有位移时应力就会释放或调整！工程上采用爬行观测桩检测钢轨应力，误差4℃7二、无缝线路基本原理2、轨温与气温的关系*大量统计表明，最高轨温比最高气温高20℃，最低轨温与最低气温相同与气候变化、风力大小、日照强度、线路走向和所取部位等均有密切关系气温资料取历史记录资料，近年来全球气候变暖，可按近30年的气温资料设计中间轨温为最高轨温Tmax与最低轨温Tmin的平均值年轨温差为最高轨温与最低轨温之差，低于80℃为温暖地区，高于80℃低于90℃为寒冷地区，高于90℃为严寒地区8二、无缝线路基本原理3、锁定轨温*为控制钢轨的轨温变化幅度，降低长轨条内的温度力，需选择一个合适的零应力状态轨温，即锁定轨温。通常有设计锁定轨温、施工锁定轨温和实际锁定轨温之分。通过理论分析，综合考虑轨道强度和稳定性而确定的合理的锁定轨温范围称之为设计锁定轨温。在铺设无缝线路中，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，一般要求应在设计锁定轨温允许变化范围之内。线路在实际运营中，轨条内的零应力状态会随着钢轨的爬行、轨条的辗长而发生改变，这种无缝线路实际运营中的零应力状态轨温一般称之为实际锁定轨温。锁定轨温是决定钢轨温度力峰值大小的基准，根据轨道结构强度和线路稳定性条件确定锁定轨温是无缝线路设计的主要内容。9三、无缝线路的基本参数1、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为了防止钢轨爬行，要求扣件阻力必须大于道床纵向阻力在桥梁等特殊地段，为了降低桥梁所受纵向力和保证长轨的正常伸缩，扣件阻力可小于道床阻力扣件阻力是由钢轨沿轨枕垫板面之间的摩阻力和扣件与轨底扣着面之间的摩阻力所组成橡胶垫板扣件

小阻力扣件实现途径：减小扣压力降低摩擦系数10三、无缝线路的基本参数1、扣件阻力*扣压力P的大小与螺栓所受拉力P拉的大小有关。以弹条式扣件为例，可得P的算式如下：故扣件的纵向阻力F可表述为：弹条扣件受力图11三、无缝线路的基本参数1、扣件阻力*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，阻力不再增加轨下胶垫产生残余压缩变形，以致扣件阻力下降列车通过时的振动，也会使螺帽松动，扭矩下降，导致扣件阻力下降

考虑上述因素，计算中取1mm处的阻力值，如Ⅲ型扣件取16kNⅢ型扣件阻力12三、无缝线路的基本参数2、接头阻力*钢轨两端接头处由钢轨夹板通过螺栓拧紧，产生阻止钢轨纵向位移的阻力由钢轨夹板间的摩阻力和螺栓的抗剪力提供只计算摩阻力，取决于螺栓拧紧后的张拉力和钢轨与夹板之间的摩擦系数

P螺栓张拉力T水平分力P/2N法向分力R接触面合力摩擦系数0.25夹板接触面倾角tana=i，1/4~1/313三、无缝线路的基本参数2、接头阻力*一枚螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力，常值接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有关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40-50%

T

拧紧螺帽时的扭力矩N·m

K

扭矩系数0.18～0.24P螺栓拉力kND螺栓直径mm

10.9

级螺栓，扭矩应保持在700～900N·m10.9级Φ27mm的高强螺栓（扭矩1100N·m

以上）联结的钢轨接头，接头阻力达

900

kN以上，构成准无缝线路胶接绝缘接头的阻力可达

1500～3000

kN，与焊接接头等强

14三、无缝线路的基本参数3、道床阻力*扣件道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力，一般以每根轨枕的阻力

R，或每延厘米分布阻力r表示道床纵向阻力受道砟材质、颗粒大小、道床断面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力，由轨枕与道床之间的摩阻力和枕木盒内道砟抗推力组成

