铁道工程-第六章 无缝线路

第六章无缝线路轨道设计第一节概述第二节长钢轨轴向温度力第三节无缝线路稳定性计算第四节路基上的无缝线路轨道设计第五节桥上无缝线路6.1铁路无缝线路概述无缝线路在长钢轨内灭了钢轨接头，列车通过时高频冲击荷载的动态响应消除，相应地线路病害减少。因而大力发展无缝线路成为全世界铁路工作者的共识。根据美国AREA统计，无缝线路比普通线路的钢轨寿命延长约40%；日本铁路发现，采用无缝线路的钢轨(50kg/m型)更换周期由原来的400Mt延长到了500Mt。原苏联统计，通过总重500Mt以后的钢轨（P65型）抽换数，降低了三分之二。我国的统计数字表明，无缝线路轨道的钢轨使用寿命延长1.25倍。世界各国在高速与快速客运线路上均铺设无缝线路。截至2003年，我国铺设无缝线路已达39158km，占正线延长的45％，铺设无缝线路地区最大轨温幅度100.5℃，铺设无缝线路最小曲线半径正线为400m、站线为350m，总长超过1000m的桥梁已有15座铺设无缝线路，总长超过200m的桥梁已有一百数十座铺设无缝线路，铺设无缝线路最大坡道线路上为20‰、高架桥上为28‰。从理论上说，无缝线路的长度可以是无限长，但实际上，由于理论计算、结构设备及施工、养护技术地限制，无缝线路地轨条长度是逐步加长的。无缝线路的发展经历了三个阶段：普通无缝线路：无缝线路的轨条长度不长，考虑自动闭塞区段绝缘接头的设置、桥梁、隧道、道岔衔接及施工养护维修的方便，其长轨长度一般为1－2km，两端铺2-4对标准轨组成的“缓冲区”。区间无缝线路：随着胶接绝缘接头技术的推广应用及无缝线路施工技术的完善，为满足列车提速的需要，尽量减少钢轨接头的存在，把原来长1-2km的长轨条延长，使长轨长度达到或接近两个车站之间的长度。长轨条标准长度钢轨长轨条缓冲区钢轨胶接绝缘接头剖面图线路上的钢轨胶接绝缘接头无缝线路胶结绝缘接头跨区间无缝线路:为了最大限度减少钢轨接头，延长轨条长度，把区间无缝线路的长轨条延长与车站道岔焊接在一起，成为跨区间无缝线路，是当今无缝线路的发展方向。目前，我国无缝线路在京广线上最长一段140km，京沪上最长一段104km，此外长20～60km的无缝线路数量更多，据统计我国现有跨区间无缝线路的数量约7000km。跨区间无缝线路取消了缓冲轨，区间内的绝缘接头承受巨大纵向力，因此研究与生产高强度、高韧性的胶接绝缘接头成为推广应用超长无缝线路关键技术之一。无缝道岔纵向力计算限位器结构间隔铁结构无缝线路结构的三种类型温度应力式。在运营过程中，随着轨温的变化，每段无缝线路除两端的伸缩区放散部分温度应力外，通常不放散温度应力，它有固定的锁定轨温；定期放散应力式。为减小无缝线路的最大温度应力值，定期进行应力放散，通常每年春、秋季各放散一次，它有两个锁定轨温；自动放散应力式。在无缝线路的中部或端部锁定一定长度，其余部分采用特制扣件，允许长轨条随着轨温变化而伸缩，从而放散温度应力，它无固定的锁定轨温。目前全世广泛应用温度应力式无缝线路定期放散应力和自动放散应力式无缝线路，曾在前苏联和我国沈阳、哈尔滨铁路局试铺，但因放散应力需耗费大量人力；而自动放散应力式则因放散应力不均匀，且存在超伸超缩现象，因而早已废弃不再使用。无缝线路结构按照连接方式可分为两类：用缓冲轨连接及用钢轨伸缩调节器连接。日本新干线上铺设的无缝线路，每隔1.5km设置一组钢轨伸缩调节器，我国沈阳、哈尔滨铁路局曾有40km无缝线路采用钢轨伸缩调节器连接，其优点是必要时放散应力及处理故障方便，但因设备投资费用较高，在我国一般线路上不再大量使用，但大桥上铺设无缝线路仍然广泛应用。采用缓冲轨连接的无缝线路可以是温度应力式，也可以是定期放散应力式；同样，采用钢轨伸缩调节器连接的无缝线路，可以是温度应力式也可以是放散应力式，这在概念上应加以区分。长轨条标准长度钢轨长轨条缓冲区无缝线路的铺设范围由于无缝线路在严寒酷暑季节具有巨大的温度拉力和压力，因而在某些地区和某些特殊地段的应用受到限制。