（道路与铁道工程专业论文）梁端无砟轨道扣件系统受力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在桥梁上铺设无砟轨道时，桥梁的变形将对桥上无砟轨道结构产生明显影 响。桥梁梁端产生变形时，将造成梁端局部钢轨隆起，导致梁缝两侧一定范围 内钢轨支点产生附加上拔力或下压力。本文主要从梁端位移对无砟轨道的影响 出发，分析梁端转角、错台和列车荷载对无砟轨道扣件系统受力的影响，并提 出相应的结构改进措施。 首先，根据梁端位移的特点，建立了梁端位移对无砟轨道扣件系统受力影 响的计算模型，采用有限元法离散模型并用a n s y s 软件进行计算分析。 其次，针对不同的梁端转角、错台、列车荷载、扣件系统参数以及梁端悬 臂长度，对梁端无砟轨道扣件系统的受力和变形特点进行了计算分析。结果表 明，梁端转角、错台及扣件刚度等对扣件系统受力的影响显著。 再次，为了减小梁端位移对无砟轨道结构扣件系统受力的影响，提出了在 桥梁端部引入过渡轨道板的结构措施，建立了桥梁扣件受力的对比分析模型， 计算了有无过渡轨道板情况下扣件系统的受力，结果表明，梁端设置过渡板可 有效减小扣件系统的受力。 关键词：无砟轨道桥梁变形扣件系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 i _ _ l l _ _ i _ _ l _ _ _ l l i i l _ _ _ - - i _ _ l _ l _ _ i - i - _ i - _ - _ - - i - _ _ l _ l _ _ _ i i _ - - i - l - _ i _ i - _ i l _ l - 一i _ _ l 一 a b s t r a c t a sl a y i n gb a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g e ，t h ed i s t o r t i o no fb r i d g ew o u l dh a v ea s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nb a l l a s t l e s s t r a c ks t r u c t u r e w h e nb e a m - e n dd i s t o r t i o no f b r i d g ea r i s e s ，p a r t i a lu p l i f t so fb e a m e n dr a i l ，t h a tp r o d u c e sa d d i t i o n a lu p l i f tf o r c e so r d o w nf o r c e sw i t h i nac e r t a i ns c o p eo fb o t hs i d e so ft h eb e a mj o i n t s ，c a nb ec a u s e d 。 s t a r t i n gf r o mt h eb e a m e n dd i s p l a c e m e n ti n f l u e n c eo nb a l l a s t l e s st r a c k ，t h i sp a p e r m a i n l ya n a l y z e ss t r e s s i n gi n f l u e n c e s o nf a s t e n e rs y s t e mo fb a l l a s t l e s st r a c kb y b e a m e n dr o t a t i o na n g l e ，s t a g g e r e dp l a t f o r ma n dt r a i nl o a d ，a n da l s op r o p o s e st h e c o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r ei m p r o v i n gm e a s u r e s f i r s t l y , b a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a m - e n dd i s p l a c e m e n t ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e sc a l c u l a t i n gm o d a lo fb e a m e n dd i s p l a c e m e n ti n f l u e n c eo nf a s t e n e rs y s t e m s t r e s s i n go fb a l l a s t l e s st r a c k ，u s e sf initee l e m e n tm e t h o dt od i s c r e t em o d a la n d p e r f o r m sc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sb yu s i n ga n s y s s o f t w a r e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt od i f f e r e n tb e a m - e n dr o t a t i o na n g l e s ，s t a g g e r e dp l a t f o r m s ， t r a i nl o a d s ，f a s t e n e rd e s i g np a r a m e t e r sa n db e a m e n db r a c k e tl e n g t h s ，t h ep a p e r p e r f o r m sc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s o fb e a m e n df a s t e n e rs y s t e m s t r e s s i n ga n d d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fb a l l a s t l e s st r a c k t h er e s u l t s h o w st h a tb e a m - e n d r o t a t i o na n g l e ，s t a g g e r e dp l a t f o r ma n ds t i f f n e s so ff a s t e n e rh a v ea no b v i o u si n f l u e n c e o nt h es t r e s s i n go ff a s t e n e rs y s t e m f i n a l l y , t or e d u c e b e a m e n dd i s p l a c e m e n ti n f l u e n c eo nf a s t e n e rs y s t e m s s t r e s s i n go f b a l l a s t l e s st r a c k ，t h ep a p e rp r o p o s e st h es t r u c t u r a lm e a s u r eo fi n t r o d u c i n g t r a n s i t i o nt r a c kt ob e a m e n do fb r i d g e b ye s t a b l i s h i n gc o n t r a s tm o d a lo ff a s t e n e r s y s t e m ，t h ep a p e rc a l c u l a t e st h es t r e s so ff a s t e n e rs y s t e ma td i f f e r e n tc o n d i t i o n s w h i c hi sw i t ho rw i t h o u tt r a n s i t i o nt r a c k t h er e s u l ts h o w st h a tt h es t r e s so ff a s t e n e r s y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db ys e t t i n gt r a n s i t i o nt r a c ka tb e a m - e n d k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k b r i d g ed i s t o r t i o n f a s t e n e rs y s t e m 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：峰毳 日期：o 矿f 髟6 fa 指导老师签名： 日期： 、刁 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文建立了钢轨、扣件、道床板、桥梁整体模型，对梁端无砟轨道 扣件受力进行了分析，得出梁端转角、错台和扣件刚度对扣件受力影响显著的 结论。 ( 2 ) 本文提出在梁端设置过渡轨道板的结构措施以减小扣件系统的受 力，分析得出过渡轨道板可有效降低扣件受力，为梁端无砟轨道扣件设计提供 依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，在 综合交通运输体系中处于骨干地位。近年来，我国铁路以前所未有的速度向前发 展，特别是铁路的全面提速和客运专线的建设。中国铁路跨越式发展思路为中国 铁路未来描绘了宏伟蓝图，同时也给铁路建设者带来了许多新的课题和挑战。 从世界范围来看高速行车已成为铁路现代化的重要标志。这是因为高速铁 路具有通过能力大、行车速度快、运输效率高等突出特点。我国疆域辽阔、人 口众多，又处于小康水平的发展阶段，更需要能力大、速度快、运价低廉、节 省能源、安全可靠的高速铁路。建设高速铁路是我国改革开放建立社会主义市 场经济的需要，是国民经济发展和人民生活水平提高的需要，也是强化和优化 现代化综合运输体系的需要，为妥善解决大通道运力紧张和城市间旅客运输开 辟了新的途径幢1 。 建设中国的高速铁路，是我国铁路人孜孜以求的夙愿，又是极具挑战性的 伟大事业。实现高速铁路的高速度、高安全性和高舒适性，土建工程中的轨道 结构起着重要的基础性作用。