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，轨枕盒内的道砟颗粒之间的结合被破坏，在此情况下，即使位移再增加，阻力也不再增大道床阻力取2mm时的值，常值15四、无缝线路基本温度力

——接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度。16四、无缝线路基本温度力1、长钢轨约束条件*（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r的形式分布。故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量伸缩，轨内还继续产生温度力，且各截面的温度力并不相等，以斜率r分布。17四、无缝线路基本温度力2、基本温度力图*轨温单向变化时，温度力沿钢轨纵向分布的规律，称为基本温度力图固定区Pt=EAα∆t伸缩区伸缩区接头阻力接头阻力扣件或道床纵向阻力钢轨位移钢轨位移18四、无缝线路基本温度力2、钢轨基本温度力图*△t=0时，P=0，零应力状态△t≤△tH时，轨端无位移，温度力在整个长轨条内均匀分布，Pt＝PH△t＞△tH时，道床纵向阻力开始发挥作用，轨端开始产生收缩位移，同时在x长度范围内放散部分温度力Tmin时，P=Pmax，伸缩范围达到最大值，称为伸缩区r表示单位长度范围内的道床纵向阻力，单位N/m；而不是指产生单位位移所需要的作用力。钢轨不产生位移处为固定区，道床不提供阻力；道床提供约束阻力处，钢轨必有位移19四、无缝线路基本温度力3、轨温反向变化时的钢轨温度力图*t0

可能有大于、等于或小于当地中间轨温

3

种情况，常见t0＞t中当Tmin－t≤

tH时，接头阻力抵抗AEE

tH≤Tmin－t≤2

tH，接头阻力起作用，钢轨不发生新的位移FGG

Tmin－t≥2

tH，钢轨开始伸长，阻力反向，其他范围位移不变t＝Tmax，

t

拉

max＞

t

压

max，出现温度压力峰，胀轨危险季节在4-5月份，冬季作业后，温度力峰更大在取锁定轨温等于或小于中间轨温时，则不会在伸缩区出现温度压力峰。道床阻力方向钢轨位移方向20四、无缝线路基本温度力3、轨温反向变化时的钢轨温度力图*不考虑符号轨温再次循环时，变化规律又不同道床阻力方向钢轨位移方向21四、无缝线路基本温度力4、轨端伸缩量*长钢轨端部伸缩量计算距轨端x处dx段未实现的伸缩量轨端未实现的伸缩量轨端实现的伸缩量图中阴影部分面积与EF之比22四、无缝线路基本温度力4、轨端伸缩量*短钢轨端部伸缩量计算注意钢轨的对称伸缩所有伸缩量均可采用释放的温度力图面积求解23四、无缝线路基本温度力5、算例*算例1：60kg/m钢轨无缝线路，接头阻力490kN，秋冬季作业后线路阻力为100N/cm，春夏季线路阻力增大至150N/cm，秋天锁定时轨温为25℃，最高气温45℃，最低气温零下20℃，问伸缩区长度？最大温度压力峰？夏季时轨端伸长量？钢轨钢膨胀系数11.8×10－6/

C，弹性模量2.1×105MPa，截面积77.45cm2。解：

最大温度压力767.7kN，最大温度拉力863.6kN

伸缩区长度37.36m

温度压力峰距钢轨端部26.0m

温度压力峰值880.0kN

夏季轨端伸缩长0.9mm24四、无缝线路基本温度力5、算例*算例2：60kg/m钢轨无缝线路，接头阻力490kN，线路阻力为150N/cm，锁定轨温为25℃，最高气温45℃，最低气温零下20℃，冬天时在距接头900m至950m范围内轨道基础出现了向右移动现象，设在此范围内轨道受到了向右的道床阻力，问基础移动将带动轨排在多大范围内出现局部位移（不包括轨条端部位移），最大位移为多少？试画最低温时的温度力图。钢轨钢膨胀系数11.8×10－6/

