8无缝线路稳定性分析普通无缝线路设计超长无缝线路及特殊地段无缝线路

第八讲无缝线路设计及特殊无缝线路1、铺设无缝线路的意义和类型2、各种线路阻力3、钢轨温度力、伸缩位移与轨温变化的关系复习:本讲主要学习内容：1、无缝线路稳定性分析2、普通无缝线路设计（重点）3、跨区间无缝线路4、无缝线路施工基本方法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。一、无缝线路稳定性分析1胀轨跑道2胀轨跑道的发展过程图中纵坐标为钢轨温度压力，横坐标为轨道弯曲变形矢度f0+f，f0为初始弯曲矢度。胀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。在持稳阶段（AB），轨温升高，温度压力增大，但轨道不变形。胀轨阶段（BK），随着轨温的增加，温度压力也随之增加，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。当温度压力达到临界值时，这时轨温稍有升高或稍有外部干扰时，轨道将会突然发生臌曲，道碴抛出，轨枕裂损，钢轨发生较大变形，轨道受到严重破坏，此为跑道阶段（KC），至此稳定性完全丧失。可分为三个阶段，即持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段。Cf0+fKPtPk0A[P]BPnf02mm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。因此，稳定性分析对无缝线路的设计，铺设及养护维修具有重要的理论和实践意义。3无缝线路稳定性计算的主要目的4影响无缝线路稳定性的因素大量调查表明: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，我们必须研究丧失稳定与保持稳定两方面的因素，注意发展有利因素，克服、限制不利因素，防止胀轨跑道事故，以充分发挥无缝线路的优越性。道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称道床横向阻力，它是防止无缝线路胀轨跑道，保证线路稳定的主要因素。稳定轨道框架的力，65%由道床提供。道床横向阻力是由轨枕两侧及底部与道碴接触面之间的摩阻力，和枕端的碴肩阻止横移的抗力组成。1)保持稳定的因素①道床横向阻力道床横向阻力与位移关系曲线②轨道框架刚度轨道框架刚度是反映其自身抵抗弯曲能力的参数。轨道框架刚度愈大，弯曲变形愈小，所以是保持轨道稳定的因素。轨道框架刚度，在水平面内，等于两股钢轨的水平刚度及钢轨与轨枕接点间的阻矩之和。①温度压力由于温度升高引起的钢轨轴向温度压力是构成无缝线路稳定问题的根本原因。②轨道初始弯曲初始弯曲是影响稳定的直接因素，胀轨跑道多发生在轨道的初始弯曲处。因而控制初始弯曲的大小，对保证轨道稳定有重要作用。2）丧失稳定的主要因素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，在上述稳定性计算的基础上，还需要对稳定性的安全储备量进行分析，即要考虑一定的安全储备量。3）稳定性安全储备4）稳定性计算（自学）二、普通无缝线路设计普通无缝线路设计主要指：区间内的无缝线路设计。主要内容：确定中和温度和结构计算。我国无缝线路的基本结构型式：温度应力式。1确定中和轨温为与施工时的锁定轨温相区别，这里将设计锁定轨温称为中和温度。①根据强度条件确定允许的降温幅度无缝线路钢轨应有足够的强度，以保证在动弯应力、温度应力及其他附加应力共同作用下不被破坏，仍能正常工作。此时，要求钢轨所承受的各种应力的总和不超过规定的容许值[σs]，即sdtc≤式中σd——钢轨承受的最大动弯应力（MPa）；σt——温度应力；σc——钢轨承受的制动应力，一般按10MPa计算；[σs]——钢轨容许应力，它等于钢轨的屈服强度σs除以安全系数K允许的降温幅度[Δts]由下式计算式中σgd——钢轨底部下缘动弯应力。