无缝线路课程设计-设计锁定轨温及预留轨缝设计.docx

无缝线路课程设计设计锁定轨温及预留轨缝设计 班 级： 土木1012班 姓 名： 王创（10234015） 专业名称：土木工程（城市轨道工程）指导老师： 谷爱军/彭华 2013 年 07 月 03 日目 录1 课程设计简介31.1 设计任务31.2 设计目的和意义32 设计理论依据 33 设计参数（取家乡西安的参数进行设计） 33.1气温和轨温33.2机车类型及参数33.3轨道类型43.4刚种44计算设计过程44.1确定设计锁定轨温4 4.1.1根据强度条件确定允许的降温幅度44.1.1.1确定钢轨最大动弯应力5 方法一（根据理论公式手算）5方法二（使用sap2000建模求解）7方法三（使用ANSYS建模求解）13方法四（使用MIDAS建模求解）284.1.1.2 计算允许的降温幅度344.1.2 根据稳定条件确定允许的升温幅度344.1.3根据钢轨折断时的断缝值确定的允许降温幅度354.1.4设计锁定轨温的确定354.2 无缝线路结构计算354.2.1 伸缩区长度354.2.2 预留轨缝365 设计总结376 参考文献38路基上有砟轨道无缝线路课程设计设计锁定轨温及预留轨缝设计1 课程设计简介1.1 设计任务根据线路、运营、气候条件及轨道类型等因素进行无缝线路的轨道强度、稳定性等检算，并确定设计锁定轨温，完成无缝线路结构计算。设计锁定轨温是无缝线路设计的关键问题，涉及轨道工程这门课的主要理论。 1.2 设计目的和意义该设计目的是使学生更深入地掌握轨道工程的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）和设计方法。增进学生对轨道工程主要原理的理解和实践应用能力。2 设计理论依据轨道工程强度计算和温度力计算理论、铁路轨道设计规范（TB 10082-2005）、铁路无缝线路设计规范（2013）。3 设计参数（选取家乡西安的参数进行设计）3.1 气温和轨温3.2 机车型号及参数假设该线路为货运专线，选取韶山8型(SS8)电力机车进行计算，参数如下：3.3 轨道类型由于认定为货运线路，故取75kg/m型钢轨线路更为可靠、耐磨、寿命长、少维修，认为轨道结构在铺设完成后，对钢轨进行打磨以消除微裂纹，钢轨的垂向磨耗3mm,故钢轨参数如下：(注：由于中华人民共和国铁道部部标准 TB 2097-89 钢轨允许磨耗限度及课本25页均不能查到75kg/m钢轨在3mm磨耗下的Iy,故根据课本P25规定的75kg/m钢轨在无磨耗情况下Iy=6650000mm4,类比其他钢轨进行折减,取Iy=6470000mm4)3.4 钢种选取U75V型钢，其屈服强度s=472 MPa。4. 计算设计过程4.1 确定设计锁定轨温 由于长轨条在锁定施工过程中轨温是不断变化的，因而施工锁定轨温应该是一个范围，通常为设计锁定轨温te5，困难条件下也可严格控制施工锁定轨温的变化范围，取为3。实际锁定轨温为零应力状态锁定轨温，在设计检算时为安全计，取最大温升为最高轨温与施工锁定轨温下限之差，最大降温为施工锁定轨温上限与最低轨温之差。4.1.1 根据强度条件确定允许的降温幅度强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总和不超过钢轨的允许应力： d+t+f 式中：d钢轨最大动弯应力（MPa）; t钢轨温度应力（MPa）; f钢轨附加应力（MPa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，取f=10MPa;钢轨允许应力，它等于钢轨的屈服强度s,除以安全系数K，=sK。4.1.1.1 确定钢轨最大动弯应力d方法一（根据理论公式手算）： 计算刚比系数k取钢轨支座刚度:计算钢轨用：D=33000N/mm；计算轨枕、道床、基床用：D=80000N/mm。对于钢轨，由a=600mm,故u= Da = 33000600=55.00MPa,则k=4u4EIx=455.0042.11054328104=0.0011090(mm-1) 计算最大静弯矩M00 对于SS8电力机车，转向架间距离为610cm超过5m,故不考虑各转向架的相互影响。各轮载及转向架各轴间距均相等，故只需取第一转向架进行计算。又考虑SS8机车动力转向架为两轴式，故取第一转向架第一轮位进行计算，其他各轮位的轮下计算截面计算值与之相同。