（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通钢轨支承间距与支承刚度相互关系的研究.pdf

中文摘要 作为现代化城市交通工具，近几年轨道交通在我国发展迅速。与其它运输工 具相比，它具有运量大、速度快、安全可靠、时间准等优点。 城市轨道交通的运输车辆及运营组织不同于国家地面铁路，车辆轴重大多低 于1 4 0 k n ，运营速度大多低于1 0 0 k m h ，这些特点，决定了其应采用有别于国铁轨 道的设计标准，以达到标准合理，技术安全，投资经济的目标。 钢轨的支承间距和支承刚度是轨道结构的重要设计标准之一，对保持轨道轨 距，传承车辆荷载，增强轨道的纵横向刚度与阻力，保持轨道纵横向稳定性等有 重要作用。钢轨的支承间距和支承刚度的设计，必须根据城市轨道交通的特点加 以分析研究。对轨道交通的合理铺枕根数，即支承间距到底多少合适，但在地 铁设计规范中关于钢轨支承间距的相关规定均是参考国铁的相关规范制定的。 城市轨道交通的扣件应具有足够的强度、扣压力和耐久性，根据城市轨道交 通车辆轴重及减振的要求，本文将根据城市轨道交通轨下基础、扣件、弹性垫板 等耦合形成的不同的钢轨支承刚度( 1 1 0 7 n m - - , 4 x1 0 7 n m ) 和钢轨的支承间距 的最佳匹配问题进行研究。 在不同的钢轨支承间距与支承刚度情况下，将产生不同的轨道结构力学响应。 本文将运用a n s y s 软件分别建立隧道、长大坡道、小半径曲线、高架桥模型，进 行准静态和瞬态动力学分析。得出不同工况下钢轨支承间距与支承刚度对轨道结 构力学参数的影响情况，并最终给出选择匹配的钢轨支承间距与支承刚度的建议。 关键词：城市轨道交通；支承问距；支承刚度；a n s y s 分类号：u 2 1 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mi sam o d e mw a yo ft r a n s p o r t a t i o nl n m a n yc i t i e s i nr e c e n ty e a r s ，u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mi sd e v e l o p e dr a p i d l yi nc h i n a c o m p a r e dw i t ho t h e rt r a n s i ts y s t e m s ，u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so f l a r g e - c a p a c i t y ，h i g hs p e e d ，p u n c t u a l i t y ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y b e c a u s e o ft h e s e c h a r a c t e r i s t i e s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t so ft r a c ks t r u c t u r es h o u l db es a t i s f i e df o rt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：s a f e t y ，r e l i a b i l i t y ，l o wn o i s e ，l o n g l i f ea n dl e s sm a i n t e n a n c e i nc o n t r a s tw i t hn a t i o n a lr a i l w a y ，d i f f e r e n td e s i g ns t a n d a r d ss h o u l db et a k e nf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m ，s ot h et a r g e t so fr e a s o n a b l es t a n d a r d s ， t e c h n i c a ls e c u r i t ya n di n v e s t m e n te c o n o m yc a nb er e a l i z e d t h eb e a r i n gs p a c i n go fr a i l i so n eo ft h em a i nd e s i g ns t a n d a r d s i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n gt r a c kg a u g e ， b e a r i n gt h el o a df r o mt h er a i l a n dd e l i v e r i n gi tt ob a l l a s t i ti sa l s oi m p o r t a n tf o r s t