（道路与铁道工程专业论文）地铁限界设计CAD系统研究与开发.pdf

北京交通走擘硕士学位论文 摘要 在地铁工程中，地铁限界决定隧道、桥梁、车站等建筑物的建设规模，制约供 电、通信、消防等管线设备的外形尺寸及安装，对工程投资有重人影响，是地铁j 二 程设计的重要工作内容。 地铁限界设计工作计算复杂，设计、绘图_ l 作量大，是影响地铁设计 = 作质最 和进度的关键环节。目前地铁限界设计j 二作往往采用手工计算后再在a u t o c a d 系 统上逐点绘制的方式进行，仍处于手工设计、计算机绘图的水平，只是实现了“计 算机辅助绘幽”，还没有达到“计算机辅助设计”。因此，开发集计算、设计、绘图 丁一体的地铁限界设计c a d 系统，对于提高地铁限界设计水平具有重要的现实意 义。 本文在分析限界计算、设计内容方法的基础上，提出了以a u t o c a d 为图形平 台进行地铁限界设计c a d 系统二次开发的设计思想和总体框架，建立了系统数据 库，重点解决了j 二程启动及图形自动绘制等关键技术，实现了地铁限界设计c a d 系统。系统内嵌式于a u t o c a d 之中，使限界设计计算和绘图工作融为一体实现 了a u t o c a d 绘图功能与系统辅助设计功能的有机结合。利用本系统，可以进行乍 辆限界、设备限界、建筑限界、车站限界的计算、设计及绘图，进行地铁殴备管线 布置，白动生成数据报表和设计说明文档。系统的建立提高了地铁限界设计的设计 速度、设计质量和设汁效率，降低了设计成本，实现了设计数据的信息化管理。 关键词：地铁；限界设计；二次开发；c a d ；v b a ：! 至銮墨查兰2 主兰竺竺圭 a b s t r a c t i nt h em e t r o e n g i n e e r i n g ，t h eg a u g e sd e t e r m i n et h ed i m e n s i o n so ft u n n e l s ，b r i d g e s a n ds t a t i o n s a n dr e s t r i c tt h es h a p ea n di n s t a l l a t i o no fa l lt h em e t r oe q u i p m e n t s ，s u c ha s c o m m u n i c a t i o n p o w e rs u p p l yo rf i r ep r o t e c t i o nf a c i l i t i e s s o m e t r og a u g e sd e s i g n ， w h i c ha f f e c t st h em e t r op r o j e c t s s c a l ea n di n v e s t m e n t ，i so n eo ft h eb a s i cc o n t e n t so f m e m o d e s i g n n o w a d a y s ，t h o u g ht h em e t r og a u g e sa r eu s u a l l yd e s i g n e di nt h eg r a p h i c a lp l a t f o r m o fa u t o c a d ，a l a r g eq u a n t i t yo fc o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o ni ss t i l lf i n i s h e db ym a n u a lw o r k o rs o m es m a l lt o o l s i nf a c t ，i t j u s ta c c o m p l i s h e s “c o m p u t e ra i d e d d r a w i n g ”，b u ti td o e s n t a c h i e v et h eg o a lo f c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ”t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r ya n d s i g n i f i c a n tt o d e v e l o p eam e t r og a u g e sd e s i g nc a ds y s t e mw h i c hi n t e g r a t e sc a l c u l a t i o n ，d e s i g na n d d r