线路设计基本理论

线路设计基本理论时瑾道路与铁道工程系2012年10月安全性和舒适性安全性指标1.脱轨系数2.轮重减载率2脱轨系数1.定义：选用横向力与垂向力同时发生的数值，来计算两者的比值，并将其作为脱轨系数2.分类：不考虑持续时间的脱轨系数和考虑持续时间的脱轨系数（跳轨脱轨）3脱轨系数公式推导PQAmNQPaNPsina-Qcosa=mNN=Pcosa+QsinaQtana-mP1+mtana4轮缘角与脱轨系数1.2.轮缘角越大，越容易出现爬轨。摩擦系数越大，越容易出现爬轨1.2.我国标准车轮的轮缘角为68-70度。摩擦系数一般为0.2-0.35我国脱轨系数标准GB5599-85车轮脱轨系数95J01-L(M)车轮脱轨系数第一限度1.2动力学0.80.056/t第二限度1.0客车0.80.04/t6轮对垂向减载量与垂向力之比GB5599-85第一限度第二限度轮重减载率0.650.607轮重减载率车辆运行舒适性列车运行中产生的振动是不舒适的重要来源，人处于振动环境中，不仅会引起疲劳，还会发生人体内部器官及全身组织与外界振动谐振的可能。研究表明，只要确保振动品质满足人的舒适度要求，工程应用的其它要求就不足为虑了。8在铁路方面最早开始舒适度研究的是德国的E.Sperling和法国的M.Maujin，以后由英国的J.C.Loach发展到一个比较完善的阶段。国际标准化组织综合以往的研究成果，于1974年制定了ISO2631关于人体全身振动的评价指南12591，1978年对标准中的数值和表格进行了修订，2001年颁布了ISO2631-4(2601，提出了振动和旋转运动对轨道运输系统中乘客、乘务员影响的评价方法。关于铁道车辆舒适性评价的最新标准还有欧洲暂行标准ENV12299(1999)(2611、日本的铁路机车车辆振动特性测定、解析方法标准JISE4023(1990)评价铁道车辆舒适性最直接的标准就是车体振动加速度，为了更准确地对舒适度进行评价，不仅要考虑加速度的大小，还要考虑振动频率的影响。当采用考虑频率的车体加速度来评定舒适度时，世界各国有着不同的评价指标，如:欧洲的Sperling指标、日本的舒适度系数、美国的Janeway指标、英国铁路的乘坐指数、法国的疲劳时间等一般来说，对于短时间内的舒适度分析，车体振动加速度是一个最主要的指标，而对于长时间的舒适度的分析则需要考虑加速度的幅值、频率以及持续时间等指标。我国铁路对机车车辆运行的平稳性(旅客乘坐的舒适性)分别按车体振动加速度和平稳性指标来评定。10车体振动加速度11我国在200350km/h的轨检车动态不平顺管理标准中，对车体振动加速度实行日常保养、舒适度、紧急补修三级管理.在高速铁路客车动力学性能评定时，我国车体振动加速度的舒适度标准参考国内外资料可取为:垂向振动加速度0.13g横向振动加速度0.l0g12平稳性指标1314平稳性等级评语平稳性指数W客车货车机车一级优2.53.52.75二级良好2.52.753.54.02.753.10三级合格2.753.04.04.253.103.45(GB5599-85)凡新造的客、货车，其平稳性等级不应低于二级标准车辆在线路上运行时的振动是随机的，即振动频率都是随时间变化的。因此在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆振动加速度记录并按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振动幅值，然后对每一频段计算各自的平稳性指数，然后再求出全部频段总的平稳性指数：Wtot=(W110+W210+L+Wn10)0.1ISO标准ISO（国际标准化组织）把振动对人体的影响用疲劳时间T表示，从维持工作效能、健康和舒适度出发，相应提出了下列三种限度：工效下降限度：当人体连续受到机械振动时，经过一段时间后便因疲劳而使工作效能下降（因人而异对飞行员和驾驶员测试研究结果）；承受限度：工效下降曲线的振动加速度乘以2（6dB）；舒适度下降限度：工效下降曲线的振动加速度除以3.15)(10dB)。