r e n g t h e n i n gl o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s ，l a t e r a ls t i f f n e s sa n dr e s i s t a n c ef o r c e m o r e o v e r ，i t c a nh e l pm a i n t a i nl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ls t a b i l i t yo ft h et r a c k a n dt h er e a s o n a b l e n u m b e ro fs l e e p e r s ，i no t h e rw o r d st h er e a s o n a b l eb e a r i n gs p a c i n gs h o u l db ea c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nr a i lt r a n s i t h o w e v e r ，i nt h ec o d eo fs u b w a yd e s i g n ， b e a r i n gs p a c i n gs h o u l dr e f e rt ot h er e l a t e dc r i t e r i o no f n a t i o n a lr a i l w a y t h e f a s t e n i n g o fu r b a nr a i lt r a n s i ts h o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f s t r e n g t h ，d u r a b i l i t ya n dt h ea d e q u a t et o el o a d i nt h i sp a p e r ，s t u d yi sc a r r i e do u to nt h e m a t c h i n gp e r f o r m a n c eb e t w e e nd i f f e r e n tb e a r i n gs t i f f n e s so fr a i l ( 1x 107 n m - - - 4x 107 n m ) a n dd i f f e r e n tb e a r i n gs p a c i n go fr a i la c c o r d i n gt ot h et h ec o u p l e ds t r u c t u r e a m o n g t i ep l a t eu n d e rr a i l ， f a s t e n i n ga n dr u b b e rt i ep l a t e t h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea x l e l o a do fu r b a nr a i lt r a n s i ta n dt h ev i b r a t i o nd a m p i n ga r es a t i s f i e di nt h i sp a p e r d i f f e r e n tm e c h a n i c a lr e s p o n s ec a nb ec a u s e db yd i f f e r e n tb e a r i n gs t i f f n e s so rt h e b e a r i n gs p a c i n go fr a i l w i t ht h eu s e o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h e s p a c em o d e l so ft u n n e l ，l o n gs t e e pg r a d e ，s m a l l - r a d i u s c b r v ea n dv i a d u c t ，a r e e s t a b l i s h e d q u a s i s t a t i cr e s e a r c ha n dt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i sh a v eb e e nd o n e a n d t h e nt h ee f f e c to fb e a r i n gs t i f f n e s sa n dd i f f e r e n tb e a t i n gs p a c i n go fr a i lw i t hp a r a m e t e r s o ft r a c ks t r u c t u r ec a nb e e nc r e a t e di nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s a tl a s t ，s o m e s u g g e s t i o n so nh o w t oc h o o s et h es u i t a b l eb e a r i n gs t i f f n e s sa n dt h eb e a r i n gs p a c i n go f r a i la r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ；b e a t i n gs p a c e ；b e a t i n gs t i f f n e s s ；a n s y s c l 。