我国的高速铁路要与既有线兼容，运量大，天窗 时间短，其运输与维修的矛盾更为突出，积极推广应用少维修的无砟轨道具有 重要意义。 传统的有砟轨道结构自诞生之日起，就显现出稳定性差的缺点。传统的有 砟轨道采用碎石道砟作为道床，因为石砟道床的增弹减振、排水及方便维修养 护等特点，使得有砟轨道具有铺设方便、造价低、容易维修等优点，长期以来 作为世界各国普通铁路轨道的主要结构型式。但随着列车速度的提高，轨道的 振动加剧，石砟道床的变形越来越严重。在高速铁路上，石砟道床的变形非常 快，给轨道的维修造成困难，同时还因为石砟变形的小均匀性造成轨道的各种 不平顺，影响高速列车的舒适性和安全性。其次，高速铁路上，因高速行车造 成强大的列车风，致使道砟颗粒被风卷起，道床形状难以保持，不得不采用措 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 施进行道砟表面封闭，从而使有砟轨道失去了方便维修这一最大的优势。此外， 在长大隧道及城市地铁中，因为维修不方便，不宜采用变形快维修量大的有砟 轨道。其原因在于碎石道床在列车荷载长期作用下，产生变形及道砟的磨损和 粉化。目前，高速铁路的发展趋势是运营速度3 0 0 k m h ，其对轨道结构的平顺 性和稳定性要求更高，有砟轨道结构的适应性问题己引起普遍关注。无砟轨道 整体性强，纵向、横向稳定性高，能持久地保持轨道的几何尺寸。养护、维修 工作量少，综合成本低，桥梁一期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综 合经济效益高等优点，目前在国内外客运专线上获得了越来越广泛的应用，其 铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无砟轨道在高速铁路上大 量铺设己成为世界高速铁路发展趋势，目前无砟轨道技术发展比较成熟的国家 主要是德国和日本，我国客运专线和高速铁路无砟轨道技术尚处于起步阶段。 在我国即将大规模建设高速铁路的阶段，消化和吸收国外无砟轨道的设计理念、 设计理论和方法等，建立起自主的无砟轨道设计理论体系是我国科研和设计人 员目前需要解决的重要问题。 1 2 无砟轨道国内外研究现状 无砟轨道的发展和运用已有4 0 多年历史，各国根据自己的技术基础与线路 特点，已开发出多种型式的高速铁路无砟轨道结构，在这个发展过程中逐步使 高速铁路无砟轨道结构形成两大技术体系，即日本的柔性充填层板式无砟轨道 结构和德国刚性基础整体式无砟轨道结构。两大技术体系基本发展成熟，其标 志是：在高速铁路上得到大范围推广应用，具有速度3 0 0 k m h 及其以上的高速 铁路实际运营经验；结构统一，形成了标准结构设计：技术经济上具有综合优 势。我国对于无砟轨道的研究虽然起步比较早，但是由于理论基础薄弱、工程 实践少等原因，目前还没有形成成熟的结构型式。2 0 0 6 年，铁道部专家对世界 各国无砟轨道型式进行分析研究，选用了双块式无砟轨道结构和单元板式无砟 轨道结构作为我国现阶段发展无砟轨道的主要型式h 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 国外研究现状 无砟轨道在世界范围内得到了广泛的推广应用。并且，在无砟轨道的研发、 试铺及应用过程中，许多国家都根据各自铁路的特点，研发了各具特色的无砟 轨道结构型式。目前，世界范围内用于高速铁路上的无砟轨道结构型式主要是 轨枕埋入式和板式无砟轨道结构，具体的型式是雷达型、旭普林型轨枕埋入式 无砟轨道和新干线板式、博格板式无砟轨道。 1 2 1 1 日本无砟轨道 日本是发展无砟轨道较早、较快的国家，它发展无砟轨道采取有组织的统 一研发推广模式，并且始终围绕各种类型的板式轨道展开。2 0 世纪6 0 年代中期， 日本开始了板式无砟轨道结构系统的理论研究和试验。铁路综合技术研究所汇 聚轨道、土工、桥隧、材料以及化工等专业的研究人员组成系统攻关研究小组。 在研究开发初期，研究小组针对不同的板式轨道方案进行了设计选型，并通过 部件试验、实尺模型加载试验、设计修改、运营线试验段铺设，最终形成了日 本板式轨道的系列产品。 日本的板式轨道应用非常广泛，其累计铺设里程已达到2 7 0 0 多延长公里。 目前常用的有普通a 型轨道板、框架型轨道板、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r a 型轨道板。 新干线板式无砟轨道由钢轨+ 直结4 型或8 型扣件+ 整体轨道板或框架式轨 道板+ 乳化沥青水泥砂浆层( c a 砂浆层) 十凸形挡台+ 底座组成，如图卜1 所示。 c a 砂浆层作为调整层和弹性层，厚度一般为5 0 m m 。凸形挡台作为限位装置，直 径一般为5 0 0 - - 一6 0 0 m m ，高2 5 0 r a m 。凸形挡台与轨道板间用树脂材料填充，树脂 层厚4 0 m m 。由于板式无砟轨道施工时几何位置不是建立在钢轨上，而是直接建 立在轨道板上，即所谓的“从下向上调整 的施工方法，因此，有必要采用轨 下充填式垫板哺1 。 由于普通a 型板式轨道板中的负弯矩( 特别是横向方向) 比较大，从而需 要很多的钢筋量，然而板中这部分的钢筋混凝土其实是多余的，所以就将这部 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 分挖去便发展成了框架型板式轨道( 如图卜1 所示) 。