（道路与铁道工程专业论文）无砟—有砟轨道过渡段竖向动力性能研究.pdf

摘要 无砟一有砟轨道过渡段广泛存在于路桥、路隧连接地段，随着高 速铁路与客运专线的飞速发展，这一问题得到了足够的重视。无砟与 有砟轨道结构形式差异巨大，首先，势必造成无砟一有砟轨道过渡段 在力学性能方面的刚度差效应。轨道刚度差达到一定程度，将会造成 钢轨较大挠度差，随着通过总重增加将会形成轨面不平顺，而轨面不 平顺会加剧轮轨系统冲击，形成恶性循环；其次，新线建设铺轨之后， 无砟与有砟轨道存在不同工后沉降，差异沉降形成的轨面不平顺同样 使得无砟一有砟轨道过渡段列车运行舒适性、平稳性、安全性降低。 因此，我们应在尽量减小无砟与有砟轨道工后差异沉降基础上，设置 合理长度的轨道刚度过渡段。本文进行的就是对c r t si 板式无砟轨 道与有砟轨道过渡段的车辆一轨道系统竖向振动性能的研究。 根据无砟一有砟轨道过渡段实际结构形式，取半宽轨道进行研 究。无砟轨道采用双层叠合梁有限元模型，钢轨被模拟成粘弹性点支 承e u l e r 长梁，轨道板被模拟成连续粘弹性支承e u l e r 自由短梁。有 砟轨道采用三层弹性点支承有限元模型，不考虑道床剪切作用。单个 车辆采用6 自由度多刚体组合模型，完成了多个车辆运行模拟。运用 轮轨密贴假定实现车轮与轨道的位移衔接，应用弹性系统总势能不变 值原理和形成矩阵的“对号入座”法则建立系统竖向振动有限元方程， 并采用f o r t r a n 语言编制了计算分析程序。将确定周期性正弦不平顺 做为系统激振源进行计算分析，输出了主要动力响应时程，验证了本 文程序的可行性与正确性。 应用分析模型研究了轨道刚度比、行车速度、轨面不平顺、行车 方向对系统动力学影响，验证了过渡段设置的必要性，查明了过渡段 轨面不平顺产生的根本原因，同时获得了轨道连接段轨下主要参数的 最优取值范围。对比研究了过渡段刚度过渡设置方式，评价了多种参 数设置形式对钢轨挠度差的改良效果，基本达到了减小轮轨系统冲击 的目的。根据过渡段工后差异沉降大小，采用半波长余弦函数模拟轨 面线形，根据不同行车速度，运用参数影响分析方法初步确定了过渡 段的合理长度。本文最后结合上述分析并参照国内外现有的过渡段结 构形式，提出了几种过渡段的结构设计方案。 关键词：无砟轨道，有砟轨道，过渡段，刚度差，动力性能 a b s t r a c t b a l l a s t l e s s b a l l a s tt r a c kt r a n s i t i o ns e c t i o n sa r ew i d e l ye x i s t e n ti nt h e l i n k i n go fs u b g r a d ea n db r i d g e o rs u b g r a d ea n dt u n n e l t h et r a c k t r a n s i t i o ns e c t i o np r o b l e mh a sa l w a y sa r o u s e dt h eg r e a t e s tc o n c e r nw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a ya n dp a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n e s b e c a u s eo ft h em o s t l yd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sb e t w e e nb a l l a s t l e s s t r a c ka n db a l l a s tt r a c k ，f i r s t l y ，i tw o u l dl e a dt ot h ea b r u p tc h a n g e so ft h e t r a c kv e r t i c a ls t i f f n e s s w i t ht h ec h a n g e sc o m eu pt os o m ee x t e n t ，i tw o u l d c a u s eo b v i o u s l yd i f f e r e n td i s p l a c e m e n tw h e nat r a i nt r a n s i t ，w h i c hw o u l d c h a n g et ob ei r r e g u l a r i t ya st h et r a n s p o r t a t i o ni n c r e a s i n g t h eb e i n go f t h e i r r e g u l a r i t i e sw o u l da g g r a v a t et h e v i b r a t i o nb e t w e e nt h e w h e e la n d r a i l ，t h e nt h ep r o b l e mw o u l db em o r ea n dm o r es e r i o u s s e c o n d l y ，d i f f e r e n t s u b s i d e n c ew o u l