a f td r a w i n gt o g e t h e r b a s e do l lt h ea n a l y s i so ft h ed e s i g nm e t h o d so fm e t r og a u g e s ，t h ei d e aa n dm a i n f t a m eo ft h em e t r o g a u g e sd e s i g n c a ds y s t e ma r e b r o u g h tu p ，a n ds o m ek e y t e c h n o l o g i e si nt h es y s t e md e v e l o p m e n ta r ed i s c u s s e d t h em e t r og a u g e sd e s i g nc a d s y s t e mi sd e v e l o p e di nv b a e n v i r o n m e n to fa u t o c a d ，i n t e g r a t i n gc a l c u l a t i o n ，d e s i g n a n dd r a w i n g t o g e t h e r , t h i ss y s t e mc a rb eu s e dt od e s i g nk i n e m a t i ce n v e l o p e ，e q u i p m e n t g a u g e s ，s t r u c t u r eg a u g e sa n ds t a t i o ng a u g e s ，t od e t e r m i n et h el o c a t i o no fa l lk i n d so f e q u i p m e n t s ，a n dt op r o d u c er e p o r tt a b l e so rd e s i g nd e s c r i p t i o nf i l e sa u t o m a t i c a l l y w i t h t h es y s t e m ，t h ew o r ko fm e t r og a u g e sd e s i g nb e c o m e s f a s t ，e f f i c i e n ta n do fh i g hq u a l r y ， a n dt h ed e s i g nc o s tc u t s d o w n s i g n i f i c a n t l y , i ts i m p l i f i e dt h ed e s i g nw o r ko fm e t r o g a u g e s s oa st oa d v a n c et h el e v e lo fi n f o r m a t i o n i nm e t r o g a u g e se n g i n e e r i n g m a n a g e m e n t k e yw o r d s ；m e t r o ；m e t r og a u g e sd e s i g n ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；c a d ；v b a 第一幸绪论 1 1 地铁限界的概念 第一章绪论 地铁限界姓保证车辆运行安全的有效空间，是车辆与沿线圃定建筑物及其设备 安装空间关系总体防调后得到的净空尺寸图形。由于地铁的车辆运行、设备安装、 十建丁程等各层次的功能不同，故地铁限界又分为车辆限界、设备限界、建筑限界 二类。1 地铁限界既是保证地铁车辆运营安全的基本条件，又是决定地铁工程造价的重 要冈素。地铁车辆是沿固定轨道高速运动的物体，它需要在特定的空间中运行。地 铁限界给各种建筑物及设备限定了空间位置，使之不会侵入计算确定的限界空间， 保证了车辆的运行安全。地铁工程的土建投资非常巨大，而隧道及桥梁部分又是决 定土建= 程造价的最主要因素。地铁限界的大小决定了地铁区间隧道和桥梁断面的 大小，对工程造价有重要影响。根据经验地铁限界尺寸毫米级的优化或者改动， 往往会引起土建工程费用千万元级的变化。所以，确定一个既能保证车辆运行安全， 又不增大隧道空间的经济、合理的断面尺寸，是地铁限界设计的任务和目的。” 