sgdcstE－－＝根据稳定条件求得允许温度压力[P]后，按下计算允许轨升幅度[Δtc]：②根据稳定条件确定允许的升温幅度2cPtEA＝[P]为两根钢轨受力，一根钢轨受力[P]/2。ctmaxtmintmtetntst中和温度计算图③中和温度的确定中和温度te可按下式计算：2sceKttttttmaxmin+2式中tmax、tmin——铺轨地区的最高、最低轨温；ΔtK——温度修正值，可根据当地具体情况取0~5℃。无缝线路铺设时，锁定轨温应有一个范围，一般取中和温度±5℃，则：锁定轨温上限tm=te+5℃；锁定轨温下限tn=te－5℃；且需满足以下条件：tmax－tn＜[Δtc];tm－tmin＜[Δts]。④无缝线路结构计算轨条长度应考虑线路平、纵面条件、道岔、道口、桥梁、隧道所在位置，原则上按闭塞区间长度设计，一般长度为1000～2000m。轨节长度最短一般为200m，特殊情况下不短于150m。在长轨之间、道岔与长轨之间、绝缘接头处，需设置缓冲区，缓冲区一般设置2~4根同类型型标准轨。i)轨条长度ii)伸缩区长度伸缩区长度ls按式下式计算。伸缩区长度一般取50～100m，宜取为标准轨长度的整倍数。max2.5maxmaxttHsPAtPPlr拉拉＝iii)预留轨缝长轨条一端的伸缩量λ长下式计算：标准轨一端的伸缩量λ短按下式计算：2max2srlPPABCEAEAEAr2tH长（－）＝＝＝22(max)28tHPPlBKGHBKCrlEAEAEAEA短式中maxPt为从锁定轨温到最低或最高轨温时所产生的温度力。a缓冲区中标准轨之间的预留轨缝与普通线路相同。001()2zgaLttaα按冬季轨缝不超过构造轨缝ag的条件，可算得预留轨缝a0上限为：(gaa上长短＝＋）b长轨与标准轨之间的预留轨缝计算方法如下：按夏季轨缝不顶严的条件，其下限为：''a下长短＝＋式中λ长、λ短——从锁定轨温至当地最低轨温时，长轨、短轨一端的伸缩量；λ‘长、λ'短——从锁定轨温至当地最高轨温时，长轨、短轨一端的伸长量。根据以上的分析，则预留轨缝a0为：若钢轨绝缘接头采用胶接绝缘接头，则允许缓冲区轨缝挤严。02aaa下上＋iV）防爬设备的设置线路爬行是造成轨道病害的主要原因之一。无缝线路地段，如爬行，其后果较普通线路更为严重。因为它除产生一般的轨道病害外，还会因钢轨受力不均而改变原来的锁定轨温。在无缝线路的伸缩区和缓冲区上，因钢轨可能有伸缩，必须布置足够的防爬设备，保证无相对于轨枕的纵向移动。为此，要求钢轨与轨枕间的扣件阻力，大于轨枕与道床间的纵向阻力。即PnPnR防扣＋≥式中P防——一对防爬器提供的阻力(N)，见表5-3；P扣——一根轨枕上扣件的阻力(N)，见表5-3；R——一根轨枕提供的道床纵向阻力(N)，见表5-4；n——配置一对防爬器的轨枕数。缓冲区的防爬设备与伸缩区相同。采用弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件时，一般可不装防爬器。V）位移观测装置通过爬行观测桩和标定轨长的观察与换算，分析研究锁定轨温有无变化，钢轨纵向力的分布是否均衡，对超长无缝线路来说是十分重要的。采用轨长标定法标定时，在普通无缝线路上为每250m设置一处，而在超长无缝线路上，应加密标定，可每50m一处。如观测桩采取等距离设置，则两观测桩之间的锁定轨温改变，由轨长标定监控。实行观测桩、轨长标定双重控制，增加了监控的可靠度。七、跨区间无缝线路在我国，桥上、小半径曲线、大坡道和寒冷地区曾一度被称为“四大禁区”，无缝线路的铺设受到一定限制。跨区间无缝线路是指轨条长度跨越区间，轨条与道岔直接连接的无缝线路。也称超长无缝线路。按照无缝线路的基本原理，焊接长钢轨的温度应力与轨温变化幅度有关，而与焊接长钢轨的长度无关。因此，无缝线路可以无限延长。