各轮位均为最不利轮位，任取其一进行计算即可求得钢轨内静弯矩M0： M0=14ki=12P0ie-kxi(coskxi-sinkxi) =140.00110901078001+e-0.00110902900cos0.00110902900-sin(0.00110902900) 23402036（Nmm） 计算最大动弯矩Md SS8电力机车构造速度160km/h120km/h，查课本表5-4知： 检算钢轨应力： 速度系数：=0.6120100=0.721=0.3v1100=0.3(160-120)100=0.12偏载系数:考虑直线段的轨道设计，故偏载系数=0；横向水平力系数：查课本表5-4知，直线段f=1.25。则： Md=(1+)(1+1)+ fM0 = (1+0.72) (1+0.12)+0 1.2523402036 56352103（Nmm） 确定钢轨最大动弯应力d 75kg/m钢轨，当垂直磨耗为3mm时,截面模量W底=496cm3, W头=291cm3，故： d=MdW底=56352103496000113.61（MPa） 轨头受压故不予考虑； 故：钢轨最大动弯应力d=113.61 MPa。方法二（使用sap2000建模求解）： 建模求解过程如下：选取梁模型：建立24m长的梁模型，即跨长0.6m,跨数40：定义材料属性：设置截面属性：进行截面修正设置：设置钢轨两端及中间各支点约束： 设置钢轨支座及其刚度：添加荷载：变形：弯矩：最大弯矩：Mmax=22278500（Nmm），与方法一中Mmax=23402036（Nmm）偏差不大。同样可由公式：Md=(1+)(1+1)+ fM0、d=MdW底计算出钢轨最大动弯应力d。 方法三（使用ANSYS建模求解）： 建模求解过程如下：建立文本：设置优先权：设置梁单元类型：设置弹性支座（轨枕）单元类型：设置PLANE单元（设置该截面的实常数匹配beam 188）：设置弹性支座（轨枕）单元的实常数：设置材料计算模型（线弹性、各项同性）：钢轨起始节点：钢轨终止节点：以间距0.1m填充节点：复制弹性支撑的节点（0.6m间隔）：设置钢轨横向连接单元类型：使用do循环语句完成横向连接：（*do,I,1,251E,I,i+1*enddo）设置轨道竖向连接单元类型： 设置弹性连接单元类型： 使用do循环语句完成竖向弹性连接：（*do,i,1,247,6E,i,i+498*enddo）设置底部支座约束：设置两端支座约束：设置中间各节点约束：施加荷载：设置分析模式：设置输入结果内容和形式：设置几何大变形非线性分析：执行ALLSEL操作，确定参与求解的节点、单元：对当前荷载步进行求解：求解完毕：画出变形云图： 绘制剪力及弯矩图：剪力图：弯矩图：Mmax=21646300（Nmm），与方法一中Mmax=23402036（Nmm）偏差不大。同样可由公式：Md=(1+)(1+1)+ fM0、d=MdW底计算出钢轨最大动弯应力d。方法四（使用Midas建模求解）： 建模求解过程如下：设置节点：设置251（间隔0.1m）个节点：设置材料和截面： 连接节点形成杆单元：设置边界条件： 适用于所选节点：定义荷载工况：添加荷载：运行分析：位移等值线：弯矩等值线：查看内力：Mmax=23164000（Nmm），与方法一中Mmax=23402036（Nmm）偏差不大。同样可由公式：Md=(1+)(1+1)+ fM0、d=MdW底计算出钢轨最大动弯应力d。4.1.1.2 计算允许的降温幅度 因此允许的降温幅度ts：ts=-d-fE = (sK-d-f)/E =（4721.3-113.61-10）/(2.110511.810-6) =96.64（） 式中：d钢轨动弯应力（MPa），取钢轨底部下缘拉应力计算值。4.1.2 根据稳定条件确定允许的升温幅度 根据稳定性计算允许温度压力P方法一（直接计算）：（1）确定参数：对于货运铁路，选用75kg/m钢轨，选取型混凝土轨枕，故不必增加轨枕铺设数量，每公里线路铺设1667根轨枕，等效道床横向阻力Q=11.5kN/m=115N/cm，线路纵向阻力r=15kN/m/轨=150N/m/轨；直线地段(R=+)，线路容许弯曲矢度f=0.2cm;取foe=fop=0.3cm；（2） 计算曲率1/R=1/R+1/R0= 1l028foe = 1(4.0*102)28*0.3 =1.510-5cm-1；（3） 22EIy=2221.0106647=2.68201011N cm2；（4） 43=0.1290；（5） 由式l2=1Q2EIy2R+2EIy2R2+EIy52(f+foe)Q 计算得l2=136287.5cm2, l=369.2cm;（6）l与l0=4m有较大出入，故先取l0=400cm，代入式f0e=l2foel02得：f0e=0.2556cm ；将其代入式l2=1Q2EIy2R+2EIy2R2+EIy52(f+foe)Q 得：l=363.6cm;（7） 再设l0=363.6cm,重新计算f0e=0.2635cm, l=364.6cm；（8） 再设l0=364.6cm，重新计算f0e=0.2620cm，l=364.5cm；（9） 再将f0e=0.2620cm，l=364.5cm代入式 P = EIy5(f+foe)2l4+Q(f+foe)34l2+1R 得PN=4038.0kN；（10） 最后将P=4038.0/1.3=3106.1kN。