同时框架型轨道板板面和 板底的最大温差也将减小，减小了翘曲应力，具有荷载分散蚪i z 厶匕1 ，1 5 好，下沉少等 优点。 ( a ) 普通a 型板式轨道纬构( b ) a f 框架型板式轨道 图1 - 1 日本板式轨道结构型式( 钢筋混凝土、预应力混凝土轨道板) 我国在秦沈客运专线的狗河和双何特大桥上分别铺设了板式轨道，长度分 别为7 4 1 m 和7 4 0 m ，在赣龙枫树排隧道也铺设了7 1 9 m 。我国台湾高速铁路的部 分区段采用了日本的框架型板式轨道临3 。 1 2 1 2 德国无砟轨道 德国也是世界上发展无砟轨道较早的国家，德国采用的体制是自主研发、 统一管理的模式。由德铁制定统一的技术要求，企业自主研究开发不同型号的 无砟轨道，在指定的实验室进行实尺模型试验及性能综合评价，并经德铁技术 检查团( e b a ) 认证、批准后，方有资格在线路上进行有限长度的试铺。这样的 体制大大调动了全社会研发无砟轨道的积极性，因此，德铁自1 9 5 9 年开始研究 到现在，先后在土质路基、高架桥上及隧道内试铺了各种混凝土道床和沥青混 凝土道床的无砟轨道。经过不断改进、优化和完善，不仅形成了德国铁路的无 砟轨道系列，而且还形成了比较成熟的技术规范和管理体系，研制了成套的施 工机械设备和工程质量监测设备，使无砟轨道在德国顺利推广。 1 博格板式无砟轨道 博格板式无砟轨道系统的前身是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。通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、纵向连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 等方面的优化改进，采用先进的数控磨床来精加工预制轨道板上的承轨槽，使 其精度容易满足高速铁路对轨道几何尺寸的高要求。 博格板式无砟轨道结构组成类似于新干线板式无砟轨道，差异是抵抗纵横 向作用力的方式不同，前者采用板间螺杆联结或板下凹槽联结的方式，后者采 用凸形挡台联结方式。 路基上博格板式无砟轨道系统和构造见图卜2 。其层次结构依次为：级配碎 石构成的防冻层( f s s ) 、3 0 c m 厚的水硬性混凝土支承层( h g t ) 、3 c m 厚的沥青 水泥砂浆层、2 0 e m 厚的轨道板，在轨道板上安装扣件。博格板式轨道系统轨项 至水硬性混凝土顶面的距离为4 7 4 c m 。 图卜2博格扳式无砟轨道系统结构示意图 目前已建成的京津城际高速铁路采用的就是博格纵连板式无砟轨道结构。 2 0 0 8 年4 月2 5 日，京律城际铁路动车组开行试验中，目前正在进行试验的设计 时速3 0 0 公里国产动车组创造了近3 7 0 公里时速的新纪录。 2 r h e d a 型无砟轨道 r h e d a 型无砟轨道于1 9 7 2 年铺设于德国比勒菲尔德至哈姆的一段线路上， 以r h e d a 车站而命名。在使用过程中不断优化，从最初的r h e d a 普通型发展到 现在的r h e d a 2 0 0 0 型，并且针对路基、桥梁、隧道不同基础进行了部分修改。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 r h e d a 型无砟轨道最初为整体轨枕埋入式轨道，到r h e d a 柏林已经发展为钢筋桁 架支撑的双块埋入式无砟轨道，但承载层仍然是槽形。发展到r h e d a 2 0 0 0 型时， 成为由钢筋桁架连接的双块埋入式轨道，其混凝土承载层改成平板。图卜3 为 r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构系统示意图“1 。 图1 3p , h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构系统示意图 p , h e d a 2 0 0 0 堪称r h e d a 型无砟轨道的完美之作，既实现了结构高度整体性的 设计目标，又达到了减少预制结构与现浇混凝土结合面面积、控制表面裂纹产 生与扩展的效果。 ( 1 ) 简化了轨枕块结构，取消了混凝土槽，降低了结构高度，完善了结构 的整体性，可降低轨道本身和线路的造价。 ( 2 ) 统一了结构形式，即在土质路基上、桥梁上、隧道内以及道岔区和钢 轨伸缩调节器区域都具有相同或相似的结构。 ( 3 ) 轨道结构高度的降低，单位长度轨道重量的减少，改善了轨道工程的 施工性能，可以简化施工机具“。 3 z u b l i n 型无砟轨道 z l l b l i n 型无砟轨道是1 9 7 4 年在z t l b l i n 铺设的一种轨枕埋入式无砟轨道结 构形式。在科隆一法兰克福高速铁路上成功铺设了2 1 k i n 。它的结构组成与r h e d a 型无砟轨道相同。其研发初衷是寻求一种高度机械化的施工方法，以解决r h e d a 轨枕埋入式无砟轨道传统的手工施工带来的进度慢、成本高的问题。它们都是 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在水硬性混凝土承载层上铺设双块式无砟轨道，但采用的施工工艺不同。其特 点是先灌注轨道板混凝土，然后将双块式轨枕安装就位，通过振动法将轨枕嵌 入压实的混凝土中，直至到达精确的位置n 。 