a s s n o ：l j 2 13 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：日名月、，年 独创性声明 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本文是在导师高亮教授及副导师吴建忠高工的悉心指导下完成的。从论文的 选题、难点的解决到文章的谋篇布局无不倾注了导师们的心血，两位恩师在轨道 交通方面丰富的设计经验与专业知识也给予我极大的帮助与指导。在我硕士学业 的这两年时间里，两位导师严谨的治学态度、扎实的理论功底、丰富的实践经验 对我产生了深远的影响，他们使我对城市轨道交通有了更加深入的认识，并决心 把它作为自己终身奋斗的事业! 在此衷心感谢两年来两位老师对我的关心和指导。 在两年的学习生活中，我还得到了交环所老师以及北京城建设计院轨道室的 曾向荣高工无微不至的关怀。尤其在论文撰写阶段，在搜集国内外城市轨道交通 的研究资料、试验数据方面曾工给予我无私的帮助，在此对各位老师深表谢意。 此外，在论文的前期准备以及编写过程中，得到了陈鹏、孙大新、郝建芳、 曲村、辛涛等几位师兄师姐和同学的帮助，在此一同表示谢意! 感谢家人对我的理解和支持，使我能够有充足的时间来完成学业! 最后向所有给予我关心和帮助的老师、同学和朋友们表达我最深刻的谢意! 第一章引言 1 引言 城市轨道交通最早的地铁始于1 9 世纪的伦敦，建成至今只有不j ! u 1 5 0 年的历 史。而由于经济和人口的迅速增长带来的城市化进程使得当前中国越来越多的大 城市开始筹建城市轨道交通n 1 。从北京始建算起，城市轨道交通建设在中国至今只 有半个世纪的里程。但是随着我国城市建设事业的飞速发展，继北京地铁之后， 上海、广州、深圳、南京、青岛等诸多城市纷纷兴起大规模建设的热潮。特别是 北京、上海、广州等大型城市的轨道交通每年都以4 0 - 5 0 k m ，投资1 0 0 多亿元的速 度推进。为迎接2 0 0 8 年的奥运会，北京多条线路已经建设完工，截止目前已建成 城市轨道交通总里程2 3 0 k m 。为迎接2 0 1 0 年世界博览会，上海多条线路正在紧张施 工，届时将建成1 3 条线路组成的总长5 1 0 k m 的城市轨道交通网。同时，武汉、重庆、 大连、长春、哈尔滨、沈阳、成都、青岛、杭州和苏州等城市先后完成了规划和 设计。 如此大规模的城市轨道交通工程建设，在世界各国交通工程建设史上是独一 无二的。结合不同的城市环境，克服各种困难，吸收各种城市轨道交通的建设经 验，最终建成了目前我国以地下线为主，地面线、高架线、轻轨、跨座式单轨交 通等多种轨道并存的多条城市轨道交通线路乜】。 城市轨道交通作为一种高效率、大容量、舒适安全的现代化城市交通工具， 既有效的解决了交通拥挤，满足了现代社会快速高效的要求，又有效的改善了城 市的交通环境，而且还有助于城市建设和经济的发展。正是这些显著的优点，使 得我国掀起了一次大规模建设轨道交通的热潮。 经过近些年来多条城市轨道交通线路设计施工经验的积累，我国在设计和施 工的技术、经验方面趋于成熟和完善。但是在实际的设计和建设过程中，由于没 有足够的基础试验数据和国内外成熟的城市轨道交通相关的规范，在地铁的设计 中存在着参照沿用国有地面铁路的设计参数的情况。比如本文所研究的钢轨支承 间距与支承刚度数值，基本上是参照国有地面铁路设计规范制定的。众所周知， 国铁和城市轨道交通相比，具有轴重大、 铁的标准进行城市轨道交通设计的做法， 材料浪费、造价增加、维修困难等问题。 编组多、速度高等特点。因此，采用国 可能存在着设计偏于安全和保守而使得 本文针对国内城市轨道交通的的实际设计和运营情况，对采用不同钢轨支承 间距与支承刚度的轨道结构型式进行研究和分析。 ( 1 ) 建立a n s y s 有限元模型，对钢轨的下沉量、温度力、伸缩力、挠曲力、 扣件纵向阻力、横向力、扣件抗拔力、梁轨相对位移、钢轨加速度、动弯应力、 梁端转角等参数进行对比分析，就钢轨支承间距对这些轨道力学参数的影响进行 北京交通人学硕士学学位论文 研究，并找出不同间距和弹性支承刚度间的最佳组合。此外对列车在特殊地段是 否需要加密，加密多少等问题进行研究。计算分析了不同支承间距和支承刚度下， 钢轨及桥梁的受力与变形，以及动力条件下钢轨的动力响应和轨枕垫层对轨道结 构振动特性的影响。最终根据分析的情况，得出钢轨支承间距与支承刚度之间最 佳匹配关系。 ( 2 ) 通过对钢轨支承问距与支承刚度之间最佳匹配的分析结果，得出符合安 全运营条件的经济最优化的轨枕铺设数量。