1 2 国内外地铁限界设计研究现状 1 , 2 1 地铁限界设计体系发展 由于理论计算分析不足，世界各国铁路的建筑限界在建设时一般都考虑较大的 安全余量，如日本国铁车辆限界与设备限界之间的安全余景为5 0 0 m m ，他们的建筑 限界不随列下速度的变化而改变；日本新干线最高速度近几年提高到2 7 0 k m h ，建 筑限界没有随列车最高速度的提高而改变；德国的铁路建筑限界，既适用于2 0 0 k m h 及以上速度的新线，也适州于低于2 0 0 k m h 的新线。“】由此可见，真正科学合理的 设置安全余量，优化限界的设计，是一个世界性的问题。 由于备国的基本技术资料( 如设计规范) 一般都是保密的，所以很少能得到国 外限界设计计算方法的资料，但大部分国家和地区都是将国际铁路联盟u i c 5 0 5 标准 北京交通大学硕士学位论文 借用到地铁限界设计之中。国际铁路联盟u i c 5 0 5 标准是1 9 7 7 年颁布的跨国界铁路 运输标准，其计算基于已确定的基准轮廓线，是一个粗略的计算，在计算后要求再 增加一定的安全距离。德国于1 9 9 7 年颁布了从城市有轨电车和轻轨交通发展起来 的、号称专用于城市轨道交通的b o s t r a b 标准。德国b o s t r a b 标准考虑了从轨枕到 车辆项部可能的全部误差，引入了车辆运行速度、加速度和力的参数；其计算模式 既“计算直线地段车辆限界，也可以计算曲线地段午辆限界；在线路和车辆得到止 常维修保养的前提下，利用b o s t r a b 标准计算的限界不需要考虑安全距离。囚此， 这种计算方法比国际u i c 标准更为精确，更能适用r 地铁和轻轨限界的确定。“1 我国甲期的地铁限界设计也使用国际铁路联盟u i c 5 0 5 标准，如广州地铁i 号线， 上海地铁1 、2 号线。伴随着我国城市轨道交通建设高潮的到来和推进，我国对地铁 限界的基础理论和计算设计方法做了很多的研究= 作，取得了很多有价值的研究成 果形成自己的地铁限界设计体系和标准。在2 0 0 3 年8 月1 日开始实施的新版国家 标准地铁设计规范和2 0 0 3 年1 1 月1 日开始实施的建设部行业标准地铁限界 标准中，对我国地铁限界的计算理论和最计标准作了严格、详细的规定，体现了 我国地铁限界计算设计的最新成果。 1 2 2 地铁限界设计c a d 技术 在 二程设计领域使用c a d 技术已经有了很长的历史，现在很难想像离开 a u t o c a d 和其他一些计算机j ：具去嫂计一条铁路、一座建筑、一段地铁或轻轨。地 铁限界的设计也不例外，也耍依靠a u t o c a d 等一些计算机辅助 _ = 具，来完成大奄 复杂的计算和绘图工作。 a u t o d e s k 公司开发的a u t o c a d 是一种通用的绘图软件，它交互性好，易学易 懂，被广泛应用于众多领域。但是，除了较为全面的作图功能外，a u t o c a d 不可能 完全满足每个用户的具体要求。实际工作中，人们希望系统能够进行大量计算，提 高作图的自动化程度，这就需要进行基于a u t o c a d 的二次开发，以得到更能满足 具体工作需要的辅助工具。o ” 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 系统的开发，是为了在 工作中充分利用计算机高速而精确的计算能力、庞大的数据处理能力和成熟的图形 处理能力，同时配合人的逻辑判断能力、综合分析能力以及大量的实践经验，将计 算机科学方法结合起来对实际_ t 作进行全面辅助从而缩短丁作周期，提高一l ：作 2 第一幸绪论 质量和工作效率。”1c a d 系统所需要的系统工程学、软件t 程学、计算机图形学、 数据库理论和技术、数值分析及数据误差分析都已经发展到一个非常高的水平上， 所以设计开发我们预想的地铁限界设计c a d 系统技术上完全没有问题。 就上程设计的c a d 系统而言，工程技术中的各个分支都已经或者正在开发一 些方便实用的c a d 系统，有许多系统在实际应用中都取得了良好效果。铁路部门 和公路部门也开发了各种各样的辅助没计系统软件，并希望实现勘测设计的计算机 辅助设计一体化。 上海铁道人学( 现同济人学) 和北京城建设计研究总院有限公司在1 9 9 6 年左右 做过许多地铁限界设汁、校核c a d 系统的研究工作。上海铁道大学主要使用的开 发i ：具是b o r l a n dc + + 和a u l o c a dr 1 2 ，设计实现的c a d 系统由4 个模块( 人机界 面设计、地铁车辆限界设计、地铁限界图的自动绘制及校核、文档处理) 和2 个库 ( 标准地铁限界图形库、数据库) 构成。该系统的人机交互过程如下：输入原始 信息。信息来源予车辆、设备、建筑工程图，形成断面控制点坐标。类型选择。 选择设计、校核的类型并计算或生成断面控制点坐标数据文件。根据坐标数据文 件自动生成地铁限界图。从图形库中调用标准地铁限界图与之比较、观察并测最 计算，判断是否完全纳入标准限界图之中。