图1 - 4 办南l i i i 型无砟轨道结构系统示意图 1 2 2 国内研究现状 我国无砟轨道的研究起于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步。初期 曾试铺过支承块式、短枕式、整体灌筑式及沥青道床等，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 1 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 0 l ( m 。此 外还铺设过由沥青灌注的固化道床，但未正式推广。在京九线九江长江大桥引 桥上还铺设过无砟无枕轨道结构，长度约7 k m 。 1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的推进，无砟轨道在我国重新 得以关注。在“九五 国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究” 中，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无砟轨道型式长枕埋入式、弹 性支承块式和板式无砟轨道结构及其设计参数，随后完成了对三种结构型式实 尺模型的各种性能试验和铺设，并在相关工程中应用。在秦岭1 线隧道中铺设 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 了1 8 4 k m 的弹性支承块式无砟轨道；在秦沈客运专线中，沙河桥铺设了6 9 2 m 长枕埋入式无砟轨道，狗河桥和双河桥分别铺设了7 4 1 m 、7 4 0 m 板式无砟轨道。 同时，提出了秦沈线无砟轨道设计技术条件、施工技术细则和无砟轨道工程质 量检验评定标准，为高速铁路铺设无砟轨道创造了一定条件。 根据2 0 0 4 年国务院批准的中长期铁路发展规划，我国将建设“四纵四 横铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。目前已经建成的遂渝铁路 ( 遂宁重庆) 和在建的郑西( 郑州西安) 、武广( 武汉广州) 客运 专线，以及即将开建的京沪高速铁路都部分或全部采用了各种型式的无砟轨道 结构1 引。 2 0 0 6 年，在遂渝线建成了我国首条无砟轨道综合试验段。在包括桥梁、隧 道和路基及各种过渡段在内的不同线下基础上研究和试铺了双块式无砟轨道、 轨枕埋入式无砟轨道、板式轨道( 含平板型、框架型和减振型板式轨道) 和纵 连板式轨道等轨道结构类型。其中平板型板式轨道3 5 9 1 m ，框架型板式轨道 4 0 3 7 m ，减振型板式轨道3 2 0 m ，纵连板式轨道1 2 4 9 m ，双块式轨道8 6 3 6 m ，道岔 区轨枕埋入式轨道7 4 6 m 。道岔区轨枕埋入式轨道和新北碚嘉陵江大桥桥上纵连 板结构为我国首次试铺。 2 0 0 6 年，铁道部专家对世界各国无砟轨道型式进行分析研究，选用了双块 式和日本板式作为我国现阶段发展无砟轨道的主要型式。国内无砟轨道结构的 研究应用虽然起步比较早，但由于延续性差、理论基础薄弱、系统集成水平低、 工程实践少，目前还没有形成成熟的结构形式。在我国高速铁路发展的大好时 期，各高校以及科研设计单位都投入了大量的人力、物力、财力发展无砟轨道， 相信在我国经济高速发展的今天，我国的无砟轨道技术也会迎来一个飞速发展 的时期。 1 3 梁端无砟轨道扣件系统受力国内外研究现状 目前，国内外对于梁端无砟轨道结构扣件系统受力的研究处于刚刚起步阶 段，国际上对于扣件上拔力的计算方法没有达成统一的共识。德国通过研究梁 端转角、错台以及列车荷载对于扣件系统受力的影响已经得出了初步的结论， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 但是考虑的因素还不是很完整。我国对于扣件上拔力的研究是在消化和吸收国 外经验的同时，根据具体的国情和我国无砟轨道的发展现状具体研究分析桥梁 和轨道对于扣件上拔力的影响。目前在建的武广客运专线综合试验段中，相关 的设计和施工人员将提出扣件上拔力的计算方法以及为减小扣件上拔力的无砟 轨道具体结构措施，并应用于实践。 1 3 1 国外研究现状 相对来讲，对于梁端无砟轨道结构扣件系统受力研究比较系统的主要是德 国。德国采用极限状态的方法对扣件上拔力进行计算，并且采用了两种计算模 型，长期模型：长期特性包括自重、沉降及温度荷载：短期模型：短期特性包 括列车荷载；长期模型中由永久荷载导致的中间层的预压缩量用于短期模型中 的中间层抗拉应力。并且检算的内容非常全面，包括：轨道板或道床板与梁体 的间隙不超过l m m ：扣件的上拔力小于扣件安装的扣压力；轨底的提升量不超过 2 m m ；支承垫片( 轨下胶垫) 的压缩量不超过2 5 m m ；竖向变形效应引起的混凝土 弯拉应力不超过1 2 8 n m m 等。 此外，还提出了些梁端无砟轨道结构方面的处理措旋，如：应用特殊的 具有更高提升能力的扣件系统；将简易支承的桥板换为多跨桥板：通过调整钢 轨扣件的垫片而校准钢轨几何形位；直接在桥梁支承的上方设置上部结构的接 缝；在两种结构末端之间引入过渡轨道板；使用接缝支座以替代分离支座。 日本从桥梁及桥上无砟轨道的安全性、使用性、修复性三方面入手，对无 砟轨道桥梁梁端变形及对轨道结构受力的影响进行了研究，通过车一线桥耦 合动力仿真计算，从满足乘坐舒适度要求角度对梁端支座截面竖向转角、梁端 支座截面竖向相对位移做出了相应限值要求。 