有砟轨道

第三章有砟轨道道路与铁道工程王鹤•目录•第一节有砟轨道的结构形式和组成•第二节扣件•第三节轨枕•第四节道床•第五节其他轨道部件•第六节特殊地段的轨道过渡段第一节有砟轨道结构形式和组成铁路发展至今传统的有砟轨道结构仍然是当前普速铁路的主要结构形式城市轨道交通的地面线也大多采用有砟轨道，以便路基下沉时能方便调整轨面高程有砟轨道钢轨轨枕连接零件道砟道岔第二节扣件•扣件是连接钢轨和轨枕的中间连接零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动•对扣件的要求足够的强度耐久性一定的弹性扣件系统零件少安装简单便于拆卸•木枕扣件（混合式分开式）混合式扣件零件有道钉和五孔双肩铁垫板。它除用道钉将钢轨、垫板和木枕一起扣紧外，还另用道钉将垫板与木枕单独扣紧。分开式扣件是将钢轨和垫板、垫板和木枕分别联结起来。它是用4个螺纹道钉联结垫板与木枕，两个底脚螺栓扣压钢轨与垫板，其道钉和底脚螺栓构成“K”型，故又称“K”式扣件。•混凝土轨枕扣件•性能要求：①足够的扣压力②适当的弹性③具有一定的轨距和水平调整量④绝缘性能我国混凝土枕扣件，在初期主要使用扣板式和拱形弹片式两种。拱形弹片式扣件由于拱形弹片强度低，扣压力小，易引起变形甚至折断，在主要干线上已被淘汰。目前使用的主型扣件为弹条I型扣件。近几年又研制成功适用于重载，高速线路上的弹条Ⅱ、Ⅲ型扣件•扣板式扣件扣板螺纹道钉弹簧铁座缓冲垫板不同号码扣板的搭配可满足不同钢轨和轨距调整的需要•弹条扣件弹条Ⅰ型扣件弹条Ⅱ型扣件弹条Ⅲ型扣件扣压力不足弹程小在Ⅰ外形基础上，更换弹条材料屈服强度和抗拉强度得到了改善扣压力大弹性好•弹条Ⅰ型扣件组成：ω形弹条、螺旋道钉、轨距挡板、挡板座及弹性橡胶垫板分类：A型：CHN50钢轨B型：CHN60钢轨（轨距挡板的作用是调整轨距，传递钢轨的横向水平推力。轨距挡板中间有长圆孔，其大小是一定的，但孔中心位置有两种，相应就有两个号码。50、60kg/m钢轨各有两个号码，分别为20、14和10、6号）•弹条Ⅱ型扣件弹条Ⅱ型扣件除弹条采用新材料重新设计外，其余部件与弹条I型扣件通用，仍为带挡肩、有螺栓扣件。在原使用弹条I型扣件地段，可用弹条Ⅱ型扣件弹条更换原I型扣件弹条。•弹条Ⅲ型扣件组成：弹条、预埋铁座，绝缘轨距块和橡胶垫板弹条Ⅲ型扣件是无螺栓无挡肩扣件。无螺栓无挡肩扣件是世界各国轨枕扣件发展的趋势，特别适用于重载、大运量、高密度的运输条件。优点：扣压力大弹性好，较强的保持轨距能力，采用无螺栓连接，减小扣件维修养护工作量•轨下橡胶垫层（增加扣件的弹性）•要求：不同的铁路，采用不同的轨下胶垫合理选择轨垫的刚度在轨道纵向弹性均匀一致•扣件工作特性①扣件形状较为复杂，刚度通过实验测得②混凝土扣件的阻力应大于道床阻力每组扣件的单位长度阻力为r=PC(f1+f2)/a（PC：两侧扣件扣压力，f1：扣件与钢轨之间的摩擦系数，一般取0.25，f2：钢轨与轨下垫层之间的摩擦系数，一般取0.65，a：轨枕间距）③当钢轨上作用荷载时，扣件弹簧和轨下垫层弹簧所产生的位移相等，所以可以看成是扣件弹簧Kf和轨下垫层弹簧Kp并联，于是可得算式Kfv=Kf+Kp•当钢轨上没有轮载时：扣件和垫层的压缩量分别为：yf0=Pc0/Kf,yp0=Pc0/Kp•当钢轨上作用有荷载时：扣件的压缩量减小为Δyf,相应的扣压力减小为ΔPf=KfΔyf,扣件的实际扣压力为Pf=Pc0-ΔPf，而轨下垫层的实际受压力为Pp=Pc0-ΔPf+Pw(Pw为作用在轨下垫层的车轮荷载)。