C，弹性模量2.1×105MPa，截面积77.45cm2。解：

最大温度压力767.7kN，最大温度拉力863.6kN，伸缩区长度24.9m，基础移动发生在固定区

基础移动范围内的道床阻力为750kN

固定区拉压面积相等，则最大附加温度压力为375kN，扰动范围100m

扰动范围钢轨最大位移为5.76mm25四、无缝线路基本温度力5、算例*算例3：60kg/m钢轨无缝线路，接头阻力490kN，锁定轨温为25℃，最高气温45℃，最低气温零下20℃，钢轨钢膨胀系数11.8×10－6/

C，弹性模量2.1×105MPa，截面积77.45cm2，道床总的纵向阻力与一般情况下rl不同，为rl2/5，r为5kN/m2，求最低温时的伸缩区长度及钢轨端部伸缩位移？并绘出温度力图。解：最大温度压力767.7kN，最大温度拉力863.6kN

伸缩区长度l=19.3m

未能自由伸缩位移为7.3mm

轨端伸缩位移为3.0mm26四、无缝线路基本温度力5、算例*算例4：60kg/m钢轨无缝线路，接头阻力490kN，锁定轨温为25℃，最高气温45℃，钢轨钢膨胀系数11.8×10－6/

C，弹性模量2.1×105MPa，截面积77.45cm2，线路纵向阻力为15kN/m，在荷载作用下其纵向阻力增加至20.0kN/m，长轨条端部与25m普通钢轨相连，接头轨缝为8mm，当气温达到最高时恰好有一单机在长轨条端部启动，轮轨间摩擦系数为0.3，单机长度为25m，其分布轴重为40kN/m，问此时伸缩区长度为多？长轨条与普通钢轨间的轨缝会否顶死？并绘出温度力图。解：最大温度压力767.7kN

启动时作用在钢轨的纵向力方向与道床阻力方向相反，相当于在25m范围内道床纵向阻力变为8kN/m，其他地段为15kN/m伸缩区由两段组成，其长度l=30.18m

长轨条端部伸缩位移为2.9mm

普通钢轨端部伸缩位移为1.4mm，则轨缝变小4.3mm，不会顶严27五、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28五、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29五、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30五、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%31五、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影响道床横向阻力的因素很多，主要与道床状态、肩部几何状态及维修作业等有关。32五、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*影响因素1：道床状态道床是由道砟堆积而成，道床的饱满程度、道砟的材质及粒径尺寸对道床横向阻力都有影响。道床的饱满程度关系到轨枕与道砟接触面的大小及道砟之间的相互结合，饱满的道床可以提高道床的横向阻力。道砟的材质不同，提供的阻力也不一样；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也较大，例如粒径由25～65mm减小到15～30mm，横向阻力将降低20～40%。33五、无缝线路稳定性分析

枕端道床破裂示意图34五、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*影响因素3：线路维修作业的影响扰动道床的维修作业，如起道捣固、清筛等均会破坏道砟间的相互咬合，改变道砟与轨枕的接触状况态，削弱道床阻力。各种作业前后轨枕位移2mm时的阻力值及降低率见表维修作业前后道床横向阻力35五、无缝线路稳定性分析4、道床横向阻力*轨道框架刚度是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20，50，100，150

N·m36五、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%37五、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*稳定准则——允许温度压力及允许温升统一公式计算理论认为，为了避免或尽量减小在温度的反复变化过程中残余变形的积累，应对变形幅值f严格限制，并认为道床的弹性范围为1~2mm。同时，为了避免过分严格地限制温度力，影响无缝线路的铺设与应用范围，定义由f=2mm时计算出的温度力为计算温度压力PW。考虑一定的安全裕量即为允许温度压力[P]38五、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*由于变形矢度远小于波长，故可不考虑胀轨区的温度压力降低，从而有：