161min16min25min1h2.5h4h8h16h24h1min16min25min1h2.5h4h8h16h24h-2水平方向均方根加速度/m.s10dB-2垂直方向均方根加速度/m.s10dB工效下降时间限度与振动加速度和频率关系10.08.06.35.04.03.152.502.01.601.251.00.800.630.500.400.310.250.200.160.1250.100.0160.50.81.252.03.155.08.012.520.031.550.080.0频率/Hz疲劳时间与水平方向振动关系10.08.06.35.04.03.152.502.01.601.251.00.800.630.500.400.310.250.200.160.1250.100.0160.50.81.252.03.155.08.012.520.031.550.080.0频率/Hz疲劳时间与垂振动关系17客车在曲线上舒适性及其标准()/3.6vRV=2g(cosb-1)-azmm110既有线路：mm70一般线路：mm180京沪：Dmmh50困难地段：最大过超高量过我国曲线超高及设置标准双线：150mm最大超高量Dh：单线：125mm曲线超高量设置：最大欠超高量Dh欠：困难地段：90mm一般线路：30mm23线路平面1直线直线与曲线相互协调，线路位置合理。争取较长的直线段。力求减小交点偏角的度数。夹直线HZ1夹直线ZH2同向曲线、反向曲线保证直缓点和缓直点的振动不叠加，前转向架和后转向架的振动不叠加。tZVmaxLj+LZ3.62圆曲线曲线超高曲线超高是去线外轨顶面与内轨顶面的水平高度之差。设置方法包括外轨提高法和线路中心高度不变法。29V12al=3.6Rax=gsinagtga=g理想状态al=axhD11.8VhSH=2JFRminVJF=nNiGiVi2i=1nNiGii=1未被平衡的离心加速度体现外轨超高不足，可以用欠超高hQ表示。2VmaxhQ=11.8-hSHR未被平衡的向心加速度体现外轨超高过大，可以用过超高hG表示。2hG=hSH-11.8VminRhG按照均衡速度确定的外轨超高是一个变值，它所产生的向心加速度只能平衡一种速度的离心加速度。实际通过速度不同时，将产生未被平衡的加速度a=al-ax+离心加速度-向心加速度hQ实设超高容许值新干线：180mmICE和TGV：180mm铁科院：200mm高速规范：175mm。有砟轨道最大设计超高值为170mm无砟轨道最大设计超高值可为175mm。best（mm）better（mm）usual（mm）Restrictofhd4080(60)110(90)Restrictofhe4080(60)110(90)欠过超高允许值hqradius（m）theoreticalcant（）（Highspeed/lowspeed/）Designcant（）cantdeficiencyhd/cantexcessheHdhdHehe1400076/225026/28264028401200080/255534/30344030401100097/276037/333740334010000106/307036/40364040=409000118/348038/46384046808000133/489538/57384057807000152/4311537/72374072806000177/5011562/65628065805500193/5512568/7068807080ValueofDesigncantHighspeed300,lowspeed160radius（m）theoreticalcant（）（Highspeed/lowspeed/）Designcant（）cantdeficiencyhd/cantexcessheHd3，III级铁路4maxV（2）竖曲线半径的确定：v旅客舒适条件2Rsh=2(m)3.6ashv运行安全上浮的离心力不应大于车重的10%v减小列车通过变坡点的附加纵向力竖曲线设置条件I、II级铁路3，III级铁路4，高速铁路1，设竖曲线竖曲线不与缓和曲线重合变坡点离开缓和曲线起终点的距离不应小于竖曲线的切线长竖曲线不设在明桥面上竖曲线不与道岔重叠V（km/h）350300250ash2（m/s）0.40.40.4Rsh(m)236431736112056V（km/h）300及以上300以下250及以上250以下200及以上Rsh(m)250002000015000Rsh0.193V2高速铁路竖曲线半径根据试验及高速铁路对ash的取值经验，取值一般为0.4m/s2，困难为0.5m/s2。采用一般值0.4m/s2时竖曲线半径的近似计算式为：高速铁路坡段长度对于两竖曲线间夹坡段长度的要求，认为当两竖曲线间夹坡段长度大于0.4Vmax时可以保证列车在前一个竖曲线上产生的振动不与下一个竖曲线上产生的振动造成叠加。即两竖曲线间的最小夹坡段长度不得小于0.4Vmax。宜采用0.6Vmax0.8Vmax。