实际上，无缝线路都存在缓冲区，我国焊接长钢轨长度一般为1～2km，有以下一些原因：1发展跨区间无缝线路的技术障碍1）我国自动闭塞区段的闭塞长度为1.2km左右，在信号机处必须设置钢轨绝缘接头，由于绝缘材料强度低，容易破损失效，绝缘接头前后要留有轨缝，避免绝缘接头承受长轨节巨大的温度力。2）由于封锁施工每次给点时间的限制和施工条件的制约，在一个施工“天窗”只能铺设1～2km无缝线路。3）在铺设无缝线路时，由于受施工季节和施工条件的限制，未能在设计锁定轨温范围内锁定线路，或者某种原因造成锁定轨温与设计锁定轨温不符，或者锁定轨温不明时，要对无缝线路进行应力放散，需要在一定长度范围内断开轨节，设置缓冲轨。4）道岔区的焊接问题在技术上和工艺上有一定难度，焊接长钢轨在道岔区不得不断开，在我国，桥上、小半径曲线、大坡道和寒冷地区曾一度被称为“四大禁区”，无缝线路的铺设受到一定限制，在这些地段，焊接长钢轨也不得不断开。1）技术基础①已进行过全区间无缝线路的初步尝试20世纪60年代：广深线8km20世纪80年代：京山铁路：7.68、7.64km2我国铁路发展跨区间无缝线路的技术基础②扩大无缝线路铺设范围的基础工作有较大进展桥上无缝线路：在铁科院、各高等院校、各铁路局等单位的共同努力下，经过长期的研究，提出在无碴上、跨度60m以下，当桥总长在100～200m以内，及有碴桥梁跨在32m以下（梁在无缝线路固定区）时，可不必单独设计，为较多的中、小桥铺设无缝线路提供了方便条件。小半径曲线无缝线路：在半径小于600m的曲线地段铺设无缝线路的实践证明，轨道结构稳定，维修工作量小，发挥了无缝线路应有的技术经济基础。大坡道无缝线路：在大坡道上铺设无缝线路比有缝线路具有多方面的优越性，特别是防止钢轨爬行、延长钢轨使用寿命有明显效果，在长大坡道上铺设无缝线路，只要技术条件适合，可不受12‰的限制。寒冷地区无缝线路：在轨温幅度超过90℃的寒冷地区铺设温度应力式无缝线路，其强度和稳定性均可得到保证，比自动放散式及定期放散式无缝线路可节省大量人力及时间，具有显著的技术经济效益。近年来，我国铁路胶结绝缘接头技术有了较大进展，从胶结材料、工艺、绝缘性能等方面都有了很大的提高，可以保证可靠使用。钢轨铝热焊接质量有较大幅度提高。我国大多数焊轨厂安装并使用了焊缝正火设备，使钢轨焊接质量有所提高。而且我国道岔技术的进步有利于发展跨区间无缝线路。2）工艺材料3)施工养护正确确定锁定轨温和准确掌握锁定轨温，是保证无缝线路安全运用和合理安排养护维修的关键，跨区间无缝线路对锁定轨温有严格的要求，如前苏联铁路规定同一段跨区间无缝线路中，相邻两段轨节的锁定轨温差不应超过5℃，不同轨节的最高与最低锁定轨温差不应超过10℃。跨区间无缝线路需要在多次“天窗”中铺设，各段轨节铺设温差较大，为了使各段轨节锁定轨温相近，需要使用钢轨拉伸器，使钢轨能锁定在设计的锁定轨温范围内，同时，在不同季节铺设无缝线路时，也需要使用钢轨拉伸器。超长无缝线路中的道岔应当是没有任何轨缝的道岔，道岔中所有的钢轨接头都应焊接或胶接起来，道岔两端也需要与直股或侧股的无缝线路长轨条焊接在一起，这样的道岔称为无缝道岔。无缝道岔是超长无缝线路的一个重要组成部分，它与长轨条一样要承受无缝线路温度力的作用。道岔中的钢轨不但承受巨大的温度力作用，而且里侧轨线两端受力状况不同，这种不平衡的温度力状态使无缝道岔中的钢轨受力与变形位移发生变化，是无缝道岔设计、铺设、维修养护中需要处理的核心问题。3无缝道岔无缝道岔基本轨焊接后，相当于无缝线路的固定区，在不受外力作用下不会发生伸缩位移。而道岔里股钢轨焊接后相当于无缝线路的伸缩区，它将释放的温度力转换成伸缩位移。由于构造原因，道岔基本轨通过岔枕、辙跟间隔铁等部件与里轨相联，参与里轨阻止在温度力作用下的伸缩位移，从而使道岔基本轨承受了道岔里轨传来的附加温度力。无缝道岔设计的一项重要内容，就是计算道岔外侧基本轨承受的附加温度力，把它于基本轨承受的初始温度离叠加，进而检算基本轨的强度以及道岔前二轨线地段的无缝线路的稳定性。无缝道岔固定辙叉无缝道岔基本轨附加温度力图计