目前世界各国投入大量人力和物力从事研究，突破已有的限制，扩大铺设范围。最大轨温差20世纪60～70年代，世界各国仅限于在最大轨温差90℃以内的地区铺设无缝线路。目前已有一些国家突破了这一范围，美国、加拿大、挪威、瑞典在最大轨温差95℃地区，南联盟在最大轨温差100℃的地区铺有无缝线路，俄罗斯在严寒、轨温差很大的地区铺设无缝线路取得重大突破，使用P65型钢轨，焊接接头全部采用接触焊，已在西伯利亚最大轨温差115℃、119℃地区的干线上铺设无缝线路。莫斯科—列宁格勒铁路全线通过轨温差97℃的地区，铺设P65型钢轨、混凝土轨枕、无缝线路，目前该线旅客列车和货物列车最高运行速度分别达到200km/h和90km/h。我国使用50kg/m钢轨，在最大轨温差97℃地区铺设42.7km、100.5℃地区铺设3km无缝线路。目前使用60kg/m钢轨已在最大轨温差97℃的地区广泛铺设无缝线路。最小曲线半径过去大多数国家规定，容许铺设无缝线路的最小曲线半径为600m，但近年来突破了这一限制。欧美一些国家规定，在站线上容许在更小半径曲线上铺设无缝线路，美国铁路已在站线R=170m曲线上铺有无缝线路。俄罗斯技术规程规定，干线容许铺设无缝线路的最小曲线半径R=300m，早在1978年前苏联就在外高加索山区，在8处半径R=300～400m曲线铺设了无缝线路，有2处在最大轨温差75℃地区，6处在92～97℃地区，行驶轴重23-25t电力机车，经过10年运营，发现与同样半径曲线地段普通线路相比，外股钢轨的磨耗量减少。联邦德国对小半径地段铺设无缝线路也进行了研究，并把研究结果编入1987年再版的《联邦德国铁路标准轨距铁路轨道规范》（OBV），规范规定使用不同类型、不同长度轨枕、不同道床断面以及采取轨道结构加强措施后铺设无缝线路的最小曲线半径。国外正线上容许铺设无缝线路的最小曲线半径国别俄罗斯美国法国英国日本联邦德国丹麦匈牙利捷克南联盟线路条件主要干线货运密度小的干线干线客运和货运线客运和货运线既有线新干线主要干线次要线路干线S49钢轨S54钢轨混凝土枕木枕干线容许铺设无缝线路最小曲线半径（m）300800不限制400400600~8001000350500300400500500800250~300联邦德国铺设无缝线路最小曲线半径轨道结构最小曲线半径（m）道床肩宽（mm）轨枕类型钢轨断面400外侧加宽到500每3根轨枕装1个枕冠每2根轨枕装1个枕冠每根轨枕装1个枕冠标准道床断面并装护轨S49380350250190—220S54430400300230190220木枕l=2.6mUIC60460430330250190S49300280190———混凝土枕l=2.4mS54340320230190——S54260240190———混凝土枕l=2.6mUIC60290270190———S49260220190——170S54300260190——170钢枕帽形部分高度h≥135mmUIC60320280220190——采用加强轨道结构的特殊措施采用加强轨道结构的特殊措施可在更小半径曲线上铺设无缝线路，奥地利采用翼形轨枕；我国采用了防胀挡板。奥地利采用翼形轨枕我国在大温差、小半径曲线上应用的防胀挡板最大坡道关于容许铺设无缝线路的最大坡道，国外技术规定各异。俄罗斯在外高加索山区铁路24‰的大坡道上，南联盟在贝尔格莱德——巴尔线25‰的大坡道上铺设了无缝线路。但也有一些国家对容许铺设无缝线路的坡道加以限制，如：联邦德国规定最大坡道，旧线不超过25‰，新线不超过12.5‰，波兰、罗马尼亚规定不超过12‰。我国对容许铺设无缝线路的坡度原则上未作限制，但要求轨条全长在连续长大坡道及制动区段上，以及行驶重载列车，必须采用防爬加强措施，实际上,早在1967年我国在川黔线凉风垭隧道16.5‰的坡道上，近几年又在陇海铁路20‰的长大坡道上以及上海明珠线28‰的大坡道上铺设了无缝线路。