1 3 2 国内研究现状 我国对于梁端位移对无砟轨道结构的影响研究不够系统。在研究梁端位移 对无砟轨道的影响时，主要考虑梁端转角和竖向位移的影响，并且没有把桥梁 和无砟轨道系统做为一个整体来研究，因此有必要对桥梁和轨道进行系统化， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 全面地研究梁端变形对上部轨道结构产生的影响。梁端变形主要由以下原因构 成：竖向活载引起的转动；温度变化引起的转动；基础不均匀沉降引起的转动； 无砟轨道铺设后徐变收缩引起的转动；当轨道有坡度时，水平移动引起的梁端 支座截面竖向相对位移；弹性支座引起的竖向移动；另外还应计算列车车轮作 用于钢轨的荷载产生的直接影响，特别是作用于钢轨支点的竖向力。对桥梁和 轨道系统进行研究，有助于无砟轨道在该部位的结构优化。 1 4 本文的主要研究内容及研究意义 在我国无砟轨道的发展中，桥梁与轨道的相互关系具有很重要的作用。本 文主要研究梁端位移对无砟轨道扣件系统受力的影响，并提出减小扣件系统受 力的结构措施，对于我国无砟轨道的发展具有重要的现实意义。 1 4 i 主要研究内容 为了深入分析梁端位移对扣件系统受力的影响，同时对不满足要求的梁端 结构采取相应的处理措施，保证无砟轨道系统正常工作，为设计人员提供设计 依据，本论文的主要工作如下： 1 系统总结桥上无砟轨道的主要结构型式和技术特点 桥梁在我国高速铁路建设中占据重要的地位，目前我国已建成和在建的客 运专线无砟轨道中，桥梁占有相当大的比重，“以桥代路的思想深入人心。 我国目前铁路桥梁上无砟轨道的结构型式主要有板式无砟轨道结构和轨枕 埋入式无砟轨道结构。本文系统总结了板式无砟轨道结构和轨枕埋入式无砟轨 道的结构组成和技术特点，为建立桥梁对无砟轨道结构的影响分析方法提供一 定的基础。 2 分析梁端位移对扣件系统受力的影响 桥梁受各种因素的作用将引起梁端位移，在无砟轨道结构中，轨道系统与 桥梁处于较大的刚性连接状态，桥梁的微小变形都将给轨道系统产生影响，尤 其是会引起扣件系统产生上拔力。梁端发生刚体位移后相当于对扣件系统的支 座施加了分布不同的支座位移，由此建立梁端转角对扣件系统受力影响分析模 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 型，并采用有限元软件a n s y s 对其进行分析。 本文分析了梁端转角、错台、列车荷载对扣件系统受力的影响，计算了不 同的梁端转角和错台高度下扣件系统的受力特点，同时分析了扣件系统参数变 化以及梁端悬臂长度变化时扣件系统的受力影响，为设计人员提供了一定的理 论依据。 3 研究减小扣件上拔力的结构措施 为了减小梁端位移对无砟轨道结构的影响，提出了一系列的处理措施，如： 应用特殊的具有更高提升能力的扣件系统；将简易支承的桥面板换为多跨桥面 板；通过调整钢轨扣件的垫片校准钢轨几何形位：直接在桥梁支承的上方设置 上部结构的接缝；在两种结构末端之间引入过渡轨道板；使用接缝支座以替代 分离支座等。 本文着重分析了在桥梁端部引入过渡轨道板的结构措施。通过建立桥梁端 部扣件系统受力的对比分析模型及a n s y s 有限元软件，计算了有无过渡轨道板 情况下扣件系统的受力，并研究了有过渡轨道板情况下扣件系统受力的影响因 素，为改善桥梁端部无砟轨道扣件系统受力提供了可行的解决办法。 1 4 。2 本文研究意义 目前国内正处于一个发展高速铁路的黄金时期，无砟轨道将会得到更广泛 的应用。在我国修建客运专线的过程中，“以桥代路 的思想深入人心，桥梁在 客运专线中的比例将会越来越大。桥梁受荷载、温度等作用将引起梁端位移， 这种梁端位移包括竖向位移和转角等，这种位移的存在将对轨道结构产生影响。 在传统的有砟轨道上，由于道砟的流动特性，这种微小的位移一般不会对轨道 结构产生影响：但是在无砟轨道上，轨道系统与桥梁处于较大的刚性连接状态， 桥梁的微小变形都将给轨道系统产生很大的影响。因此，建立无砟轨道与梁端 影响有关的计算分析方法，系统的研究梁端位移对无砟轨道的影响特点和规律 是十分必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章桥上无砟轨道主要结构型式与技术特点 我国目前铁路桥梁上无砟轨道的结构型式主要有板式轨道、轨枕埋入式轨 道以及双块式轨道。1 9 9 9 年在铁道部科技开发计划项目“秦沈客运专线桥上无 砟轨道设计、施工技术条件的研究和编制 的有力推动下，秦沈客运专线选定 了三座高架桥作为无砟轨道的试铺段。其中，沙河特大桥( 长6 9 2 米) 试铺长 轨枕埋入式无砟轨道结构；狗河特大桥( 长7 4 1 米) 直线和双何特大桥( 长7 4 0 米) 曲线上试铺板式轨道。基于无砟轨道结构在国内的应用和研究现状，本文 将着重介绍板式无砟轨道结构、轨枕埋入式无砟轨道结构和双块式无砟轨道结 构2 j 。 2 1 板式无砟轨道 板式无砟轨道是将预制好的轨道板直接“放置”在混凝土底座上，通过轨 道板与底座间充填沥青混凝土材料调整轨道板，确保铺设精度。 板式轨道以预制轨道板为核心。轨道板结构型式、抵抗纵横向作用力方式 和高性能的调整层材料是板式轨道的关键技术。 典型板式轨道是日本的新干线板式轨道和德国博格纵连板式轨道。其中， 新干线板式轨道的调整层常被看作弹性层，尽管其对轨道整体弹性贡献非常小。 调整层的弹性特点允许轨道板与底座互为独立。博格板式轨道的调整层则为半 刚性材料，从而可以将轨道板与底座视为机械联结，形成整体结构。 