39五、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*计算基本假定稳定性统一计算公式基于如下基本假设：①假设轨道屈曲成形状及波长相同的多波形状，仅取一个最不利的半波作为计算对象②假设轨道原始弹性弯曲为正弦曲线，即假设轨道原始塑性弯曲为半径R0的圆曲线，即40五、无缝线路稳定性分析6、无缝线路稳定性计算公式*计算基本假定③假设在温度压力P作用下，轨道变形曲线为正弦曲线，即④考虑曲线区段为稳定性最不利的轨道线路区段，线路半径为R表示为：⑤道床横向阻力采用三项式，表示为：⑥考虑扣件节点阻矩等影响，轨道水平抗弯刚度折减为βEI。41五、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式*轨道总势能

A

由以下部分组成：轨道总势能由钢轨的轴向压缩应变能A1、轨道框架的弯曲变形能A2和道床形变能A3三部分组成假设：①在小位移条件下，不考虑邻区纵向位移u及纵向阻力r(u)的影响；②轨道框架水平抗弯刚度以βEI表示；③横向变形用yf表示，曲线坐标如图0-所示，积分限为0~l；④考虑圆曲线矢度的影响。总势能可表示为：42五、无缝线路稳定性分析

43五、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，忽略扣件扭矩道床变形能

（7-35）Q为等效道床阻力

44五、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式以

代入，得

（7-36）由该式可得P是l的函数，因此，必有一变形弦长l使P为最小。具体求l时，统一公式认为，按照初始不平顺的不同假设，有两种方法可用：一是假设初始f0为已知，称之为定矢度法；一是假设初始不平顺曲率为已知，称之为定曲率法。45五、无缝线路稳定性分析7、无缝线路稳定性统一公式①定曲率法46五、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℃47五、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48五、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梁压缩形变能梁的弯曲形变能道床形变能扣件形变能49五、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

8

C，直线及半径

R≥2

000

m

曲线在设计中考虑运营过程中锁定轨温的变化，再减去8

C计算步骤：假定波长，计算P得到P的极小值50五、无缝线路稳定性分析8、无缝线路稳定性变波长公式算例51五、无缝线路稳定性分析9、拓展及思考直线轨道，设初始变形曲线，变形曲线，在荷载P作用下波长保持一致，道床横向阻力为常量，轨排横向抗刚度为EI，试求胀轨临界波长与临界温度力？52六、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断轨、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53六、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54六、无缝线路结构设计3、根据断缝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55六、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56六、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]tetmtn57六、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58六、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59六、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:20mm60六、无缝线路结构设计8、预留轨缝轨端伸缩量计算61六、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62六、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。63六、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