dc o m ei n t ob e i n ga tt h eb a l l a s t l e s s b a l l a s tt r a c k t r a n s i t i o ns e c t i o na f t e rt h et r a c k sp a v e di nan e wr a i l w a y sb u i d i n g w h i c h a l s ol e a dt h e t r a v e l l i n gq u a l i t y t ob er e d u c e dm o s t s o ，d u et ot h e b a l l a s t l e s s b a l l a s tt r a c kt r a n s i t i o ns e c t i o np r o b l e m ，w es h o u l dd oo u rb e s t t or e d u c et h es u b s i d e n c ed i f f e r e n c ea n ds e tat r a c ks t i f f n e s st r a n s i t i o n s e c t i o nw i t hr a t i o n a ls t r u c t u r e t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i si sa b o u tt h e v e r t i c a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l e t r a c ka tt h et r a n s i t i o n s e c t i o nb e t w e e nc r t sis l a bt r a c ka n db a l l a s tt r a c k r e f e r r i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r eo ft r a n s i t i o ns e c t i o n t h er e s e a r c hi s o nt h eb a s i so ft h eh a l f - w i d t ht r a c k o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fs l a bb a l l a s t l e s st r a c k t h et w o 1 a y e r - f e mm o d e lb a s e d o nc o m p o s i t eb e a mt h e o r yi se s t a b l i s h e d i nw h i c ht h er a i l i ss i m u l a t e da s ai n f i n i t e l yl o n ge u l e rb e a ms u p p o r t e db yd i s t a n ts p r i n g sa n dd a m p e r s ，t h e s l a bi ss i m u l a t e da sas h o r tf r e ee u l e rb e a mr e s t i n go nc o n t i n u o u s v i s c o e l a s t i cf o u n d a t i o n o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f b a l l a s tt r a c k t h et h r e e 1 a y e r - f e mm o d e lb a s e do nd i s c r e t ev i s c o e l a s t i c s u p p o r t st h e o r yi se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h ee f f e c to fb a l l a s t ss h e a r i n gi s i g n o r e d t h ev e h i c l ei ss i m u l a t e da s6 一f r e e d o mm u l t i b o d ym o d e l ，m o r e v e h i c l e sa l s oc a nb et h o u g h to v e r m e e la n dr a i la r ec o n n e c t e dw i t ht h e o s c u l a t i o nt h e o r y t h ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h ev e r t i c a lv i b r a t i o no ft h e s y s t e ma r ef o r m u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f t o t a lp o t e n t i a le