我国第一条客运专线秦沈客运专线上，狗河特大直线桥( 如图2 - 1 所示) 和双何特大曲线桥( 如图2 - 2 所示) 就试铺了板式轨道，目前运营状态良好。 另外，在已建成的遂渝无砟轨道综合试验段( 如图2 - 3 所示) 以及京津城 际轨道交通中，应用了由德国博格板式无砟轨道结构形式开发的一种适用于大 跨桥上的板式轨道结构一纵连板式轨道。此种结构是结合日木板式轨道和博格 板桥上纵连技术而发展起来一种无砟轨道结构型式。相对所有迄今为止的桥上 无砟轨道结构而言，桥上纵连板式轨道系统最主要变化是可以实现取消钢轨伸 缩调节器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 一l 狗河特大桥上板式轨道 瓣 幽2 - 2 双何特大桥上板式轨道 圈2 - 3 新北碚嘉陵江大桥纵连扳式轨道 、 囊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 1 板式无砟轨道的结构组成 板式轨道分为普通型和减振型。普通型板式轨道由钢轨、扣件、预制混凝 土轨道板( 简称轨道板) 、乳化沥青水泥砂浆调整层( 简称c a 砂浆调整层) 、混 凝土凸形挡台( 简称凸形挡台) 及混凝土底座( 简称底座) 等部分组成。凸形 挡台周围采用树脂材料充填。扣件铁垫板上设置充填式垫板。减振型板式轨道 的结构组成除在轨道板底面设置橡胶垫层外，其余与普通型板式轨道相同。 德国博格桥上纵连板式轨道结构系统如图2 3 所示，由钢轨、扣件系统、 轨道板、c a 砂浆垫层、底座混凝土板、滑动摩擦层( 又称滑动层) 、侧向挡块、 和限位台座组成。钢轨采用c h n 6 0 轨，扣件系统采用w j 一7 型扣件，轨道板为 z l 4 9 3 0 型纵联式预应力轨道板，横向后张预应力，纵向采用绝缘涂层钢筋。取 消了普通路基上板式轨道的圆形凸形挡台，而使用侧向挡块进行横向限位，以 保持轨道的稳定性。侧向挡块通过桥梁保护层连接钢筋与梁体连接，并分为普 通型侧向挡块和l 型侧向挡块( 如图2 4 所示) 。 i 。+ 一 图2 4 侧向挡块 钢筋混凝土底座板为非预应力混凝土结构，沿全桥连续铺设，并在两端设 置限位台座，承受底座板因温度升降产生的纵向力。底座和桥面结合面处设置 两布一膜滑动摩擦层，以降低梁轨之间的相互作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 1 2 板式无砟轨道的技术特点 1 拼装式结构 板式无砟轨道以预制轨道板为核心，以轨道板与底座以及轨道板相互之间 纵横向联结为重点，形成垂向底座、砂浆调整层和轨道板的层状结构，纵向按 轨道板长度周期性变化的间断结构。板式无砟轨道的这种拼装式结构可以实现 最经济的结构高度，良好的施工性能和可修复性。 2 自重轻、轨道高度低，降低工程总的造价 在桥隧结构物上使用时，由于自重轻，轨道高度低，从而减少桥梁恒载与 宽度。综合评价工程建筑投资更合理。 3 轨道结构整体性好 板式轨道主要受力部件一轨道板的面积大，因此轨道弹性均匀，各轨道部 件受力均匀且工作应力低，尤其是梁面的应力明显降低。从而延长轨道各部件 的使用寿命。 4 质量和施工进度容易保证 因为轨道的主要部分也是主要的受力部件一轨道板由工厂预制，制造质量 有可靠保障，又为轨道施工节省了时间，施工的进度较快。板式轨道的施工机 具配套，机械化程度高，将人为控制因素降为最小，可确保施工质量，加快施 工进度。 5 可一次性铺设无缝线路 板式轨道施工不需要倒用短轨，施工结束后，承轨面高低、水平误差级小， 为一次性铺设无缝线路提供了平顺的工作面，长钢轨锁定后即可按设计速度投 入运营旧1 。 2 2 轨枕埋入式无砟轨道 德国高速铁路曾经大面积的铺设了无砟轨道，其中，轨枕埋入式是主要的 轨道结构型式，并在德铁桥梁上广泛采用。轨枕埋入式无砟轨道结构是将预制 好的整体或双块式轨枕，在现场通过浇筑混凝土将轨枕埋入到混凝土道床板中 或将轨枕“振入”到混凝土道床板中，使轨枕与混凝土道床板成为一个整体的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 无砟轨道结构型式，区间线路主要采用双块式无砟轨道结构( r h e d a 型和z u b l i n 型) ，道岔区主要采用长枕埋入式无砟轨道结构。 2 2 1 长枕埋入式无砟轨道结构组成 轨枕埋入式无砟轨道的结构组成主要包括：混凝土底座、混凝土道床板、 穿孔轨枕及配套扣件，图2 - 5 为桥上轨枕埋入式无砟轨道结构组成图哺1 。 图2 - 5 长枕埋入式无砟轨道结构组成 1 穿孔轨枕 采用2 5 m 长的预应力混凝土枕，配用8 根巾7 m m 压痕钢丝，轨枕侧面设有 5 个巾4 0 m m 的孔，是为了将一个单元道床内的轨枕用钢筋纵向贯穿。轨枕承载 力由轨道整体结构应力计算确定，配套扣件为弹性分开式，轨枕承轨部位设1 ： 4 0 轨底坡，轨枕与扣件的连接是通过轨枕内预埋绝缘套管，用螺栓连接。穿孔 轨枕是埋入混凝土道床内的轨道部件，它与混凝土道床形成整体，共同承受列 车荷载的作用。为了施工的方便，在穿孔轨枕的两端，预埋带丝扣的套管，施 工时可利用调节螺栓调整轨道的高低。 2 混凝土底座 底座是与桥梁结构用钢筋紧密连接的部件，为控制底座上部道床板的纵横 向位移，在底座两端的中部设置1 0 0 0 7 0 0 1 3 0 m m 的凹形槽。在曲线地段，超 高在底座上设置。底座与上部道床板之间设隔离层，使道床板具有可修复性。 