为保证钢轨上作用有荷载时扣件的扣压力不为零，yf0=Δyf轨下垫层的压缩量为Δyp=(Pw-ΔPf)/Kp,由于ΔPf=KfΔyf,所以Δyp=(Pw-KfΔyf)/Kp由于yc0=yf0=Pc0/Kf,可得Δyp=Δyf，于是得：Δyf=Pw/(Kf+Kp)以上分析可得扣件刚度和轨下垫层刚度之间的关系:Pc0/Kf=Pw/(Kf+Kp),即Kp/Kf=(Pw-Pc0)/Pc0第三节轨枕•概述轨枕是轨下基础部件之一（扣件碎石道床轨枕）•功能①支撑钢轨②保持轨距和方向③传递钢轨对其作用的各项压力到道床•要求坚固性弹性耐久性•分类木枕钢枕混凝土枕我国新建铁路主要使用混凝土枕原因：料源丰富轨道结构稳定弹性均匀木枕铁路发明初期木材资源丰富广泛使用目前北美国家铁路仍以使用木枕为主●缺点易腐蚀轨道稳定性差弹性不均匀•分类普通木枕桥枕（用于桥梁上的木枕）岔枕（用于道岔上的木枕）钢枕•形成史木枕抗腐蚀性差木材短缺钢枕重量较轻易于捆扎码堆•分类凹槽性钢枕工字钢Y型钢枕混凝土轨枕•趋势：随着铁路高速重载发展的需要用混凝土枕代替木枕已成为发展方向•优点：①混凝土枕材源较多并能保证尺寸使轨道弹性均匀提高了轨道的稳定性②混凝土枕不受气候、腐朽、虫柱及火灾的影响使用寿命长③还具有较高的道床阻力对提高无缝线路的横向稳定性十分有利•结构形式整体式（主要为预应力混凝土轨枕）组合式短枕式整体式混凝土枕整体性强稳定性好制作简便是目前各国使用最多的一种类型受力条件对轨枕的要求①轨枕轨座有足够的面积承受钢轨压力②轨枕截面有足够承受弯矩的能力③轨枕与道床之间有足够的的接触面积④轨枕与道床之间能提供足够的纵横向阻力⑤轨枕具有较大质量混凝土轨枕设计轨枕长度轨枕形状轨枕高度•轨枕长度轨枕长度与轨枕受力状态有关一般应以轨下截面正弯矩与枕中截面负弯矩保持一定比例来确定轨枕的合理长度混凝土枕长度一般在2.3～2.7m之间我国I、Ⅱ型枕均为2.5m•轨枕形状轨枕顶部有一定的宽度在跪坐压力的作用下不压溃一般承轨台宽度为185-190mm轨底宽度考虑到道床的承载能力一般轨底宽度为250-330mm混凝土枕截面为梯形上窄下宽梯形截面可以节省混凝土用量减少自重也便于脱模•轨枕高度混凝土枕的高度在其全长是不一致的，轨下部分高些，中间部分矮些。这是因为轨下截面通常在荷载作用下产生正弯矩，而中间截面则在荷载作用下产生负弯矩。而混凝土枕采用直线配筋，且各截面上的配筋均相同，所以配筋的重心线在轨下部分应在截面形心之下，而在中间部分则应在截面形心之上，这样对混凝土施加的预压应力形成有利的偏心距，使混凝土的拉应力不超过允许限度，防止裂缝的形成和扩展。•混凝土轨枕类型I型轨枕（目前已停止生产)Ⅱ型轨枕（Ⅱ型轨枕是目前我国轨枕中强度较高的类型也是主型轨枕基本上能适用于次重型、重型轨道它的不足是安全储备还不够大对提高轨道的整体稳定性能力还不足为适应强轨道结构的要求又研制了Ⅲ型轨枕）Ⅲ型轨枕（Ⅲ型枕的主要特点：(1)结构合理，强化了轨道结构(2)轨下和中间截面的设计承载力较Ⅱ型轨枕分别提高了43％和65％提高了轨枕的强度(3)采用无螺栓扣件的扣压力能保持线路稳定无纵横向移动有利于保持轨道的几何尺寸减少养护维修工作量）国外轨枕设计•奥地利联邦铁路的框架式轨枕•优点：提高轨道的稳定性降低道床顶面应力延长轨道维修养护周期•日本梯子式轨道（类似于纵向轨枕用于重载铁路）•优点：轨道结构线路稳定维修养护工作量少混凝土和钢材用量与普通轨枕线路基本相同轨枕间距轨枕间距与每公里配置的轨枕根数有关轨枕根数应根据列车速度机车车辆轴重钢轨轨枕类型确定轨枕密一些道床、路基面、钢轨以及轨枕本身受力都可小一些但也不能太密太密则不经济而且净距过小也会在一定程度上影响捣固质量我国使用最多的是每公里1680根1760根和1840根3种轨枕间距即每根25米长的钢轨轨枕数分别为42根44根46根第四节道床•道床是轨枕的基础在其上以规定的间隔布置一定数量的轨枕主要材料有碎石和筛选卵石等•道床的功能(1)承受来自轨枕的压力并均匀地传递到路基面上(2)提供轨道的纵横向阻力保持轨道的稳定(3)提供轨道弹性减缓和吸收轮轨的冲击和振动(4)提供良好的排水性能以提高路基的承载能力及减少轨道冻害(5)调整轨道几何形位较为方便•道床材质的要求为适应上述道床功能，道碴应具有以下性能：①质地坚韧有弹性不易压碎和捣碎②排水性能好吸水性差③不易风化不易被风吹动或被水冲走用作道碴的材料有：碎石、天然级配卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿碴等在具体选用道碴材料时应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度结合成本和就地取材等条件来决定•道砟面砟（级配碎石）底砟一级道砟（特重型重型地段优先用一级道砟）二级道砟我国的一级道砟标准并非从技术经济最优角度订出的而是根据当时全路道砟的供求关系并考虑提高道砟质量的运营要求提出的和国外道砟质量相比有很大差距•道砟颗粒形状要求①颗粒棱角分明近于立方体（扁平状和针状道砟颗粒易碎）②脏污物杂质限量（污泥土团粉末易影响承载力降低摩擦力加速道床板结影响道床排水）•道床底砟材料功能：隔离面砟层的颗粒与路基面直接接触截断地下水的毛细血管作用降低地面水下渗速度阻止雨水对路基面的侵蚀•底砟材料取向天然砂砾材料开山块石天然卵石砾石经破碎筛选而成道床断面•道床断面包括道床厚度、顶面宽度及边坡坡度三个主要特征•道床厚度道床的厚度是指直线上钢轨或曲线上内轨中轴线下轨枕底面至路基顶面的距离。•顶面宽度轨枕长度加两倍的道床肩宽•边坡坡度坡度大小对保证道床的坚固稳定，有十分重要的意义。道床边坡的大小取决于道碴材料的内摩擦角与粘聚力道碴材料的内摩擦角愈大，粘聚力愈高，边坡的稳定性就愈大道床变形•道床变形是轨道变形的来源道床作为散粒体结构，在外荷载作用下将产生弹、塑性变形。荷载消失后，弹性变形部分得以恢复，而塑性变形部分则不可恢复，成为永久变形或称残余变形最终易造成轨道几何形位不平顺•道床下沉（不均匀下沉是轨道结构破坏的主要形式之一）①初期急剧下沉是道床压实阶段②后期缓慢下沉是道床正常工作阶段道床下沉量与各种影响因素之间的关系可以用道床下沉曲线来表示。日本试验的道床下沉曲线数学表达式为：道床脏污•道床脏污来源：外界脏污物侵入，道砟颗粒因重复荷载振动摩擦和磨耗形成的碎粒，来自于底砟的颗粒和路基泥浆上升到面砟中•产生影响：阻塞道床空隙形成道床积水重则形成翻浆冒泥或道床板结，道床失去弹性降低稳定性，严重影响道床工作因此道床脏污率达一定程度时必须部分或全部进行清筛或更换道砟第五节其他轨道部件•防爬器：防止爬行的部件，主要应用于木枕轨道和某些大坡度的混凝土轨枕线路，目的是增大钢轨与扣件之间的阻力•分类穿销式防爬器弹簧防爬器•轨撑目的是抵抗轮轨横向力，一般安装在小半径曲线轨道外股钢轨的外侧一般轨撑用于木枕轨道较多近几年在采用CHN70型钢轨、小半径曲线混凝土轨枕地段也设置轨撑在大多数道岔尖轨部位，在基本轨外侧也安装轨撑•轨距拉杆用一根杆件在轨底将两根钢轨连接起来，以提高钢轨的横向稳定性，提高轨道保持轨距的能力。第六节特殊地段的轨道过渡段•线路结构由线（路基线路）桥隧站组成，为了保证列车安全平稳的运行则要求动力学性能不同的结构物之间平顺连接•不同结构物之间平顺连接的要求①几何形位的平顺连接②不同结构物之间的动力特性要平稳过渡路桥过渡段的处理•路桥连接处，由于路基与桥梁刚度差异显著，引起列车通过时轨面位移相应不一致，同时路基与桥台的沉降不均匀，桥路过度点附近极易产生变形差导致轨面发生弯折，增加线路养护维修费用，甚至危及行车安全•路桥过渡段主要处理问题：①轨道刚度的平顺过渡和多次重复荷载作用下累积下沉不均匀的控制问题②刚性桥台与柔性路基间施工后沉降差引起轨面弯折变形的限值问题●处理方法一、路基过渡段的路基处理方法①台后填土的加筋土法②碎石类优质材料填筑③使用强度高，变形小的优质材料填筑（如低强度等级混凝土）（常用）•主要处理思想：增大基床刚度，减小路堤沉降，通过加强路基来达到减小路桥间在刚度和变形方面的差异，减小路桥间的轨道不平顺•二﹑路桥过渡段轨道常用处理方法①在过渡段较软一侧增大轨道竖向刚度②在过渡段较硬一侧减小轨道竖向刚度③设置辅助轨提高轨道结构框架刚度满足行车安全舒适的过渡段不平顺控制标准•过渡段不平顺三种情况①轨面平顺，路桥间刚度发生变化（模拟过渡段轨道经起拨道调整）②轨面产生弯折，路桥间刚度差为零（模拟过渡段沉降差引起轨面弯折）③过渡段轨面既产生了弯折同时路桥间刚度又有变化（模拟过渡段不