这些结论，可能会对地铁设计规范的 修改、工程设计的优化等具有一定的现实意义。 2 第二章钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 2 钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 本章将简要介绍国内外城市轨道交通发展现状以及国内外地面铁路、轨道交 通的钢轨支承间距支承刚度的使用现状。分析选择城市轨道交通中轨道结构采用 的主要型式，从中选择出普遍使用且具有代表意义的结构型式作为本文的研究对 象。最后简要介绍本文研究的主要内容及意义。 2 1 国内外城市轨道交通发展现状 自1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第一条真正意义上的地铁线路以来，许多经济 发达的国家，经过约1 5 0 年的不断实践，相继建成了以城市轨道交通为骨干，以 公路交通为基础，同时发展其他交通方式的立体化交通网络，其中起骨干作用的 城市轨道交通更以其“快速、便捷、大容量、污染小和能耗低“等优势倍受人们 的关注和青睐。据近年统计资料显示，全世界有3 6 个国家和地区的1 0 8 座城市已 建成并开通城市轨道交通，其中地铁线路总长约5 0 0 0 k m ，轻轨交通线路总长约 1 2 5 0 k m 。 2 1 1 国外城市轨道交通发展现状 美国开展较早的轨道交通系统是18 4 3 年在沃西斯特至波士顿开通的市郊铁路 线路。纽约、费城、芝加哥等均建设了较大规模的城市轨道交通运输网络。 纽约城的统治者对是否修建地铁曾争执了许多年，僵局在1 9 0 0 年打破后，投 资商顶着资金压力建设了巴尔蒙特线，他被视为“纽约地铁之父 。1 9 0 2 年成立 了一个快速运输公司( i r ) 来经营这条线路，1 9 0 4 年1 0 月2 7r 开始运营，第一 年底日运量就达到了4 0 万人次，票价相当于5 先令。 芝加哥的快速运输体系一开始并未选择地铁，它建立了高架的道路网络。沙 梁尔( s a m u d ) 开始控制所有的高架运输公司时才开始这一事业，他在1 9 2 4 年将 所有的高架公司合并为芝加哥快速运输公司。 美国其他几个城市包括洛杉矶也考虑了地铁建设的提案，但由于各种原因， 部分计划流产。 欧洲在第二次世界大战前也有几个城市修建了地铁，但高架线路则不如美国 常见。巴黎的第一条地铁线( m e t r o ) 建成于1 9 0 0 年，柏林的地铁( u - - b a h n ) 则 是1 9 0 2 年开始服务的。汉堡地铁在1 9 1 2 年开通，马德罩在1 9 1 9 年、巴塞罗那在 3 北京交通大学硕士学学位论文 1 9 2 4 年、斯德哥尔摩在1 9 3 3 年开通了地铁服务。由于同间午睡的影响，西班牙一 天有4 个运营高峰。目前伦敦拥有世界上最大的地铁系统，其线路共4 0 6 k m ，纽 约以3 7 2 k m 屈居第二位【j j 。 拉丁美洲的第一条地铁是1 9 1 3 年在布宜诺斯艾利斯开通的。澳大利亚成为第 四块拥有地铁系统的大陆，它在1 9 2 6 年开通了悉尼近5 k m 的隧道电车。非洲的地 铁是直到19 8 7 年开罗开通连接两个铁路车站的隧道服务后才有地铁系统的。 亚洲最早的地铁是r 本东京1 9 2 7 年1 2 月开通的浅草一涩谷线。目前，东京已 经建成了较为庞大的、形式多样的城市轨道交通网络【4 j 。 2 1 2 我国城市轨道交通发展现状 我国城市轨道交通的发展起步较晚，且发展较慢。1 9 6 9 年l o 月，北京建成了 从苹果园到北京站全长2 3 6 k m 的地铁一号线，结束了中国无地铁的历史。1 9 8 4 年 1 0 月，又开通运营了1 6 1k m 的地铁第二期环线。1 9 7 0 年6 月，天津开始修建地 铁，成为中国第二个修建地铁的城市，1 9 8 4 年1 2 月建成通车，全长7 4 k i n ，沿途 共设8 个车站。在9 0 年代以前，我国的地铁建设规模还很小，也没有受到很大的 关注。如北京地铁一号线来讲，当时主要的是安全方面的考虑，对经济方面的功 能并没有太多考虑。 进入9 0 年代后，地铁的建设受到了许多经济发达城市政府的高度重视，尤其 是大城市，如上海、广州等。在上海，1 9 9 0 年9 月开工建设地铁一号线，1 9 9 5 年 4 月全线通车，1 9 9 6 年7 月1 日一号线与5 2 5 k m 南延伸线连通，使线路总长达2 1 5 1 k m ，共1 6 个车站。广州地铁一号线于1 9 9 3 年1 2 月破土动工，至1 9 9 7 年6 月一 号线西郎至黄沙5 5 k m 的一期工程竣工并投入试运营。19 9 9 年在北京，投资7 5 7 亿元人民币的地铁“复八段”的开通，使北京地铁总长达5 4 k m ，成为中国城市地 铁之最。目前的情况来看，全国各大城市希望修建地铁的呼声很高，有地铁运营 后希望地铁网络化、正在施工和准备上报立项的城市己经超过了2 0 个。 至今我国内地已经有北京、上海、天津、重庆、长春、大连、武汉、南京、 广州、深圳等l o 个城市建成轨道交通运营，总运营里程为4 2 2 5 k m ，其轨道形式 以地下线路为主，地面线、高架线、轻轨、跨座式单轨等多种轨道并存。