II 计算允许升温幅度将P=3106.1kN代入式tc= P-2Pf2EF = (3106.1-0)10322.1101177.4510-411.810-6=80.92 4.1.3 根据钢轨折断时的断缝值确定的允许降温幅度 无缝线路钢轨折断后，轨缝不能超过一定限值，否则将引起轮轨间过大的作用力，严重时可能会危及行车安全。由于该线路所用韶山8型(SS8)电力机车的构造速度为160km/h，低于200km/h,故不必考虑路基上无缝线路上由断缝值确定的允许降温幅度ts。4.1.4 设计锁定轨温的确定设计锁定轨温te按下图计算： te=tmax+tmin2+ts-tc2tK式中 tmax、tmin铺轨地区的历史最高、最低轨温； tK设计锁定轨温修正值，可根据当地具体情况取05，由于没有以往的设计经验，故取修正值tK=0。 将（1）（2）（3）中求得的值代入上式得： te=61.8+（-20.6）2+96.64-80.9220=28.4628 无缝线路铺设时，施工锁定轨温应有一个范围，一般取设计锁定轨温5，则施工锁定轨温上限tm=te+5=33，施工锁定轨温下限tn=te-5=23；且需满足tmax-tntc（61.8-23.0=38.880.92）和tm-tmints（33.0-（-20.6）=53.696.64），满足要求，因此施工锁定轨温范围取为：2333。4.2 无缝线路结构计算4.2.1 伸缩区长度无缝线路锁定后，长轨条的两端将随轨温的升降而伸缩，其伸缩范围的长度即为伸缩区长度ls,由式： maxPt拉=2.48Ft拉max ls=maxPt-PHr将施工锁定轨温范围内所有整数的轨温依次代入上式中，取接头阻力PH=400kN，型混凝土轨枕的纵向阻力r=15 kN/m/轨,求得：4.2.2 预留轨缝长轨条一端的伸缩量长，按式长=（maxPt-PH）22EFr (式中 E钢轨弹性模量，MPa；F钢轨断面面积，cm2)计算，标准轨一端的伸缩量短，按式短=（maxPt-PH）l2EF-rl28EF （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；取标准轨长l=25m）计算。确定预留轨缝的原则与普通线路轨缝的原则相同。缓冲区中，标准轨之间的预留轨缝与普通线路相同。长轨与标准轨之间的预留轨缝计算方法如下：按冬季轨缝不超过构造轨缝ag（根据课本P32，取ag=18mm）的条件，可算得预留轨缝上限a上为长轨与标准轨之间：a上=ag-（长+短）标准轨与标准轨之间：a上标=ag-2短按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为长轨与标准轨之间：a下=（长+短）标准轨与标准轨之间：a下标=2短式中 长、短从锁定轨温至当地最低轨温时，长轨、短轨一端的缩短量； 长、短从锁定轨温至当地最高轨温时，长轨、短轨一端的伸长量。无缝线路缓冲区预留轨缝a0为a0=a上+a下2不同施工锁定轨温下的所有计算参数及缓冲区预留轨缝值a0计算结果汇总如下： 长轨与标准轨之间的预留轨缝值a0（mm）：标准轨与标准轨之间的预留轨缝值a0标（mm）:5 设计总结课程设计是一个艰辛的过程，但是艰辛中孕育着收获与成功，这次轨道工程的课程设计，从开始的迷茫、没有头绪到成功地做出结果，无一不是令人欣喜的过程。经历了许多，也收获了很多！课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 说实话，课程设计真的有点累然而，当我着手清理自己的设计成果，漫漫回味这一周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多。通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱，有几次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯。特别是我们土建行业。 总的来说，这次课程设计我学到了很多，特别是掌握了很多轨道的核心问题，从课本转化为实在的设计，让自