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轨道工程课程设计轨道工程课程设计学生姓名： 常 丹 学 号： 07232003 所在学院： 土木建筑工程学院 班 级： 土木0710班 指导老师： 肖 宏 目录1. 设计目的及意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32. 设计参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33. 设计理论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84. 计算过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225. 验算过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286. 结束语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307. 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308. 附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31路基上无缝线路课程设计(土木建筑工程学院土木0710班常丹，学号：07232003)1. 设计目的及意义铁路轨道是土木工程中的一门重要学科，是从事城市轨道交通和铁路结构设计、施工以及管理等方面的重要基础课。无缝线路是上个世纪开始着手研究的一种轨道线路。与普通线路相比，无缝线路消灭了大量的接头，具有行车平稳、旅客乘坐舒适、机车车辆和轨道的维修费用少、使用寿命长等一系列优点。随着新建铁路路基建筑质量的提高及工后沉降大幅度降低、道床密实度及稳定性达到设计开通速度要求，新线上可以实现一次铺设跨区间无缝线路，消除了普通线路接头的“记忆病害”，大幅度提高了轨道的平顺性。无缝线路课程设计的目的是通过无缝线路的设计，巩固提高已学的理论知识；通过课程设计实践，树立正确的设计思想，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力；学习无缝线路设计的一般过程，并了解设计时的注意事项以及设计之后的检算内容；同时，通过课程的设计，提高运用程序解决有关计算及验算问题的能力。课程设计对于培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力都具有重要的意义。同时，对于提高实际工作能力和综合素质方面亦具有重要的意义。2. 设计参数主要技术指标：合肥地区某段提速线路铺设无缝线路，设计其锁定轨温。2.1 地区历年最高和最低气温最高轨温应按当地历年最高气温加20计，长隧道内最高轨温可按当地最高气温计，最低轨温应按当地历年最低气温计。2.2 轨道条件：钢轨：60kg/m，屈服强度s=457Mpa，钢轨断面对水平轴的惯性矩Ix=3217cm4；轨枕：型混凝土枕，1667根/km，轨枕间距a=60cm；道床：道砟为一级道砟，面砟厚25cm，底砟厚20cm；路基填土：沙粘土；钢轨支座刚度D：检算钢轨 D=301000（N/cm）； 检算轨下基础 D=720000（N/cm）；曲线最小半径R=800m的地段。2.3 运营条件：机车：韶山3电力机车，Vmax=100km/h；2.4 具体参数的选取如下列各表所示：2.4.1 正线轨道类型如下表1：（见轨道工程绪论表1-1） 表1 正线轨道类型项目单位重型运营条件年通过总质量Mt2550列车设计最高速度Km/h160道轨结构钢轨Kg/m60混凝土枕型号-铺枕根数根/km1680岩石、渗水土路基单层道砟cm35注：年通过总质量包括净载、机车和车辆的质量，单线按往复总质量计算，双线按每一条线的通行总质量计算。2.4.2 钢轨断面尺寸及特性如下表2：（见轨道工程表2-1） 表2 钢轨断面尺寸及特性项目类型（kg/m）75605043UIC60每米质量M（kg）74.41460.6451.51444.65360.34断面积F(cm2)95.0477.4565.85776.86重心距轨底面距离y1(mm)8881716980.95对水平轴的惯性矩Jx(cm4)44893217203714893055对竖直轴的惯性矩Jy(cm4)665524377260512.9下部断面系数W1(cm3)509396287217377上部断面系数W2(cm3)432339251208336轨底横向挠曲断面系数Wy(cm3)8970574668.4轨头所占面积Ah(%)37.4237.4738.6842.83轨腰所占面积Aw(%)26.5425.2923.7721.31轨底所占面积Ab(%)36.0437.2437.5535.86钢轨高度（H） （mm）192176152140172钢轨底宽（B） （mm）150150132114150轨头高度（h） （mm）55.348.5424251轨头宽度（b） （mm）7573707074.3轨腰厚度（t） （mm）2016.515.514.516.52.4.3 钢轨头部磨耗轻伤标准如表3所示：（见轨道工程表2-9）钢轨（kg/m）总磨耗（mm）垂直磨耗（mm）侧面磨耗（mm）7516101675以下601491460以下501281250以下431071043以下979注：上表中的数据为vmax120km/h的正线铁路钢轨头部磨耗的标准，其余行车速度及其它站线的标准此处未列出。