北京规 划到2 0 2 0 年轨道交通运营线路覆盖建成城区面积将达到6 0 以上，目前地铁4 号 线、1 0 号线、奥运支线、机场客运专线等轨道线路开工建设，在建规模达到11 3 k m ， 相当于建国以来轨道交通建设的总和；上海规划2 0 0 5 - - 2 0 1 2 年间新建8 条轨道交 通线和部分延伸线项目，新建线路总长3 8 9 k m ；广州计划到2 0 1 0 年建成总长达 2 5 5 k m 的城市轨道交通网络；南京规划到2 0 2 0 年为止，除地铁1 号线和2 号线外， 4 第二章钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 还将陆续建设l 号线南延、2 号线东、西延伸线、宁芜轻轨线一期、6 号线、3 号 线一期、江北轻轨一期等7 条线路，使得南京轨道交通总长度达2 0 1 k m ；此外， 深圳、青岛、成都、大连、武汉、重庆、沈阳、杭州等大城市的地铁、轻轨均在 规划当中；济南、兰州、昆明、西安、乌鲁木齐等城市也正在投入研究开发城市 轨道交通事宜，上述诸城市编制的轨道交通线网总里程达3 0 0 0 k i n t 5 1 。 2 2 国内外地面铁路、城市轨道交通钢轨支承刚度和支承间距情况 钢轨支承间距对轨道的弹性模量有直接的影响，合理的支承间距不仅可使轨 道的弹性模量合理，而且可降低造价。在国外，木枕轨道的轨枕根数每公里1 5 0 0 - - 2 0 0 0 根，采用混凝土轨枕以后，轨枕根数有减少的趋势，一般每公里1 6 8 0 - - 1 7 2 0 根。我国国家铁路设计规范规定整体道床轨枕铺设根数在直线地段为每公里1 7 6 0 根，在曲线地段每公里1 8 4 0 根，但是，铁道科学研究院对成昆线雪区1 号和2 号 隧道整体道床按每公里1 8 4 0 、1 7 6 0 、1 6 0 0 根对三种不同扣件间距的动测结果表明， 其钢轨的动弯应力、扣件的垂直压力及车辆簧下质量加速度均无显著差异，并且 每公里1 6 0 0 对的实验段，至今尚未发现异常现象。 2 2 1 国内外钢轨支承间距的使用现状 目前地铁规范，根据地铁轨道结构各部位受力小的特点和国内地铁运营的实 践经验，参考国外地铁和地面铁路的轨枕设置根数，做出了地铁轨枕铺设数量的 规定，并没有进行准确的计算研究。对枕式整体道床来说，正线5 0 k g m 钢轨及 6 0 k g m 钢轨，均规定为1 6 0 0 - - - - 1 6 8 0 根k m ，轨枕间距为6 0 0 - 6 2 5 m m ；在半径小于 4 0 0 m 的小半径曲线及坡度大于2 0 的陡坡地段，轨枕加密8 0 根( 对) k m ，轨枕 问距为6 0 0 m m 。 而国外城市轨道交通系统的钢轨支承间距一般均不小于7 0 0 m m ，温哥华及吉 隆坡直线电机系统直线地段为9 0 0 1 0 0 0 m m ，曲线地段为保证钢轨的平顺性，采用 7 0 0 - 9 0 0 m m 。相比之下，我国采用的轨枕间距过小，造成了浪费。 法国地铁规范规定高架桥枕木间距7 5 0 m m ，新加坡地铁整体道床的扣件间距 为7 0 0 m m ，考虑到车辆运行最高速度为8 0 k m h ，最大轴重为1 7 0 k n ，确定按每公 里1 6 0 0 、1 5 2 0 对设置扣件，即扣件间距为6 3 0 m m 、6 6 5 m m 。 由北京城建设计研究总院承担设计的北京首都机场线，采用庞巴迪直线电机 车辆，静态最大轴重1 1 0 k n ，4 节编组，最高设计速度1 1 0 k m h ，支承间距采用 6 7 5 m m ，是我国轨道交通设计中采用的最大间距。从2 0 0 7 年9 月正线试车到2 0 0 8 5 北京交通大学硕士学学位论文 年4 月开始全线空车试运行均表现良好。这条线路全长2 7 0 9 5 k m ，与规范要求的 轨枕铺设根数相比，全线仅扣件和轨枕的减少就能直接节约资金约3 6 0 万元，而 对于安装及后期对轨道的养护维修所减小的工作量就更大了【l l 】。 2 2 2 国内外钢轨支承刚度的使用现状 在一般的有限元计算中，将钢轨视作长梁，假设每一扣件节点为一个线性弹 簧，由扣件系统及轨下挚板提供钢轨支承刚度，该扣件节点处提供的耦合刚度就 是钢轨的支承刚度。 支承刚度由根据受到静荷载和动荷载的不同，分为静刚度和动刚度。静载荷 下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单 位振幅所需要的动态力。静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量， 动刚度则是用结构振动的频率来衡量；如果动作用力变化很慢，即动作用力的频 率远小于结构的固有频率时，可以认为动刚度和静刚度基本相同。否则，动作用 力的频率远大于结构的固有频率时，结构变形比较小，动刚度则比较大。但动作 用力的频率与结构的固有频率相近时，有可能出现共振现象，此时动刚度最小， 变形最大。综上所述，结合北京地铁的实测资料，本文建立模型采用的动静刚度 比为均为1 5 。 