n e r g y i i w i t hs t a t i o n a r yv a l u ei ne l a s t i cs y s t e md y n a m i c sa n dt h e “s e ti n f i g h t p o s i t i o n r u l ef o r m u l a t i n gm a t r i x e sa n ds i m u l a t i n gp r o g r a mi sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n g l y w i t hf o r t r a n w i t hc e r t a i ns i n ew a v e p e r i o d i c a l i r r e g u l a r i t y a sv i b r a t i n gr e s o u r c e ，t h ev e h i c l e t r a c kv e r t i c a lv i b r a t o r y r e s p o n s e sa r ea n a l y z e d ，a n ds o m et i m e h i s t o r yd y n a m i cr e s p o n s ec u r v e s o ft h es y s t e ma r ep u tf o r w a r d w h i c hc o n f i r mt h em e t h o di nt h i st h e s i si s f e a s i b l ea n dc o r r e c t o nt h eb a s i so ft h es y s t e mm o d e l ，as t u d yo fp a r a m e t e rw o r ki s p r o c e s s e d ，w h i c hi sm a i n l ya b o u tt h ee f f e c t so ft h es t i f f n e s sr a t i o no ft h e t r a n s i t i o n s e c t i o n ，s p e e d o f v e h i c l e ，i r r e g u l a r i t y ，d i r e c t i o n o ft h e t r a v e l l i n g b yt h ew o r k ，t h en e c e s s a r i t yo ft r a n s i t i o ns e c t i o n si m p r o v i n gi s i n d i c a t e da n dt h ee s s e n t i a lr e a s o no ft h ee x i s t e n to fi r r e g u l a r i t yi so p e n e d o u t ，t h ea p p r o p r i a t ev a l u eo fs o m em a i np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da tt h e s a m et i m e a na n a l y s i st h a tc o n t r a s t st h ed y n a m i cb e h a v i o ro fs e v e r a l k i n d so fs t i f f n e s ss e t t i n g ，t h e nt h ee f f e c to fi m p r o v i n gi sd i s c u s s e d a sa r e s u l t t h e i m p a c t b e t w e e nw h e e la n dr a i lc o m et ob eal o w e x t e n t a c c o r d i n gt ot h ev a l u eo ft h ed i f f e r e n ts u b s i d e n c ea tt h et r a n s i t i o n s e c t i o na n dv e h i c l e ss p e e d ，t h e a p p r o p r i a t el e n g t ho ft h et r a n s i t i o n s e c t i o ni sp u tf o r w a r d r e f e r r i n gt ot h ef o r e g o i n gs t u d ya n dt h et r a n s i t i o n s e c t i o nt y p e sa th o m ea n da b r o a d ，s e v e r a lt y p e so ft r a n s i t i o nr e m e d i e sa r e 1 i s t e da tt h ee n do ft h i st h e s i s k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ，b a l l a s