64六、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℃65六、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也会4、钢轨越重越容易胀轨？是，温度力的增加幅度较框架刚度增加幅度大5、钢轨在胀轨阶段有何应急处理措施？浇水、覆冰、堆重、停车……6、夏天换轨有何要求？计算伸缩量、插入合适长度的钢轨、锁定轨温时放散7、等效道床阻力是否随2mm处的道床横向阻力增大而增大？不一定，等效道床阻力是轨枕横向位移范围内的综合阻力，与2mm前阻力斜率关系极大66六、无缝线路结构设计11、课程作业67六、无缝线路结构设计11、课程作业68七、无缝道岔1、无缝道岔概述无缝道岔取消了岔区的普通钢轨接头，提高了岔区轨道平顺性，降低了轮轨动力冲击，延长了钢轨件及轨道结构使用寿命。无缝道岔除承受机车车辆的动荷载作用外，还承受轨条无缝化产生的纵向温度力作用，并保持结构的稳定和部件的可靠性。因此，无缝道岔须满足基本的结构要求。69七、无缝道岔1、无缝道岔概述（1）道岔钢轨应具有良好的可焊性，以实现岔内接头及岔区两端接头的可靠焊接（2）岔区钢轨扣件应采用大阻力弹性扣件，以保持岔区钢轨的稳定（3）有砟轨道无缝道岔道床应饱满、密实，特别要注意填平、夯实岔枕盒内的道砟（4）尖轨、心轨跟端可设置间隔铁或限位器等传力部件，并采用高强螺栓联接（5）无缝道岔应采用弹性可弯式AT尖轨70七、无缝道岔2、无缝道岔温度力的传递路径71七、无缝道岔3、辙叉结构传力机理辙叉是实现叉跟纵向温度力向导轨传递的重要部件，其结构型式有固定型辙叉、可动心轨辙叉两类。（1）固定型辙叉为整体式结构，受到区间钢轨传来的纵向温度力后，先克服辙叉扣件纵向阻力、辙叉垫板的摩擦阻力或道床阻力，而后通过辙叉趾端平均地传递给直、曲导轨。（2）可动心轨辙叉是由翼轨、心轨、叉跟轨及联接零件等组成的拼装式结构，利用间隔铁和高强螺栓将心轨跟端（或叉跟轨）与翼轨跟端牢固联结，形成稳定、可靠的框架及传力结构72七、无缝道岔4、转辙器跟端结构传力机理无缝道岔转辙器跟端主要有三类纵向传力结构：无传力部件辙跟式、限位器辙跟式、间隔铁辙跟式限位器尖轨跟端间隔铁尖轨跟端73七、无缝道岔4、转辙器跟端结构传力机理经辙叉传至直、曲导轨的温度力在克服导轨段扣件纵向阻力及道床纵向阻力的制约后，继续向尖轨跟端传递；并根据不同的尖轨跟端构造，影响尖轨的伸缩及转辙器工电结合部工作状态。（1）无传力部件辙跟式尖轨跟端构造。为防止转换设备卡阻，需采用容许伸缩位移足够大的转换设备，设备要求较高。（2）转辙器跟端设置传力部件，可限制尖轨尖端的较大伸缩位移，保证工电结合部正常工作。74七、无缝道岔5、扣件的纵向约束与传力扣件阻力是无缝线路纵向阻力极其重要的组成部分，无缝道岔中亦如此。要求扣件纵向阻力尽可能大，确保辙叉及导轨的部分温度力能通过岔枕传至道床和基本轨，并防止岔区钢轨过量爬行，保持岔区线形及几何状态。因此，当岔区存在升、降温时，岔区里轨扣件阻力方向与基本轨的方向相反，相应的温度力梯度也相反。75七、无缝道岔6、岔枕的纵向传力作用岔枕承受里轨扣件系统传递来的纵向力，并向道床和与之相联的基本轨扣件传递，通过基本轨扣件把里轨温度力部分传至基本轨，同时使轨枕产生纵向位移、水平偏转及弯曲。76七、无缝道岔7、道床状态和纵向传力道床是无缝道岔保持稳定的基础，实现岔区纵向温度力的调整与重分布。无砟道床具有足够的纵、横向阻力，有利于保持无缝道岔稳定。有砟道床通过严格控制道床断面尺寸，保持岔区的“大平大向”，实现无缝道岔的内部传力与状态稳定。有砟道床的断面应符合相关规范的规定。77七、无缝道岔8、螺栓的传力作用道岔内的螺栓是保证无缝道岔内温度力有效传递与分布的基础。为此需保证道岔内的螺栓扭矩符合设计规定，部分螺栓的扭矩参考值见表78七、无缝道岔9、无缝道岔的主要计算方法我国发展了多种无缝道岔计算理论，代表性的有“当量阻力系数法”、“有限单元法”，此外还有“两轨相互作用法”、“广义变分法”等。当量阻力系数法通过叠加原理求解基本轨的附加温度力。由于无缝道岔基本轨处于无缝线路的固定区，基本轨附加温度力图上拉力区面积与压力区面积相等，可采用与桥上无缝线路伸缩附加力试算法类似的方法计算有限单元法通过合理划分钢轨及岔枕单元，并将线路阻力和间隔铁、限位器等传力部件模拟为弹簧单元，将节点位移及钢轨温度力视为变量进行求解。