2 2 2 1 国内外地面铁路无砟轨道钢轨支承刚度参数 ( 1 ) 德国v o s s l o h 3 0 0 型扣件【1 2 】 轨下垫板一般厚5 m m ，用工程塑料制作，刚度为4 0 0 k n m m弹性基板厚 l o m m ，用橡胶复合材料制作，刚度2 5k n m m ，钢轨支承刚度为( 2 2 5 2 5 ) k n m m ，且动静刚度比1 5 。 图2 1 用于京津城际高速的v o s s l o h 3 0 0 型扣件 f i g u r e2 1t y p ev o s s l o h 3 0 0f a s t e n i n gu s e di nb e i j i n g - t i a n j i ni n t e r c i t yr a i lt r a n s i t 6 第二章钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 ( 2 ) 日本直结型扣件 日本板式轨道，采用c a 砂浆为弹性材料，但由于其弹性模量在1 0 0 m p a 以上， 换算成垂向刚度，一般在1 0 0 k n m m ，相对于轨下垫板来说，这个弹性有限，根据 日本j i s 6 0 钢轨的轨道整体刚度为8 3 k n m m ，可以计算得到钢轨支承刚度近似为 3 0 k n m m 。 ( 3 ) p a n d r o lf a s t c l i p 型扣件 扣件弹性主要由轨下垫板提供，耦合以后整体的钢轨支承刚度为4 0 k n m m - - - 5 5 k n m m 。 ( 4 ) 国内弹条型扣件 在秦沈客运专线板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道试验段以及遂渝线无砟 轨道试验段上都对弹条型扣件进行了试验。单个弹条的扣压力为1 2 k n ，弹性主要 由轨下垫板提供，钢轨支承静刚度为4 0 k n m m - - 6 0 k n m m 。 2 2 2 2 国内城市轨道交通钢轨支承刚度参数 我国已建和在建城市轨道交通铺设的扣件，类型较多，除天津地铁1 号线铺 设刚性扣板式扣件外其它均铺设弹性扣件( 新的天津1 号线已经改造并延长，全 部采用了弹性扣件，已于2 0 0 6 年6 月通车) ，基本上是在国铁弹条扣件基础上设 计的。和本文研究相关的扣件支承刚度是非常重要的参数，取值是否合理决定了 扣件的减振性能的好坏。这与扣件结构、垫层的材料、外形及外部荷载的大小等 因素有关。城市轨道交通整体道床刚度大，轨道弹性主要依靠扣件及垫层提供， 因此扣件应具有较好的弹性，以减少列车荷载的冲击，使钢轨承受的荷载能均匀 地传递到道床上，原则上钢轨垂直支承静刚度一般在4 0 k n m m 以下。 我国从1 9 6 5 年第一条地铁北京地铁开始就研究地铁扣件，主要经历了 d ti 型、d t i i i 型、d t 型、d t 1 型、d t v i 型、d t v l 2 型、单趾弹条型、w j 2 型、 d t v i l 2 型、d i 轨道减振器扣件、d t v l 3 型的发展过程。以上这些扣件经过多年运 营效果良好。 ( 1 ) d t i i i 、d t v i 型扣件均为全弹性分开式，二阶减振，结构型式相同。静 刚度为2 1k n m m 左右，弹性较好。北京地铁复八线复兴门至西单段铺设了d t v i 型扣件；上海地铁1 号线一般减振地段铺设了d t i i i 型扣件，运行使用情况良好n 羽。 ( 2 ) 减振器扣件为全弹性分开式、三阶减振，轨道减振器的垂向静刚度可以 达到1 0 k n m m 。 7 北京交通人学硕十学学位论文 i 割2 - 2d t i i i 型手r i , f b削2 - 3 轻轨i i 型扣件 f i g u r e2 - 2t y p ed t i i if a s t e n i n g f i g u r e2 - 3t y p e1 1f a s t e n i n go fl i g h tr a i l ( 3 ) 轻轨i i 型扣件是类似“科隆蛋”的高性能减振扣件，垂直静刚度为8 4 6 k n l m m ，满足良好弹性的设计要求。结构设计在3 0 k n 横压疲劳荷载作用卜，各部 件良好无损，轨距扩大3 5 m m 。 ( 4 ) 高架线d t v i l 2 型扣件具有垂直静刚度2 0 k n m m ，采用双层减振挚层， ii 裁鬻雾圈霜旨麓羞露躐霾黼 图2 _ 4 用丁- 首都机场线的d t v l 2 2 型j r l f b f i g u r e2 - 4t y p ed t 2 2f a s t e n i n gu s e di nc a p i t a la i r p o r tl i n e 2 3 本文研究的主要内容 本文所研究的钢轨支承间距与支承刚度数值，基本上是参照国有铁路设计规 范制定的。众所周知，国铁和城轨相比，具有轴重大、编组多、速度高等特点。 因此可能存在着设计偏于保守而使得材料浪费、造价增加等问题。本文主要研究 内容就是在满足轨道系统强度及变形要求的前提下，考虑与钢轨定尺长度及下部 结构模数匹配、降低造价、方便施工及维护等多方面因素，确定符合城市轨道交 第二章钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 通安全运营的合理的钢轨支承间距与支承刚度取值。 