tt r a c k ，t r a n s i t i o ns e c t i o n ， s t i f f n e s sd i f f e r e n c e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：注7 冱绍日期：丝啦年丛月翌日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：益驻年月单 硕十学位论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 在2 0 0 4 年2 月举行的全国铁路工作会议上，铁道部全面部署了中长期铁 路网规划实施的启动工作，描绘了我国铁路发展的宏伟蓝图：到2 0 2 0 年，我 国铁路营业总里程将达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电 化率均将达到5 0 ；要建设“四纵四横”快速客运专线及三处城际快速轨道交 通系统，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国 际先进水平。2 0 0 8 年4 月，时速3 5 0 公里的京沪高速铁路全面开工建设更是将 我国高速铁路建设推向了又一个高潮。2 0 0 8 年北京奥运会前夕，时速3 5 0 公里 的京津城际客运专线的开通更是又一次证明了中国高速铁路的迅猛发展。 铁路是一个非常复杂的系统，其中，轨道是铁路的主要技术装备之一，是 行车的基础【l 】。由于车辆荷载是一复杂的动力作用过程，从而增加了铁路轨道 的研究难度1 2 ，3 j 。轨道必须坚固稳定，并具有正确的几何形位，以确保机车车辆 的安全运行【4 7 1 。根据高速铁路轨道结构中是否存在碎石道床，把轨道划分为 传统的有砟轨道与无砟轨道，两种轨道结构存在很大差异。 根据多年的研究成果，对于一条高速铁路，轨道结构应该是有砟与无砟两种 结构形式并存的，如对于隧道等具有坚实基础的线路地段应尽量采用无砟轨道结 构，但是，对于特定的某一土质路基地段采用何种结构形式应该进行慎重的技术 经济比较陋引，同时，不同等级线路之| 日j 很大可能存在无砟与有砟轨道的过渡。 列车经过无砟与有砟两种刚度不同的轨道结构时，会引起车辆一轨道系统冲击， 造成过渡段钢轨挠度差，随着通过总重增加将会形成轨面不平顺，轨面不平顺进 一步加剧车辆一轨道系统振动，恶性循环，严重影响轨道的使用和旅客乘坐舒适 性，当列车运行速度提高后，无砟一有砟轨道过渡段问题更加明显n 0 1 。 因此，本文建立无砟一有砟轨道过渡段分析模型，进行车辆动力荷载作用下 的动力响应分析，具有相当重要的意义。分析的结果对有砟轨道与无砟轨道过渡 段设计与施工具有明确指导意义。无砟轨道与有砟轨道的最大区别在于轨道整体 刚度不同，不同的组成结构形式是造成无砟轨道与有砟轨道整体刚度不同的直接 原因，以下对高速铁路线路的有砟与无砟轨道分别进行介绍，从中可以深刻理解 无砟轨道与有砟轨道的巨大差异，同样可以对无砟一有砟轨道过渡段设置形式形 成一种初步的见解。同时对无砟一有砟轨道过渡段及车辆一轨道系统振动研究进 展进行了精简概括。 硕+ 学位论文第一章绪论 1 2高速铁路有砟轨道研究现状 1 2 1 高速铁路有砟轨道修建规模 世界上很多国家都有在高速铁路线路上采用有砟轨道结构形式的经历，如 同本、德国、法国、西班牙、意大利、韩国等【1 1 13 1 。表1 1 为日、德、法三 国高速铁路有砟轨道建设概况。 表卜1日、德、法高速铁路有砟轨道建设概况“4 线路名称运营线路 有砟 国籍及速度长度 轨道 比例 开通年份k m hk m 尔海道新干线( 19 6 4 ) 2 7 05 1 51 0 0 山研f 新1 二线东段( 1 9 7 2 ) 3 0 01 6 49 5 山同i 新干线撕段( 1 9 7 5 ) 3 0 03 9 83 1 日本上越新干线( 1 9 8 2 ) 2 6 09 7 05 东北新干线( 1 9 8 3 )2 7 55 9 89 北陆新干线( 1 9 9 7 ) 2 6 01 2 41 2 九州新干线( 2 0 0 4 ) 2 6 01 2 71 1 曼海姆一斯图加特( 1 9 9 1 ) 2 5 01 0 79 7 汉诺威一维尔茨堡( 1 9 9 1 ) 2 5 03 2 69 7 德国 汉诺威一柏林( 1 9 9 8 ) 2 5 02 6 46 6 科隆一法兰克福( 2 0 0 2 ) 3 0 02 1 93 2 东南线( 1 9 8 1 ) 2 7 05 3 01 0 0 人两洋线( 1 9 8 9 ) 3 0 02 8 01 0 0 法国 北方线( 1 9 9 3 ) 3 0 03 3 21 0 0 地中海线( 2 0 0 1 ) 3 0 02 9 59 8 1 。2 2 高速铁路有砟轨道特点及过渡段处理 目前，高速铁路有砟轨道j 下向着重型化、高弹性化方向发展。 l 、重型化 高速铁路有砟轨道重型化主要包括采用强韧型钢轨【l5 1 、重型预应力混凝土 枕和硬质优质道砟道床【1 7 】。通过运营表明，重型有砟轨道不仅可以使轨道变 形小、结构稳定、使用可靠、轨面平顺，而且可以起到减少振动的作用。同时， 轨道横向阻力增强，线路方向更容易保持。以下是轨道重型化的具体体现。 ( 1 ) 钢轨 采用6 0 k g m 钢轨 ( 2 ) 轨枕增加轨枕长度，提高轨枕重量，特别是提高轨枕有效支承面 硕十学位论文 第一章绪论 积。表1 2 为主要国家的高速铁路轨枕特征。其中中国的轨枕数据摘自新建 时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定( 铁建设 2 0 0 7 】4 7 号) 1 8 】，以 下简称“3 0 0 - - - - 3 5 0 暂规”。 表1 - 2 主要国家高速铁路有砟轨道轨枕数据 国籍法国德国意人利 两班牙 中国 速度( k m h ) 3 0 0 3 5 0 3 0 0 3 5 03 0 0 3 5 03 5 03 0 0 3 5 0 类璎整体式整体b 7 5 整体式整体式 i i i 型有挡肩i i i 型无挡肩 配置( 根k i n ) 1 6 6 61 5 8 71 6 6 61 6 6 61 6 6 71 6 6 7 重量( k g ) 2 9 03 8 04 0 03 2 03 2 03 4 9 长度( m ) 2 52 8 2 62 62 6 2 6 枕底宽度( n u n ) 2 9 03 3 0 3 0 03 0 03 2 03 2 0 高度( r a m ) 2 2 02 0 0 2 2 02 4 22 6 0 2 3 5 ( 3 ) 道床增加道床厚度、加大道床顶面宽度、采用特级道砟这是高速 铁路有砟轨道进行道床强化的趋势。表1 3 为中国铁路轨道设计规范 ( t b l 0 0 8 2 2 0 0 5 ) t 19 1 ，以下简称“轨规”与“3 0 0 , - - - 3 5 0 暂规 所规定的道床基 本参数对比。表1 4 为主要国家道床项面宽度数据。 表1 - 3 中国“轨规”与“3 0 0 3 5 0 暂规”道床参数对比 “轨规”“3 0 0 3 5 0 暂规” 项次 重型轨道直线地段高速铁路轨道直线地段 运营速度( k r i 沛) 1 2 0 1 6 03 0 0 3 5 0 轨枕i i i 型预麻力枕i i i 型预应力枕 道砟等级一级特级 道床顶面宽度( m ) 3 43 6 砟肩堆高( c m ) 1 51 5 十质路基道床厚度( c m l 3 53 5 硬质岩彳i 路基道床厚度( e m ) 3 03 5 道床边坡坡度 l ：1 7 5l ：1 7 5 表卜4 主要国家道床顶面宽度数据”鲫 国籍线路名称 轨枕长度( m )砟肩宽度( e m )道床顶面宽度( m ) 法国t g v 高速铁路 2 5 6 0 ( 堆高1 0 c m ) 3 7 日本高速新干线 2 45 0 5 53 4 3 5 德国i c e 列车高速线 2 85 03 8 中国广深准高速 2 6 4 5 ( 堆高1 5 c m ) 3 5 2 、高弹性化 高速铁路有砟轨道的高弹性是通过扣件和道床来共同实现。理论和实践表 明，当线路运营速度 ，3 0 0 k m h 时，合理的轨道支点刚度为2 0 5 0 k n m m 2 0 1 。 硕十：学位论文第一章绪论 图1 1 为高速铁路有砟轨道断面及支点刚度计算示意图。图中d l 为扣件系统刚 度，d 2 为道床与路基综合刚度。支点刚度d 可以按式1 1 进行计算。 d ：卫生 d 1 + 砬 ( 1 - 1 ) iij l 卜煦吲l 熟 1 图1 - 1高速铁路有砟轨道断面及支点刚度计算示意 由式1 1 知，若想使支点刚度维持在某一水平，当道床弹性优良，提供的 刚度较小时，可以采用较大的轨下挚板刚度，这样的优点是：扣件变形比较小， 弹条的跟随性较好，可以防止钢轨外翻，保证高速行车的平稳性，有利于延长 扣件寿命。法国t g v 线窄级配道床实测刚度为2 0 , - - 一4 0 k n m m ，而我国的为7 6 1 6 0 k n m m 。正是由于道床弹性的差异，也造成中、法两国在轨下挚板刚度上的 不同取值，我国“3 0 0 - - 一3 5 0 暂规 为5 5 - - 7 5 k n m m ，法国为1 5 0 k n m m 3 1 。 3 、过渡段处理措施 高速铁路有砟轨道尽管采用了很多措施进行改良，但是有砟轨道在运营中 的养护维修一直是一个难题，随着行车速度的提高更是同益明显。特别是在一 些特殊地段道床稳定性问题尤为突出。以无砟一有砟轨道过渡段为例，在无砟 一有砟轨道过渡段有砟侧，由于车辆一轨道系统冲击，道床粉化、坍塌严重， 通过上文简要分析所知，重型化轨道可以改良这一状况。如铺设长轨枕、设置 辅助轨，其中设置辅助轨可以认为是对钢轨的加强。其次还有缩小轨枕间距、 铺设优质道砟等【2 l 】道床强化措施。再者，随着新材料工艺的飞速发展，可以通 过在道床中添加胶凝材料来增强碎石问的粘结力，进而增强道床稳定性，延长 道床的养护维修周期【2 2 1 。我国郑西客运专线就采用了道砟胶这一新技术。 1 3高速铁路无砟轨道研究现状 世界各国都相继丌发了具有自主知识产权的无砟轨道结构体系，如同本板 式无砟轨道、德国z u b l i n 型、r h e d a 型、b o g l 板式无砟轨道、瑞士l v t 型 无砟轨道等 2 3 , 2 4 1 。无砟轨道结构具有诸多优点，但是，由于无砟轨道取消了有 4 黼 伟疆 张 麟 争一 硕士学位论文 第一章绪论 砟轨道中提供弹性、减缓荷载冲击、降低噪声的道砟，将带来轨道刚度及几何 状态调整和抵抗纵横向作用力方式的改变，使得这些领域成为了无砟轨道研究 的重点与热点。 