底座采用与桥梁混凝土相同的等级，即c 4 0 级，底座的横截面尺寸为2 0 0 3 1 0 0 m m ，截面配筋按最小配筋率的要求设计。 3 混凝土道床板 由槽形板和填充混凝土组成( 在可机械化施工条件下，可先设置现浇或预 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 制槽形板) 。一个道床板单元放置7 - - - - 8 根穿孔轨枕，轨枕间距为6 0 0 m m 。槽形板 内侧留有伸出钢筋，在调整好轨枕位置后，用填充混凝土将轨枕和槽形板连接 成整体。轨枕间道床板顶面设有2 的人字排水坡，以利于排水。 4 扣件系统 根据高速铁路桥上无砟轨道结构对扣件系统调距量小、调高量大与少维修 的特殊要求，确定采用弹性分开式扣件。 2 2 2 双块式无砟轨道结构组成 r h e d a 型无砟轨道由u i c 6 0 钢轨+ v o s s l o h 3 0 0 扣件+ 双块式轨枕+ 道床板+ 支 承层底座组成。 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道典型断面图如图2 - 6 所示。 ! 型 i ， ! 塑 ； r a f c _ _ 芦止量一! _ _ _ _ _ _ _ 悫黑溪蒸是j 盟 f!鼍0 _ - 一二i l i 。- fi 嘲椭嘶嘲l ；a 3 博即鳓薯鬻一。 葛翻磊磊磊东荔蕊! = = ：焉苏荔赢荔荔葛荔荔荔= = 荔蕊= = = = = = = = 烹：= ：= = = = ：= = t = = ! _ ? = 烹= r _ _ 奄b ： ； 、 一， 、 、_ _ - 7 9 3 图2 - 6 路基上r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道典型断面 1 v o s s l o h 扣件 扣件由弹条、轨下胶垫、基板、弹性基板、挡板、塑料套管、螺栓组成， 如图2 7 所示。 轴i茹鲞 恻 童 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 允许的高度补偿： 4 m m t o + 5 6 m m 侧向的补律! 。1 i u m 5 m 图2 - 7v o s s l o h 扣件组装图 2 双块式轨枕 r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构双块式轨枕如图2 8 所示。 r a i lf a s t e n i n gs y s t e mv o s s l o h3 0 0 f a l t e r n a t e l ya d a p t e dt of i to t h ers y s t e m s ) 图2 - 8r h e d a2 0 0 0 双块式轨枕 z u b li n 型无砟轨道的结构组成与r h e d a 型无砟轨道结构相同。z u b li n 型无 砟轨道不需要r h e d a 型无砟轨道中采用的工具轨，代之以刚度很大的钢构架。 由于对构件之间所有接触面均进行了高精度的机械加工，在精确测量和调整后， 就能保证轨枕的最终位置3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 3 轨枕埋入式无砟轨道技术特点 l 。结构上的高度整体性。轨枕埋入式无砟轨道结构设计以高度整体性为目 标，尽量减少预制轨枕与现场浇筑混凝土结合面面积。这种整体性最大的优点 是减少了薄弱环节，为少维修、免维修提供了基础。 2 钢轨的支承和固定采用长轨枕型式或双块式轨枕型式，与道床混凝土结 合成整体。结构内没有易受环境或温度影响的橡胶、乳化沥青等建材，具有良 好的结构耐久性和可靠性，同时具有稳定的轨道几何状态的保持能力。 3 制造和施工相对简单，费用经济。与板式轨道相比，不需要成套制造轨 道板的设备和灌注乳化沥青专用的机具；轨枕可采用国内既有轨枕工艺迸行生 产，施工时可用以控制轨距，简化施工工装设备。 4 在槽形板与混凝土底座之间设置隔离层，使单元道床板有可能进行修复 和重新配置。在特殊的线路区段，对环境防噪声有较高要求的情况下，可以在 隔离层上设置减振垫板哺1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章梁端无砟轨道扣件受力计算方法 桥梁受列车荷载和基础不均匀沉降等因素作用，将引起梁端位移，包括转 角和错台。在有砟轨道上，由于道砟的流动特性，桥梁微小的变形一般不会对 轨道结构产生明显影响：但是在无砟轨道上，轨道系统与桥梁处于较大刚性连 接状态，桥梁的微小变形将对轨道扣件系统产生较大影响，从而影响到梁端扣 件的正常工作和轨面的平顺性。 3 1 作用机理 桥梁挠曲时，在梁一梁相接或梁一台相接处梁端产生转角，钢轨产生纵向和 竖向线型突变，由于无砟轨道缺少道砟的弹性功能层，将引起轨道系统某些部 件工作状况发生改变，如图3 - 1 所示。 图3 1 桥梁梁端转角带动轨道变形示意图 在图3 1 中，梁端转角迫使钢轨随梁面、轨道板等一起偏转。钢轨的偏转 将导致轨面在高低上出现不平顺，毫无疑问，应该从功能和结构强度上对偏转 量予以限制，使其不致影响高速行车和轨道结构的使用要求。 梁端转角带来的钢轨挠曲( 或微小的以梁长为波长的不平顺) 需通过扣件 系统传递，迫使钢轨实现。桥上扣件系统，特别是梁端扣件可能会出现不均匀 西南交通大学