2.4.4 混凝土枕主要尺寸如表4所示：（见轨道工程表2-12）表4 混凝土枕主要尺寸轨枕类型主筋数量混凝土等级截面高度（mm）截面宽度（mm)底面积（cm2质量（kg）长度（cm）轨下中间端部轨下中间363C4820.216.529.4527.5256588251250443410C5820.216.529.4527.525658825125010787.8C6023.018.530.028.077203202602.4.5 扣件技术性能如表5所示：（见轨道工程表2-17）表5 混凝土枕扣件的技术性能扣件性能弹条型扣件性能弹条型每个弹条初始扣压力/kN10弹条变形量/mm10扣压节点垂直静刚度/kN/m60-80调轨距量/mm-812纵向防爬阻力/kN16调高量/mm102.4.6 附加速度系数如表6所示：（见轨道工程表5-5）表6 附加速度系数速度系数速度范围（km/h）牵引种类电力内燃V1200.6v/1000.4v/1001120vh2:h=Rd4h2(tan)23.7.3.3 道床及路基强度检算：检算道床及路基面强度时应满足下式：zzll式中，z、z分别表示道床的实际应力和允许承压应力。对于碎石道床：z=0.5MPa；对于筛选卵石道床：z=0.4MPa。 l、l分别表示路基的实际应力和允许承压应力。对于新建砂粘土路基：l=0.13MPa；对于既有砂粘土路基：l=0.15MPa。4. 计算过程：4.1 中和轨温的计算：中和轨温的计算需要考虑历年最高和最低轨温，以及允许升温幅度和允许降温幅度，并考虑锁定轨温上下波动。4.1.1 允许温度压力的计算：由程序1对允许温度压力进行计算，程序执行的结果为： 请输入等效道床阻力q:8400 请输入弹性原始弯曲矢度f0e: 0.0025 请输入塑性原始弯曲矢度f0p: 0.0025 请输入最小曲线半径r: 800 请输入钢轨截面对竖直轴的惯性矩iy: 0.00000524钢轨允许温度压力p=1830383.311677计算误差为d=0.000072Press any key to continue故温度压力为：P=1830383.311677N4.1.2 根据稳定条件计算允许升温幅度tc：tc = P-2Pf2EF = P2EF = 1830383.31167722.110110.00774511.810-6 = 47.68即允许升温幅度为47.68。4.1.3 钢轨动态响应的计算：钢轨最大动态响应由程序2进行计算，程序执行的结果为： 请输入钢轨支座钢度d= 30100000 请输入钢轨截面对水平轴的惯性矩ix= 0.00003217 请输入轨枕间距a= 0.6 请输入轮轴距x1= 2.3 请输入轮轴距x2= 2.0 请输入轮重pi= 112800 请输入最高行车速度v= 100 请输入横向水平力系数f= 1.45轮轴1处的静弯矩为M01=22152.592140轮轴2处的静弯矩为M02=18643.775391轮轴3处的静弯矩为M03=21051.026935最大静弯矩为M0=22152.592140 钢轨上的最大动弯矩为Md=56212.202554钢轨上的最大挠曲变形为yd=0.002293轨枕上的最大压力为rd=69033.212636Press any key to continue故钢轨上的最大动态响应为： Md=56212.202554N.m rd=69033.2126636Nyd=0.002293m4.1.4 根据强度条件确定允许的降温幅度td计算公式为：td=-d-fE d=MdW1=56212.20255439610-610-6=141.95MPa =sK2=4571.25=365.6MPatd=-d-fE=（365.6-141.95-10）1062.1101111.810-6=86.22即允许降温幅度为86.22。4.1.5 锁定轨温的计算：锁定轨温根据下式确定：te=Tmax+Tmin2+td-tc2tk代入数据，得： te=61.0-20.62+86.22-47.6820=39.47则锁定轨温上限为：tmax=te+5=44.47 锁定轨温下限为：tmin=te-5=34.47所以，无缝线路中和轨温图如图13所示中和轨温：te=61.0-20.62+86.22-47.6820=39.47设计锁定轨温：te5图13 钢轨中和轨温图4.2 预留轨缝的计算：对于预留轨缝，需要计算长轨与缓冲轨之间的预留轨缝a1和缓冲轨与缓冲轨之间的预留轨缝a2。4.2.1长轨与缓冲轨之间的预留轨缝a1的计算：用程序3对预留轨缝a1进行计算，程序执行结果如下： 请输入单位道床阻力r= 15200 请输入标准轨的长度l= 25 请输入钢轨接头阻力Ph= 490000 请输入钢轨截面面积F= 0.007745 请输入该地区最低轨温Tmin= -20.6 请输入该地区最高轨温Tmax= 61.0 请输入钢轨的线膨胀系数w= 0.0000118 请输入轨枕间距a= 0.6当温度为34.470000时钢轨预留轨缝为0.003944当温度为35.470000时钢轨预留轨缝为0.003639当温度为36.470000时钢轨预留轨缝为0.003342当温度为37.470000时钢轨预留轨缝为0.003051当温度为38.470000时钢轨预留轨缝为0.002769当温度为39.470000时钢轨预留轨缝为0.002494当温度为40.470000时钢轨预留轨缝为0.002226当温度为41.470000时钢轨预留轨缝为0.001966当温度为42.470000时钢轨预留轨缝为0.001713当温度为43.470000时钢轨预留轨缝为0.001468当温度为44.470000时钢轨预留轨缝为0.001230Press