1 3 1 国内外无砟轨道建设概况 1 、同本板式无砟轨道 同本铁路是发展无砟轨道较早、较快的国家。早在2 0 世纪6 0 年代中期，日 本就开始了无砟轨道的研究与试验，并逐步推广应用。同本无砟轨道技术主要以 新干线板式轨道结构为代表。2 0 世纪7 0 年代，板式轨道作为只本铁路建设的国 家标准进行推广，板式轨道( s l a b 轨道) 己成为同本新干线无砟轨道的主要结构形 式【2 5 2 7 】。到目前为止，其板式轨道累计铺设罩程已达到2 7 0 0 多延长公里。目 前常用的有普通a 型轨道板( 图卜2 ) 、框架型轨道板( 图1 - 3 ) 、用于特殊减 振区段上的防振g 型轨道板及早期用于路基上的r a 型轨道板等。 麓遗扳郛囊r c ) 氛遘扳 图1 - 2 普通a 型板式轨道图1 - 3框架型板式轨道 表1 5 为日本板式无砟轨道已开通运营概况，表1 - 6 为日本计划修建的板 式无砟轨道概况。 表1 - 5日本板式无砟轨道开通运营概况 序线路 起_ i 卜车站 运营 线路总长 其中( k m ) 号名称 起点终点 年月 ( k m ) 板式有砟其他 1 尔海道尔京新人阪 1 9 6 4 1 05 1 605 1 60 2新人阪冈山1 9 7 2 31 6 481 5 6o 山阳 3 冈山博多 1 9 7 5 33 9 82 7 31 2 50 4 上越人宫新泻 1 9 8 2 1 l2 7 02 4 31 51 2 5 东京 盛冈1 9 9 1 65 0 l 4 l l 4 84 2 东北 6 盛冈八户 2 0 0 2 1 29 38 922 7北陆 高崎 长野1 9 9 7 1 01 2 41 0 51 90 硕十学位论文第一章绪论 续表1 - 5日本板式无砟轨道开通运营概况 序 线路 起一f ：车站 运营 线路总长 其中( k m ) 号名称年月( k m ) 起点终点板式有砟其他 8九州新八代鹿儿岛 2 0 0 4 3 1 2 8 l1 51 2l 合计2 1 9 41 2 4 48 9 35 7 表1 - 6日本计划修建板式无砟轨道n 8 线路 起i 卜车站 运营 线路 其中( k m ) 序号 总长 名称 起点终点 年月 板式 有砟 其他 f k m 、 1 尔北 八户 新青森 2 0 1 0 1 28 28 1 5o 5o 2九州博多新八代2 0 1 0 1 2 1 3 0 1 3 0 00 o 3北陆 k 野新泽 2 0 1 4 1 22 2 l2 2 0 7o f 3o 4 北海道新青森新函馆 2 0 1 5 1 21 4 91 4 4 24 8o 合计5 8 25 7 6 45 60 2 、德国无砟轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一。与其他国家不同的是，德国铁路 首先在车站试铺无砟轨道，接着解决了土质路基铺设无砟轨道的技术问题，然 后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利的条件。 德铁、高校研究所以及工业界自2 0 世纪7 0 年代起就一直进行无砟轨道的研究， 目前正式批准的无砟轨道结构形式有6 种，包括r h e d a 型、b o g l 、z 由b l i n 、a t d 、 g e t r a c 、b e r l i n 型。最近丌发的r h e d a - 2 0 0 0 型轨道( 图1 - 4 ) 已投入商业应用，如 应用在纽伦堡一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道岔区上汹1 。同时， 我国武广客运专线也引进、消化、吸收了r h e d a - 2 0 0 0 无砟轨道部分相关技术。 图1 - 4r h e d a - 2 0 0 0 型无砟轨道结构 博格板式无砟轨道( 图卜5 ) 是德铁应用的另一种轨道结构形式，它的前身是 1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪的一种预制板式无砟轨道。博格板式无 砟轨道已获得了德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁 6 硕+ 。学位论文第一章绪论 路，目前已在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设，于2 0 0 6 年开通 运营。博格板式无砟轨道在我幽京津城际客运专线取得巨大成功，有望在我国 推广使用。 圉1 5 博格板式无砟轨道单元板结柏图 g u b i n 型无砟轨道是德国高铁轨道结构的又一重要形式，其结构组成与 r h e d a 型无砟轨道相j 刊( 图1 6 ) 。只是在设计理念与施工方法上存在根大差异。 我国郑两客运专线引进、消化、吸收了z u b l i n 型无砟轨道的部分相关技术。 k 图1 6znb l in 型无砟轨道 桥隧比例大已经是高速线路的普遍特点，为了解决大跨度桥粱上铺设无砟轨 道的难题，德国博格公司开技了桥上纵联板式无砟轨道“1 ( 图卜7 ) 。