79七、无缝道岔10、无缝道岔的主要影响因素及参数（1）主要影响因素无缝道岔计算模型与轨温变化幅度、传力部件和线路阻力的特性、道岔号码、辙叉类型、焊接类型、道岔群的联结型式、相邻单元轨节铺设轨温差等多种因素相关，影响着无缝道岔的受力和变形。（2）主要计算参数道床纵向阻力可采用岔区沿岔枕长度方向的道床纵向阻力分布，取为46N/cm；Ⅲ型扣件阻力取为16kN，Ⅱ型扣件阻力取为12.5kN；限位器纵向刚度可取为60MN/m；间隔铁纵向刚度可取为50MN/m。80七、无缝道岔11、检算项目与指标（1）钢轨伸缩位移检算无缝道岔尖轨尖端的伸缩位移为其跟端位移与尖轨自由伸缩位移之和，按下式简化计算：无缝道岔可动心轨尖端的伸缩位移为其跟端位移与可动心轨自由伸缩位移之和，按下式简化计算：81七、无缝道岔11、检算项目与指标（2）传力部件强度检算无缝道岔中的传力部件包括尖轨跟端的限位器或间隔铁、长翼轨末端的间隔铁。传力部件联结螺栓所承受的剪应力应满足以下要求：82七、无缝道岔11、检算项目与指标（3）钢轨强度检算钢轨强度检算与普通无缝线路相同，检算用荷载组合为动弯应力、温度应力、基本轨附加应力。在基本轨附加温度力峰处应进行钢轨强度检算。若钢轨不能满足强度条件时，应提高钢轨强度，特别是基本轨焊接接头质量，也可适当调整无缝道岔的锁定轨温。83七、无缝道岔11、检算项目与指标（4）稳定性检算岔前线路稳定性检算可采用普通无缝线路稳定性计算公式进行计算。因岔前线路温度力分布的非均匀性，需确定一个恰当的检算位置，一般取尖轨尖端前4m处作为检算断面。为确保无缝道岔稳定，应保持道床饱满、密实，并加宽和堆高砟肩；按规定拧紧钢轨扣件等。在仍不能满足稳定性要求的条件下，可适当提高无缝道岔及区间线路的锁定轨温。84七、无缝道岔12、道岔群布置原则85七、无缝道岔13、隧道区段无缝道岔的布置隧道内温度常年基本恒定，铺设无缝道岔条件较好。隧道洞口附近存在非均匀分布的温度过渡段，夏季隧道外气温、轨温较隧道内高20~30℃，冬季低3~8℃。受隧道长度、方向和通风条件等影响，温度过渡段的长度一般为10~50m。86七、无缝道岔14、无缝道岔在无砟轨道区段的布置无缝道岔铺设于无砟轨道上，通常称之为“无砟道岔”，由于刚化的无砟道床提供了更为稳定、可靠的岔下基础，有利于无缝道岔温度力的传递和伸缩位移控制，具体表现如下：（1）无砟道岔转辙器跟端仅限位器起传力作用，岔枕不再起传递纵向力的作用。（2）无砟道岔中宜采用大阻力的扣件系统，增大扣件纵向阻力可显著降低无砟道岔尖轨伸缩位移、限位器所受纵向力及基本轨附加温度力。（3）无砟道岔具有良好的稳定性，可采用间隔铁结构减缓尖轨伸缩位移及卡阻现象的发生。（4）无砟道岔稳定性较好，更有利于与区间形成跨区间无缝线路。87八、桥上无缝线路1、桥上无缝线路概述我国从1963年开始，先后在一些中小跨度的多种类型桥梁（简支梁、连续梁、桁梁、有砟无砟桥）上铺设无缝线路，并对桥上无缝线路梁、轨相互作用的原理进行大量的试验研究。桥上无缝线路的受力情况和路基上不同，除受到列车动载、温度力等的作用外，还承受伸缩力、挠曲力、牵引/制动力、断轨力的作用。为确保桥上无缝线路的安全运营，必须考虑上述各项纵向力及其合理组合作用下，钢轨、桥跨结构及墩台满足各自的强度条件、稳定性条件及钢轨断缝限值要求。88八、桥上无缝线路2、桥上无缝线路附加力附加作用力伸缩力：因温度变化梁伸缩引起的相互作用力挠曲力：列车荷载作用下梁挠曲引起的相互作用力断轨力：桥上无缝线路断轨时作用于桥跨结构的力制动力：列车在桥上制动或启动时的作用力制挠力、墩移力、地震力等附加力和其他线路纵向力组合作用下检算钢轨的强度、稳定性和断缝附加力反作用于桥梁，桥跨结构、墩台的强度和稳定性一桥一算，通用计算程序BCWR89八、桥上无缝线路3、桥上无缝线路附加力的计算理论与方法*分析桥上无缝线路纵向力产生的基础产生纵向力的充要条件：梁轨相对位移和线路纵向阻力线路纵向阻力对梁轨相互作用的影响减小线路纵向阻力有利于减小纵向相互作用线路纵向阻力过小将会产生过大的轨缝对线路纵向阻力需合理取值纵向阻力变化对横向阻力也有影响纵向阻力有常阻力和非线性阻力通常取扣件和道床阻力的小值钢轨桥梁