最小坡段长度可按下列公式计算确定，宜取整为50m的整倍数：lp=（i+i）/2Rsh+0.8V式中lp最小坡段长度（m），、i2坡段两端相邻坡段坡度差V设计行车速度数值（km/h），Rsh竖曲线半径，一般最小长度取30000m，困难条件最小长度取25000m。设计行车速度（km/h）350300250一般条件（m）1000960920困难条件(m)880840，取值800800，取值800设计行车速度（km/h）350300250一般条件（m）200012001200困难条件(m)900900900最小坡段长度计算高速铁路平竖重叠设置条件1）竖曲线与缓和曲线重叠有如下不利影响增加线路测设工作量：对行车安全和乘坐舒适度的影响：增加了养护维修工作的难度：对于无砟轨道来说，线路平纵断面几何形状稳定性较容易保持，竖缓重叠设置在线路测设及养护维修方面的难度大大降低，但是重叠设置对舒适度的影响没有改变。设计最高行车速度（km/h）350300250平面最小圆曲线半径(m)有砟轨道700050003500无砟轨道600045003000最小竖曲线半径(m)2500025000200002）竖曲线与道岔不重叠设置3）竖曲线与平面圆曲线重叠设置问题由于高速铁路平面圆曲线半径较大，平面圆曲线长度较长，一般可达12km以上，如要避免竖曲线与平面圆曲线重叠设置，将增加的工程投资较多。因此，在困难条件下，允许竖曲线与平面圆曲线重叠设置。但为了尽可能减少不利影响，对竖曲线与平面圆曲线重叠设置时的曲线半径最小值进行了规定3最大坡度折减曲线原因：用足坡度设计路段遇有阻力隧道(400m)粘降必须减缓最大坡度，保证vj4坡段设计对行车费用的影响上坡：能源消耗大、行车时间长若设计坡度值较大下坡：制动闸瓦磨耗严重，行车费用增加。凸形、凹形区间纵断面对行车费用的影响有害坡段与无害坡段有害坡段：因限速要求，下坡需要制动坡段无害坡度：坡度值不大或者坡度值较大但坡段长度较短，下坡无需限速的坡段。纵断面设计时，通常将坡度大于4、且下降高度超过10m的坡段，概略地定为有害坡段。若地形条件许可，应尽量消除有害坡段。Pw+Gw=giwh(max)(P+G)最大无害坡度的计算00Pw+Gww0=iwh(max)00(P+G)gg克服高度线路的克服高度为线路上坡方向上升的高度，又称拔起高度。上行与下行方向应分别计算，如图所示，a、b两点间，上、下行方向的克服高度总和分别为：hshx=hs+hs(m)=hx+hx+hx(m)城市轨道交通线路设计概述世界十大地铁莫斯科26亿人次/年。1美分/张东京25亿人次/年。78美分/张纽约15亿人次/年。1.15美元/张墨西哥15亿人次/年。11美分/张巴黎12亿人次/年。87美分/张大阪9.48亿人次/年。78美分/张列宁格勒8.21亿人次/年。1美分/张伦敦8.15亿人次/年。1.17美元/张汉城8.12亿人次/年。28美分/张中国香港6.3亿人次/年。32美分/张伦敦城轨线网图巴黎地铁线路图北京地铁路线图(2050年预想）线路设计线路设计主要是合理运用相应的技术标准，通过方案比选，确定线路走向、车站分布，并通过平、纵、横断面没计，用坐标、高程精确地确定线路位置。四个阶段施工图设计阶段可行性研究阶段初步设计阶段总体设计阶段线路设计的重要性工程设计的龙头和灵魂线路设计质量吸引客流运营成本工程投资直接影响施工难易等等线路设计的基本规定1符合城市总体规划2合理选择施工位置3综合考虑地质条件4与既交通网络相协调5纵断面设计区别对待(1)线路基本走向应符合城市总体规划和轨道交通网络规划的要求。线路应尽量多地经过一些大的客流集散点，如闹市区、商业区、居民生活集中区、地面交通枢纽等地。(2)线路在城市中心地区宜设在地下；在其它地区，如市郊、市区，条件允许时可设在高架桥和地面上，这样可以节约工程造价，加快施工速度。为了减少施工影响，轨道交通宜设在地下。在市郊集合部和郊区，地稀少，路面宽阔，应以地面线和高架线为主，减少工程造价。(3)根据工程沿线的地形、地貌、工程地质及水文地质条件、地面与地下建筑物交通状况等，合理选择线路位置及敷设方式，减少拆迁工程量及施工过程对城市交通的干扰。地下线的平面位置和埋设深度，应根据地面建筑物、地下管线和基它地下构筑状和规划、工程地质和水文地质条件、采用的结构类型及施工方法、施工对居民的干扰及建成后的运营要求等因素，经技术、经济综合比较确定。(4)车站的分布要考虑沿线既有、规划的主要客流集散点和各类交通枢纽，并应与城市综合交通规划网络相协调，以利于最大限度的吸引客流、方便乘客、降低工程造价、提高运营效益