纵联板 式无砟轨道的施工工艺流程如下：( 1 ) 桥面保护层施工，并精细整平：( 2 ) 在保 护层面粘贴滑动层下层土工靠：( 3 ) 铺设聚乙烯滑动薄膜：( 4 ) 在滑动薄膜上 表面铺设滑动层上层土工布，与后浇的整体板r 底座粘合；( 5 ) 在粱端铺设发 泡塑料板，用以补偿墩、台不均匀沉降变形等引起的粱端转角造成的梁缝处的轨 道局部隆起或折断以及梁缝两侧的钢轨支点产生的钢轨上抬或下压；( 6 ) 板下 底座施工；( 7 ) b s g l 轨道板起吊安装；( 8 ) c a 砂浆灌注。同时，我们还注意 到纵联板式无砟轨道的一些特色：第一，底座板在一定位置与粱体固结；第二， 桥外设置一定长度的滑动层，底座延伸至滑动层术端；第三，在底座板术端设置 端刺；第四，为了增强底座扳的稳定性，设置一定数量的倒l 型挡块，增强纵联 硕十学仃论文第章绪论 板式无砟轨道的横向抗失稳能力：第h ，在底座板与粱体固结f i j 奇，可能存在萧 轨道板的现浇施l 。 蓁黑薹 。囊溪嚣鲡i ：冀套爹 图i 一7桥上纵联板式无砟轨道 3 、英国无砟轨道 英国无砟轨道的主要代表类型有两种：l v t 型和p a c t 型。l t 型无砟轨 道是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部技周田设橡胶套靴，在轨枕块 底与套靴问设橡胶弹性垫层而在双块式轨枕周围及底下灌注混凝上而成型， 为减振型轨道。其最初由r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发，瑞士困铁于1 9 6 6 年在 隧道内首次试铺。1 9 9 3 年丌通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设了独立 支承块式l v t 型无砟轨道。目前l v t 型轨道的铺设总长度约3 6 0 k m 。p a c t 型 无砟轨道为就地灌筑的混凝土道床，钢轨直接与道床相连接，轨底与混凝土道 床之f e j j 设连续带状橡胶挚板钢轨为连续支承。英国自1 9 6 9 年丌始研究和试铺， 到1 9 7 3 年f 式推广，井在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国家重载和高速线的 桥、隧结构上应用，铺设总长度约8 0k r n 。 4 、世界其它国家无砟轨道 奥地利联邦铁路铺设t 2 5 k m 的o b b p o r t 轨道系统，其结构近似于z i i b l i n 型， 主要用于高架桥梁和隧道。意大利的无砟轨道类型基本上等同丁：几本的板式轨 道。荷兰的e r c 嵌入式轨道结构近似于英国的p a c t 型轨道结构。韩国的汉城 釜山高速线建设中采用的无砟轨道设计与n 本的新二r 线类似。此外迸有一些主要 用于隧道和地铁的无砟轨道结构如德幽的s t e d e 保统、瑞士的w a l o 系统、e d i l o n ”i 系统等。法国高铁。直以发展有砟轨道为t ，但在新建的地中海线，选择隧道里 铺设了4 8k m 双块式无砟轨道，进行试验，还准备在东部高速线4 0 5 0k m 的一 个区问修建无砟轨道。 6 、中国无砟轨道 2 0 世纪6 0 年代我国开始无砟轨道的研究，与国外的 i f 究几乎同步。初期曾 硕十学位论文第一章绪论 试铺过支承块式、短枕式、整体灌注式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支承 块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l k m 的隧道内 铺设，累计达3 0 0 k m 。 2 0 世纪8 0 年代，曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整 体道床，全部铺设在大型客站和隧道内，总长约1 0k m ，但并未正式推广使用。 2 0 世纪9 0 年代末，在完成长枕埋入式、弹性支承块式和板式三种无砟轨道 特性研究及其设计参数确定的基础上，选定秦沈客运专线3 座高架桥作为无砟轨 道的试铺段。其中，沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道； 狗河特大桥( 铺轨1 4 8 2 m ，直线) 和双何特大桥( 铺轨1 4 8 0 m ，曲线) 上试铺 了板式轨道。综合试验结果表明，两种无砟轨道结构形式在结构受力、变形和 振动方面都达到了设计要求。 随后，在西康线秦岭隧道( 铺轨3 7 k m ) 、兰新线乌鞘岭隧道( 铺轨4 0 3 6 8 k m ) 和宜万线隧道内都设计铺设了弹性支承块式无砟轨道，在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺 轨1 4 3 8 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道，在赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设 了板式无砟轨道。 紧接着，吸取长枕埋入式无砟轨道结构铺设经验与教训，铁道科学研究院在 铁道部高速办的指导下，提出了双块式无砟轨道( 简称为t b s 型) 结构方案，并 进行了相关的试验室试验。 