2 3 1 钢轨的支承刚度 钢轨是通过扣件固定在道床上的，形成连续的弹性支点。 扣件是钢轨与轨枕或其它轨下基础连接的重要联接件，它的作用是固定钢轨， 阻止钢轨纵向和横向位移，防止钢轨倾斜，并能提供适当的弹性，将钢轨承受的 力传递给轨枕或道床承台。扣件由钢轨扣压件和轨下垫层两部分组成，钢轨的支 承刚度就是由扣件、弹性垫板、弹性套靴等共同作用而形成的不同的钢轨支承系 统来提供的。根据北京地铁的实测资料，轨道减振器扣件的垂向支承刚度最小可 达到8 k n m m ，而一般的城市轨道交通扣件的垂向刚度为4 0 k n m m 6 1 。本文将对轨 道结构采用的不同扣件型式( 静刚度为1 0 k n r n m - - - 4 0 k n m m ) 和钢轨的支承间距 的最佳匹配问题进行研究。 2 3 2 钢轨的支承间距 钢轨的支承间距是指钢轨每一个支点之间的距离。 钢轨的支承间距与每公里配置的轨枕根数有关，而轨枕根数是根据运量、行 车速度及线路设备条件确定，并和钢轨及道床等综合考虑，合理配套，以求在最 经济的条件下，保证轨道具有足够的强度和稳定性。 我国铁路规定，对木枕轨道，每公里最多为1 9 2 0 根，混凝土枕为1 8 4 0 根； 每公里木枕和混凝土枕最少为1 4 4 0 根。轨枕的级差为每公里8 0 根。每公罩铺设 的数量由线路等级决定，对于j 下线轨道，根据“正线轨道类型表来选定【7 1 。 表2 - 1国铁正线轨道类型 t a b l e 2 1t r a c ks t r u c t u r eo f m a i ll i n ei nn a t i o n a lr a i l w a y 项目单位 特重型 重型次重型中型轻型 年通过总质量m t 5 02 5 5 01 5 2 58 1 5 4 0 0 m 或直线及r ( 4 0 0 m 坡度i 2 0 o l 枕式整体道床1 6 0 01 6 8 01 6 8 01 6 0 01 4 4 0 2 减振轨道枕式整体道床1 6 0 0 1 6 8 01 6 8 01 6 0 01 4 4 0 3 混凝十碎石道床 16 0 0 - - 1 6 8 0 1 6 8 01 6 0 01 4 4 0 4 无缝线路混凝十枕碎石道床1 6 8 0 1 7 6 01 7 6 0 1 8 4 01 6 8 0 5 木枕碎石道床 1 6 8 0 1 7 6 01 7 6 0 1 8 4 01 6 8 0 1 4 4 0 2 3 3 钢轨支承间距与支承刚度相互关系简述 在钢轨类型一定的情况下，整体道床轨道结构的弹性模量，只与钢轨的支承 l o 第二章钢轨支承间距与刚度使用现状及本文主要研究内容 刚度和支承间距有关。支承间距越大，钢轨的挠度越大，平顺性越差，小半径曲 线地段的横向力越大，引起的钢轨波浪形磨耗越大；支承刚度越大，钢轨的弹性 越差，舒适性较差，引起的钢轨的加速度越大。而合理的钢轨支承间距与支承刚 度的匹配能使上述的各项力学参数均达到较为理想的状态。尽可能的减小轮轨的 作用，减小钢轨的磨耗，减少轨枕的铺设根数，减小养护维修工作。 支承间距越小，道床、路基面、钢轨以及轨枕本身受力也越小，同时，使轨 距、方向越易于保持，对行车速度高的地段尤为重要。但也不能太小，太小则不 经济，而且轨枕净距过小对碎石道床来说会影响其捣固作业。对于整体道床来说， 钢轨短轨枕支承块间距与荷载作用下的轨底弯曲应力、钢轨压力和车辆簧下质量 的振动加速度有关。间距过大，上述各物理量值均将增大【1 0 1 。 若将钢筋混凝土轨枕线路的弹性模量减小到5 0 0 6 0 0 k c m 2 ，则钢轨损伤减 少，钢轨传递到枕上的压力可减d 3 2 ，车辆簧下垂直加速度可减d 3 3 5 0 ， 线路起道费用较标准可降低2 0 , - - , 2 5 ，研究实验表明，考虑地面铁路机车车辆和 线路条件下，垂直弹性模量的合理范围为5 0 0 1 0 0 0 k g c m 2 ，力求下限。要确保这 样的线路弹性，钢轨扣件的垂向刚度应为3 0 0 0 0 - - 6 0 0 0 0 k g t i n 。 美国地铁研究资料整体道床轨道结构的上限为6 7 5 k 锄2 ，理想状态下为 2 0 0 k g c m 2 。 2 - 3 4 确定研究内容 综上所述，根据城市轨道交通的特点，本文取轨道交通的合理铺枕根数1 4 4 0 根k m 、1 5 2 0 根k m 、1 6 0 0 根k m 、1 6 8 0 根k m 共四种工况，即钢轨支承间距分别 为7 0 0 m m 、6 5 0 m m 、6 2 5 m m 和6 0 0 m m 。取钢轨的支承刚度为1 0 k n m m - - - , 4 0 k n m m ， 以5 k n m m 为步长共7 种工况。然后建立规范中提到的小半径曲线、长大坡道、 长大隧道进出口、连续梁桥和大跨桥有限元分析模型，对不同的支承刚度和支承 间距进行交叉匹配分析( 如表1 3 ) 。 