6.2长钢轨轴向温度力6.2.1完全约束的长钢轨温度力LTLTTTs-C06/108.11钢轨的线膨胀系数，TELLEEtt钢轨钢的弹性模量E27211/101.2/101.2cmNmNETs-钢轨锁定轨温，又称零应力轨温（℃）T-钢轨计算温度（℃）；高温时，取当地气温加20℃，低温时取当地气温。长隧道内，最高轨温可按当地最高气温计。FPttFT67108.11101.2FT248）钢轨横截面积（2cmF钢轨伴随轨温变化的伸缩变形完全受到约束时，其温度应力仅仅与其轨温变化幅度呈线性关系，而与钢轨的长度无关。由此可见，只要能够实现钢轨的完全约束，无缝线路可以任意的增加长度而不会增加钢轨应力。温度应力式无缝线路工程技术正是建立在这个基本原理的基础上。例6.1郑州地区Tmax=63℃，Tmin=－17.9℃，锁定轨温设计值Ts=25℃，锁定轨温变化范围取25℃±5℃，即20~30℃，计算60kg/m钢轨最大温度压力和拉力。解：最大温升幅度max△T1=63.0－20.0=43.0℃最大温降幅度max△T2=30.0－（－17.9）=47.9℃对于60kg/m钢轨，最大温度压力：maxPt1=248max△T1F=248×43×77.45＝808.4kN最大温度拉力：maxPt2=248max△T2F=248×47.9×77.45＝900.5kN6.2.2设有缓冲区的长钢轨温度力长钢轨依赖无缝线路轨道的道床、扣件和接头联结零件阻止其随轨温变化而发生的伸缩，形成其温度变形约束。轨道结构对于长钢轨伸缩变形的约束力就是道床纵向阻力、扣件纵向阻力和接头阻力。设有缓冲区的长钢轨温度力，与线路纵向阻力约束的变化有明显关系。一、长钢轨的约束—线路纵向阻力A.道床纵向阻力道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架（钢轨和轨枕组装而成，也称轨排）纵向位移的阻力。处于正常状态下的轨道，单根轨枕的道床纵向阻力随着位移的增大而增加，当位移达到一定量值后，轨枕盒的道碴颗粒之间的啮合被破坏，即使位移继续增加，阻力也不再增大。道床纵向阻力与道床密实度的关系最为显著，此外还与道碴粒径、材质、道床断面、捣固质量及脏污程度有关。道床在清筛松动后纵向阻力明显下降，随着运营时间的推移，可逐渐恢复正常量值。钢轨的移动方向道床纵向阻力设单根轨枕的道床纵向阻力QL(N)，则一股钢轨下单位长度道床的纵向阻力p=QL/2a(N/cm)，a表示轨枕间距(cm)。钢筋混凝土轨枕105位移（cm）4213阻力p（KN/根）木枕15图6-2单根轨枕的道床纵向阻力与位移的关系曲线无缝线路道床纵向阻力表6-3一股钢轨下单位道床纵向阻力p（N/cm）轨道特征单根轨枕的道床纵向阻力QL（kN）1840根轨枕/km1760根轨枕/km1667根轨枕/kmⅡ型109288混凝土轨枕线路Ⅲ型12100木枕线路76461B.扣件阻力扣件阻力是指中间扣件及防爬器抵抗钢轨相对于轨枕沿线路纵向移动的阻力。为使钢轨与轨枕牢固扣着形成轨道框架，有效地约束轨道的温度伸缩位移，在一般情况下，中间扣件阻力必须大于道床阻力。试验表明，扣件阻力随钢轨纵向位移的增加而增大，并与扣件的类型及其扣压力有关，如图6-3所示。扣件阻力（组）扣件阻力（组）2.0Ⅱ型150N·mⅠ型150N·m扣件阻力（kN/组）1.51.00.500.51.01.52.0f(mm)Ⅲ型图6-3扣件阻力图弹条型扣件阻力表6-4扣件阻力扣件类型（KN/组）螺母扭矩Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型80N·m9.09.3150N·m12.015.016.0C.接头阻力接头阻力是长钢轨两端的接头夹板阻止钢轨伸缩(纵向位移)的阻力，是通过拧紧接头螺帽实现的。《轨道设计规范》规定，无缝线路接头螺栓扭矩不应低于900N·m，接头阻力采用400kN。并规定，正线轨道钢轨接头螺栓应采用10.9级及以上高强接头螺栓；站线轨道应采用8.8级及