2 0 0 4 年，遂渝线无砟轨道综合试验段成功建设驯，通过遂渝线综合试验段 的实际试铺，系统地研究解决了不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、过渡段、 结构承载能力及耐久性、路基结构形式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减 振降噪措施、无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术，为创建具有我国自主知 识产权的、有中国特色的无砟轨道起到了非常重要的作用。 为了实现中国铁路的跨越式发展，我国各相关政府部门、科研院所、高校通 过对日本、德国等原创国无砟轨道相关技术的引进、消化、吸收与改进，依据我 国基本国情和我们已经取得的研究成果，编制了中国无砟轨道技术设计、施工的 系列规范。同时，形成了具有自主知识产权的无砟轨道相关技术。表卜7 为中国 无砟轨道结构形式分类及运用情况。 表1 - 7 中国无砟轨道技术 系列轨道结构形式运用实例 c r t si 板式无砟轨道 海南东环铁路( 在建) c r t si 无砟轨道 c r t si 双块式无砟轨道 武j 。客运专线( 在建) c r t si i 板式无砟轨道 京津城际客运专线( 已开通) c r t s i i 无砟轨道 c r t si i 舣块式无砟轨道 郊两客运专线( 在建) c r t s i i i 无砟轨道纵联极式无砟轨道遂渝线新北碚嘉陵江人桥桥上轨道( 已开通) 9 硕十学何论文第一章绪论 1 3 2 高速铁路无砟轨道特点及过渡段刚度匹配 无砟轨道研发的初衷是为了消除有砟轨道道床所带来的缺陷与病害，其具有 很多优点，当然也存在一些难以处理的问题。 l 、无砟轨道优点 ( 1 ) 轨道稳定性好，几何形位能持久保持，线路养护维修工作量显著减少； ( 2 ) 长波不平顺好，轨道弹性均衡稳定，可提高乘坐舒适度； ( 3 ) 耐久性好，轨道使用寿命长( 6 0 年以上) ： ( 4 ) 横向阻力提高( 有碴轨道为1 2k n 枕，无碴轨道为2 5k n 枕) ，可获 得高运营安全性； ( 5 ) 结构高度低，自重轻，可降低隧道净空，减少桥梁二期恒载； ( 6 ) 寿命周期成本低； ( 7 ) 通过少维修，提高线路使用率，减少对运输的干扰，从而减少事故隐 患； ( 8 ) 道床整洁美观，无道砟飞溅带来的一系列问题。 2 、无砟轨道存在的问题 ( 1 ) 土质路基上无砟轨道上部结构为弹性体，而路基为弹塑性体，在列车 荷载的反复作用下，基础会出现塑性变形，随着通过总重的增长，塑性变形不 断积累，就在混凝土底座和基床表层之间出现空隙，使得底座不是完全支承而 可能变成端部两点支承的简支结构，在最不利荷载作用下，会造成上部结构的 开裂。而且，塑性变形的积累，会使得结构的变形超过无砟轨道扣件的调整范 围，增加线路维修。尤其在路堤部分，其边坡根本就不可能压实到设计强度， 这种情况出现的概率会更大。 ( 2 ) 土质路基作为无砟轨道的基础，若压实度不够或者由于其它原因，轨 道基础就可能会出现不均匀沉降，基础的不均匀沉降会使得在两块轨道板之间 出现竖向错位；竖错产生时，无砟轨道各部分受力状态将发生相应变化，影响 车辆与轨道的动态相互作用及轨道的稳定性与强度。 ( 3 ) 轨道板道床板自身翘曲现象，在混凝土板的表面，拉应力超过了混 凝土的抗拉强度，会造成轨道板表面开裂，致使内部钢筋锈蚀，强度降低。 ( 4 ) 施工中，若作为弹性挚层与底座和轨道板之间的连接部分的c a 砂浆 填充不均匀，在板下出现不完全支承的现象，在列车荷载反复作用下，轨道板 会出现局部应力集中，可能会造成轨道板的开裂。 ( 5 ) 若轨道结构的排水措施不好，会使得雨水渗流到基础部分，引起基础 的淘刷，使得地基发生翻浆冒泥，严重时会造成上部结构的塌陷，严重威胁运 1 0 硕士学位论文第一章绪论 行安全。 ( 6 ) 有效控制以岩土为材料的路基工程残余变形，以满足无砟轨道铺设和 长期运营的要求，是土质路基地段铺设无砟轨道急需研究解决的关键技术之一。 ( 7 ) 由于轨道不断承受列车的反复作用，无砟轨道和我国大部分轨道那样， 处于超负荷条件下工作，残余变形积累迅速，而无砟轨道一旦出现大的变形就 不易维修，不可避免的会出现一些大的轨道不平顺，破坏列车运行平稳，影响 行车安全。而且，若线路不平顺造成列车脱轨，则轨道板混凝土被压裂，线路 需重新铺设泓3 。 ( 8 ) 土质路基无砟轨道结构的位置偏差不能超出轨道附属设备的调整范 围，无砟轨道是一种免维修的结构，这是在铺设无砟轨道时必须注意的问题。 3 、无砟一有砟轨道过渡段纵向刚度问题 无碴轨道的弹性主要由扣件提供。对于板式轨道，尽管在研究中用弹簧模拟 c a 砂浆的作用，但是施工中为了保证c a 砂浆的强度与稳定性要求其提供的弹性 是相当有限的。而有砟轨道则拥有较好弹性，这样无砟一有砟轨道过渡段纵向刚 度合理匹配就显得非常重要。为研究这一问题，引用两个概念：轨道( 整体) 刚 度概念和轨道刚度比概念。 轨道刚度：多层质量一弹簧系统的综合刚度，反映轨下基础整体弹性。 对于有砟轨道，可视轨下基础为三弹簧串联系统，如图1 8 ，采用式( 1 2 ) 来计算： 二二二二二蛰轨二：二 耋 k p l 轨枕l 羔 胁 妻 k f 图1 - 8 有砟轨道刚度示意图 氏= 币去 2 ) 式中 瓦有砟轨道刚度( n m ) k 。轨下垫层刚度( n m ) k 。碎石道床刚度( n m ) 硕十学位论文 第一章绪论