表2 3 钢轨支承间距与钢轨支承刚度匹配性分析 t a b l e 2 - 3m a t c h i n ga n a l y s i so f b e a r i n gs p a c i n ga n db e a r i n gs t i f f n e s s 根据工况要计算的项目钢轨支承刚度( k n m m ) 钢 ( 根l c m ) n l m1 01 52 02 53 03 54 0 轨 1 4 4 07 0 0 支 1 5 2 06 5 0 承 问 1 6 0 06 2 5 距 1 6 8 06 0 0 北京交通大学硕士学学位论文 建立a n s y s 有限元模型，对钢轨的下沉量、温度力、伸缩力、挠曲力、扣件 纵向阻力、横向力、扣件抗拔力、梁轨相对位移、钢轨加速度、动弯应力、梁端 转角等参数进行对比分析，就钢轨支承间距对这些轨道力学参数的影响进行研究， 并找出不同间距和弹性支承刚度间的最佳组合。此外对列车在特殊地段是否需要 加密，加密多少等问题进行研究。 本文总结分析了钢轨支承间距与支承刚度匹配对隧道进出口钢轨由于内外温 差的不同对扣件系统及轨道稳定性的影响关系；总结分析了钢轨支承间距与支承 刚度匹配对小曲线地段列车通过时横向力及轨道稳定性的影响关系；总结分析了 钢轨支承间距与支承刚度匹配对长大坡道地段列车紧急制动时对扣件系统纵向阻 力及轨道稳定性的影响关系；对连续梁桥和大跨桥上无缝线路研究过程中采用的 钢轨纵向附加力的基本方法，概括了梁轨相互作用基本原理；概括了整体道床受 力的基本原理，总结分析了整体道床研究过程中采用的基本方法；在桥上无缝线 路梁轨相互作用原理的基础上，用工程分析软件a n s y s 建立桥上无缝线路与整体 道床一体化模型，计算分析了不同支承间距和支承刚度下，钢轨及桥梁的受力与 变形，以及动力条件下钢轨的动力响应和轨枕垫层对轨道结构振动特性的影响。 最终根据分析的情况，得出钢轨支承间距与支承刚度之间最佳匹配关系。 2 4 本文研究的意义 2 0 0 7 年，北京交通大学的史小龙利用a n s y s 有限元软件，建立城市轨道交 通高架整体道床模型，并运用准静态和动态荷载分析了不同支承间距下，钢轨及 桥梁的受力与变形，找出其受轨枕问距影响的规律。这是首次专门针对城市轨道 交通轨枕间距相关的具体研究分析，但是该文仅仅分析了高架整体道床多跨2 5 m 箱梁的工况。 本文研究涉及的城市轨道交通小半径曲线、长大坡道、隧道进出口、高架大 跨桥等特殊地段钢轨支承间距与支承关系对轨道结构力学参数影响关系的内容， 之前较少有人分析研究过。本文详细对上述工况下，钢轨支承刚度与支承关系对 各项轨道结构力学参数的影响进行分析，找出钢轨支承间距与支承刚度相互关系 及对轨道力学参数的影响，根据不同的运量、行车速度及线路设备条件，确定合 理的支承刚度与支承间距，并和钢轨及道床等综合考虑，合理配套，在保证轨道 具有足够的强度和稳定性的前提下，达到经济最优。这些结论，可能会对地铁设 计规范的修改、工程设计的优化、减小施工维修的工作量等具有一定的现实意义。 1 2 第三章轨道结构力学特性的准静态及瞬态分析方法评述 3 轨道结构力学特性的准静态及瞬态分析方法评述 本文对轨道结构力学进行分析，就是应用力学的基本理论，结合轮轨相互作 用的原理，采用大型有限元分析软件a n s y s ，分析轨道在不同工况下，在列车的 运营条件下发生的动态行为，即它的内力和变形分布；对主要部件进行强度检算， 以便在最经济的条件下，能够加强轨道结构薄弱环节，优化轨道工作状态，提高 轨道承载能力，完全符合安全运营的条件。本章将首先介绍基于小半径曲线工况、 长大坡道工况、隧道进出v it 况、7 跨2 5 m 简支梁桥工况、简支梁5 4 m 大跨桥工 况这五种特殊地段进行的准静态和动态分析方法及依据，然后简要介绍a n s y s 有 限元软件以及针对这五种工况的准静态和动态建模参数。 3 1 城市轨道交通工程轨道结构型式及相关主要参数 城市轨道交通由于行车密度大，因而要求运营安全平稳，舒适度好，并尽量 减少维修和养护工作量。城市轨道交通对轨道结构的基本要求是： _ 应具有坚固性、稳定性、耐久性以及适量的弹性，以确保列车运行平稳、 安全和乘客舒适，并尽量减少养护维修工作量。 技术标准及设备选型要从地铁运量增长的需要出发，考虑技术经济的综合 效益。 _ 轨道设备力求简单、弹性好、扣压力适度、造价低，并具有通用性和互换 性，安装维修方便。 一尽量采用先进技术，提高轨道的整体技术性能，并满足绝缘、减振降噪等 方面的技术要求。 3 1 1 钢轨 目前，我国城市轨道交通没有统一的钢轨选型标准，参照国家铁路的钢轨选 型标准( 表1 1 ) ，钢轨类型的选择原则是以轨道承受荷载的大小确定的。城市轨 道交通车辆的轴重较轻，a 、b 型车的满载轴重分别为1 6 0 k n 、1 4 1 k n ，轻轨样车 轴重只有1 0 0 k n ，但为了保证客运车辆的运行质量和钢轨有较长的使用寿命以及 适应铺设无缝线路的需要，在正线上宜选用5 0 k g m 或以上的钢轨。 从技术性能上分析，6 0 k g m 的钢轨和5 0 k g m 的钢轨重量只增加1 7 ，而允 许通过的总重量可增加5 0 。并且钢轨的抗弯强度、使用年限、抗疲劳能力、减振 1 3 北京交通人学硕十学学位论文 性能都有很大提高。凶此，我国城市轨道交通 ：程难线一般均采用了6 0 k g m 的重 型钢轨。本文也采用6 0 k g m 的铡轨