any key to continue4.2.2缓冲轨与缓冲轨之间的预留轨缝a2的计算：用程序4对预留轨缝a2进行计算，程序执行结果如下：请输入单位道床阻力r= 15200 请输入标准轨的长度l= 25 请输入钢轨接头阻力Ph= 490000 请输入钢轨截面面积F= 0.007745 请输入该地区最低轨温Tmin= -20.6 请输入该地区最高轨温Tmax= 61.0 请输入钢轨的线膨胀系数w= 0.0000118 请输入轨枕间距a= 0.6当温度为34.470000时钢轨预留轨缝为0.005381当温度为35.470000时钢轨预留轨缝为0.005226当温度为36.470000时钢轨预留轨缝为0.005086当温度为37.470000时钢轨预留轨缝为0.004961当温度为38.470000时钢轨预留轨缝为0.004850当温度为39.470000时钢轨预留轨缝为0.004755当温度为40.470000时钢轨预留轨缝为0.004675当温度为41.470000时钢轨预留轨缝为0.004609当温度为42.470000时钢轨预留轨缝为0.004558当温度为43.470000时钢轨预留轨缝为0.004523当温度为44.470000时钢轨预留轨缝为0.004502Press any key to continue5. 验算过程：下面分别对钢轨强度、轨枕强度以及道床和路基顶面强度进行检算。由以上计算可知，轨道的最大动态响应为：Md=56212.202554N.m Rd=69033.2126636N5.1 钢轨强度检算：当曲线半径为R=800m时，f=1.45，对于新轨，不考虑垂直磨耗，截面模量为W底=375cm3，W头=291cm3，故：gd=MdW底=56212.20255437510-610-6=149.90MPajd=MdW头=56212.20255429110-610-6=193.17MPa制动附加应力取f=10MPa；钢轨允许应力=sK2=365.6MPa。温度应力t=2.48（39.47+20.6）=148.97Mpa轨底：底=gd+t+f=149.90+148.97+10=308.87MPa轨头：头=jd+t+f=193.17+148.97+10=352.07MPa可知，钢轨强度满足要求。5.2 轨枕强度检算：5.2.1 轨下断面正弯矩检算：Mg=Ksa122e-b8Rd=1.069033.21266360.251.9-0.15810-3=7.79kN.mMg可知，轨下断面正弯矩检算满足要求。5.2.2 中间断面负弯矩检算：Mc=-Ks3l2+4e2-8a1e-12a1l4(3l+2e)Rd =-1.032.52+40.952-80.50.95-120.52.5432.5+20.9569033.212663610-3 =-6.54kN.m6.5414，故中间截面负弯矩检算亦满足要求。所以，轨枕强度检算满足要求。5.3 道床顶面压应力检算：bmax=mRdbe=1.669033.21266360.2751.17510-6=0.34MPaz故道床顶面压应力检算满足要求。5.4 路基基床表面压应力检算：h1=b2cot=27.52cot35。=19.64cmh2=e2cot=117.52cot35。=83.90cm先道床厚度为h=45cm，h1hh2，故有：h=Rd2hetan=69033.212663620.451.175tan35。10-6=0.09MPal故路基基床表面压应力检算满足要求。所以，轨道强度的检算满足要求。6. 结束语通过该课程的设计，我加深了对铁路轨道课程中有关理论知识的理解，并且使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。例如，在允许温度压力中，平时理解的不够深刻，课设时又必须重新看几遍。同时，在课程设计的过程中，得到了老师很大的帮助和鼓励，从而解决了设计中所遇到的很多难题。整个设计过程中，我学到了很多东西，培养了独立工作的能力，大大提高了运用程序解决实际问题的能力。在设计过程中所学到的东西是我的最大收获和财富，将使我终生受益。【参考文献】1. 轨道工程 高亮主编2. 铁路轨道 谷爱军主编 中国铁道出版社3. 铁路无缝线路 广钟岩主编 中国铁道出版社4. 轨道工程 郝瀛主编 西南交通大学出版社5. 铁路轨道设计规范附录：程序1 允许温度压力的计算：#include#include#define PI 3.141592653#define K 1.3/*K为安全系数*/void main()double q, F=0.002, f0e, f0p, e=210000000000.0, iy, l0=4.0, r;double l, g, r0, r1, h, pn, p, d, f0e1;printf(请输入等效道床阻力q:n);scanf(%lf, &q);printf(请输入弹性原始弯曲矢度f0e:n);scanf(%lf, &f0e);printf(请输入塑性原始弯曲矢度f0p:n);scanf(%lf, &f0p);printf(请输入最小曲线半径r:n);scanf(%lf, &r);printf(请输入钢轨截面对竖直轴的惯性矩iy:n);scanf(%lf, &iy);r0=l0*l0/(8*f0e);/*r0为塑性原始弯曲半径*/h=1/r+1/r0;r1=1/h;g=(2*e*iy*pow(PI,2.0)/r1+sqrt(pow(2*e*iy*pow(PI,2.0)/r1,2.0)+e*iy*pow(PI,5.0)*(F+f0e)*q/2)/q;l=sqrt(g);/*l为变形曲线弦长*/d=fabs(l-l0);/*d为l与最后假定的l0的误差*/while (d0.0002)l0=l;f0e1=l0*l0*f0e/(4.0*4.0);g=(2*e*iy*pow(PI,2.0)/r1+sqrt(pow(2*e*iy*pow(PI,2.0)/r1,2.0)+e*iy*pow(PI,5.0)*(F+f0e1)*q/2)/q;l=sqrt(g);d=fabs(l-l0);pn=(e*iy*pow(PI,5)*(F+f0e1)/(2*pow(l,4)+q)/(F+f0e1)*pow(PI,3)/(4*l*l)+h);p=pn/K;printf(钢轨允许温度压力p=%lfn, p);printf(计算误差为d=%lfn, d);程序2 钢轨动态响应的计算：#include#include#define PI 3.141592653void main()double d, e=210000000000.0, ix, a, x1, x2, pi;/*a为轨枕间距，x1、x2为机车的轴距，pi为机车的轮重，d为支座刚度，e为弹性模量*/double v, h=75.0, f;/*v、h、f分别为最高速度(km/h)、欠超高(mm)、横向水平力系数*/double i, j, M01, M02, M03, M0, Md, k, u;/*i、j分别为速度系数、偏载系数，M01、M02、M03分别为三个轮轴处的静弯矩*/double y01, y02, y03, y0, yd, r01, r02, r03, r0, rd;/*y表示挠曲变形，r表示枕上压力*/printf(请输入钢轨支座刚度d=n);scanf(%lf, &d);printf(请输入钢轨截面对水平轴的惯性矩ix=n);scanf(%lf, &ix);printf(请输入轨枕间距a=n);scanf(%lf, &a);printf(请输入轮轴距x1=n);scanf(%lf, &x1);printf(请输入轮轴距x2=n);scanf(%lf, &x2);printf(请输入轮重pi=n);scanf(%lf, &pi);printf(请输入列车运行最高速度v=n);scanf(%lf, &v);printf(请输入横向水平力系数f=n);scanf(%lf, &f);u=d/a;i=0.6*v/100;j=0.002*h;k=pow(d/(4*e*ix*a),0.25);y01=pi*k/(2*u)*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)+sin(k*x1)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)+sin(k*(x1+x2);y02=pi*k/(2*u)*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)+sin(k*x1)+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)+sin(k*x2);y03=pi*k/(2*u)*(1+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)+sin(k*x2)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)+sin(k*(x1+x2);M01=pi/(4*k)*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)-sin(k*x1)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)-sin(k*(x1+x2);M02=pi/(4*k)*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)-sin(k*x1)+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)-sin(k*x2);M03=pi/(4*k)*(1+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)-sin(k*x2)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)-sin(k*(x1+x2);r01=pi*a*k/2*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)+sin(k*x1)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)+sin(k*(x1+x2);r02=pi*a*k/2*(1+exp(-k*x1)*(cos(k*x1)+sin(k*x1)+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)+sin(k*x2);r03=pi*a*k/2*(1+exp(-k*x2)*(cos(k*x2)+sin(k*x2)+exp(-k*(x1+x2)*(cos(k*(x1+x2)+sin(k*(x1+x2);if (y01y02