u(x)v(x)f(x)f(x)90八、桥上无缝线路3、桥上无缝线路附加力的计算理论与方法梁轨相互作用简图钢轨桥梁桥台Qu(x)=y(x)-∆(x)0KRailbridgeabutment91八、桥上无缝线路4、计算参数线路阻力可根据实际情况，取为常量或线性及非线性的各种函数形式，计算挠曲力时需考虑列车荷载影响，多采用双线性型式，分为有载阻力和无载阻力有砟轨道小阻力扣件纵向阻力无砟轨道小阻力扣件纵向阻力(0.5,8)(0.5,6.5)(0.5,12.5)(0.5,8)92八、桥上无缝线路4、计算参数梁温度差墩台纵向水平刚度梁类型日温度差年温度差混凝土梁15℃30℃钢梁25℃50℃跨度（m）≤12162024324048桥台墩台顶线刚度（kN/cm·双线）1202002403004007001000300093八、桥上无缝线路5、伸缩力的计算伸缩力由于温度变化桥梁伸缩对钢轨作用的纵向力影响因素线路纵向阻力（梁轨相互间的联结强度）梁的伸缩量（即温度跨度）长钢轨布置方式梁跨支座布置方式桥梁墩台刚度桥梁结构型式，如拱桥、斜拉桥、连续刚构轨道结构型式，如有砟、单元板式、纵连板式94八、桥上无缝线路5、伸缩力的计算单跨简支梁伸缩力计算计算假定桥梁位于无缝线路固定区桥梁自由伸缩，忽略其他影响对于一般矮墩或刚度较大桥梁，忽略墩顶位移假定温度单向变化，一般取一天内可能出现最大温差线路纵向阻力取为常量阻力95八、桥上无缝线路5、伸缩力的计算单跨简支梁伸缩力计算简图Ku1u2PEQ(x)ΔTFC’CB’BAE’EFD’DPBPC两个平衡方程96八、桥上无缝线路5、伸缩力的计算单跨简支梁伸缩力解析解（路基及桥上阻力相同）钢轨纵向力平衡条件附加温度力拉压面积相等条件

梁轨位移相等点条件

97八、桥上无缝线路5、伸缩力的计算单跨简支