符台要求则输出计算结果和设计地铁 限界图，不符台要求则修政原始数据后返同，重新校核或退出系统。一些城市的地 铁限界设计曾利用该系统的结果作为参考。”+ ” 这些程序往往只涉及到地铁车辆限界和设备限界的计算和校核。在地铁设计t 作中，这两部分内容相对于情况更为复杂、设计难度及最计 作量更大的建筑限界 和设各布置来说占的比例较小，地铁限界的设计速度和质量并没有得剑真正提高。 囡此，当前地铁限界设计速度慢、效率低、成本商的问题并没有得到解决，很有必 要研究开发一套集计算、设计、成图一体化的应用软件系统，提高地铁限界计算机 辅助设计水平。 1 3 研究意义 随着国民经济发展，国家整体实力提高，我国务大城市正在大力发展城市轨道 交通。为了适用我国地铁发展需要，我国丁：2 0 0 3 年8 月1 日开始实施新版国家标准 地铁设计规范，于2 0 0 3 年1 1 月1 日开始实施建设部行业标准地铁限界标准。 为避免地铁的车辆、设备、隧道断面的形状尺寸五花八fj 造成混乱，使之统一为几 北京交通犬学硕士学位论文 种标准的形状和尺寸 t 0 3 在这两个规范中对地铁限界的理论和设计作了严格、详细 的规定。 计算机技术迅速发展，使地铁限界设计上作已经达到了1 0 0 计算机出图，实 现了“甩掉图板”的目标。然而，目前与设计工作相关的大量计算和设计j 二作还仍 停留住手算或者用些小上具来完成局部计算的水平上，没有把计算、设计、自动成 图整合在一起，可以说只是完成了“计算机辅助绘图”，还没有达到真正意义上的“计 算机辅助设计”。地铁限界设计计算复杂，计算一f 作量人，绘图工作量大，现在设计 限界时往往采用手丁计算后再在c a d 系统上逐点绘制的方式进行，设计速度慢、 彝易出错、效率低、成本商、完成紧急任务的应急性差。 因此，抓住新规范出台的大好时机，充分发挥计算机辅助设计的优势，克服地 铁限界设计中的缺点，使地铁限界设计实现真正的计算机辅助设计，提高限界设计 的工作效率，保证设计质量，开发实现一套集计算、设计、成图一体化的地铁限界 设计c a d 系统，提高限界设计的科学性、经济性、和安全性，具有重要的现实意 义。“1 1 4 主要研究工作 结合研究工作和系统开发的需要，笔者土要进行了以f 几方面的工作： i 详细了解国内外地铁限界设计的发展历程，对国内外限界的研究理论、计 算方法、设计方法进行了分析研究，解了实际设计1 二作的方法步骤。 2 通过调研、咨询和实践，明确了系统开发的必要性和整体目标，并编制i j 户需求分析报告。 3 在分析地铁限界特征的基础上，结台用户需求和c a d 系统的功能，确定 了系统开发的目标，使用系统工程学方法进行了系统规划和总体设计，确定了系统 模块和数据库结构。 4 使月j 软件工程学方法，进行系统界面设计、数据库设计和代码设计，结合 a u t o c a d 系统，进行地铁限界设计c a d 系统的开发。 5 进行系统测试和调整。 4 第= 幸地铁限界计算设计方法 第二章地铁限界计算设计方法 2 1 基本概念与一般规定“2 3 限界是保障地铁安全运行、限制车辆断面尺寸、限制沿线设备安装尺寸、确定 建筑结构有效尺寸的图形。根据不同的功能要求，地铁限界分为车辆限界、设备限 界、建筑限界。车辆限界一般由车辆供应方确定提供，设备限界和建筑限界一般由 设计部f j 和t 务部门确定。 地铁限界的基准坐标系是垂直下直线轨道线路中心线的二维平面直角坐标。横 坐标轴( x 轴) 与设计轨项平面相切，纵坐标轴( y 轴) 垂直于轨项平面，坐标原 点为轨距中心点。建筑限界坐标系在不设超高路段与基准坐标系相同，在曲线超高 地段仍采用原来直线地段的基准坐标系，不随超高角而旋转。 车辆限界是车辆在直线地段正常运行状态下的最人动态包络线。所谓正常运行 状态，系指系悬挂和二系悬挂在正常弹性范围内、易损件磨耗不过限等。高架或 地面线车辆限界受风荷载的影响，计算时需要考虑，这一点与隧道内不同。 设备限界是车辆在运行途中一系悬挂或二系悬挂发生故障状态时的动态包络 线，用以限制安装设备不得侵入的一条控制线。 建筑限界是在设备限界基础上，考虑了设备和管线安装尺寸屙的最小有效断面。 建筑限界中不包括测量误差、施t 误筹、结构沉降、位移变形等网素。 在基准坐标系内，计算车辆轮廓线上各个坐标点因车辆和轨迹的公差值、磨耗 量、弹性变形量、车辆各种振动等原因，使车辆在运行中偏离上述各坐标点定义的 基准位置的现象称为偏移。在横坐标方向的偏移称为横向偏移，在纵坐标方向的偏 移称为竖向( 向上或向下) 偏移。上述偏移的量值为偏移量。 车辆在平曲线路上运行时，车辆纵向中心线的水平投影与曲线线路中心线偏离 的水平矢距称为平曲线几何偏移。车辆在竖曲线线路上运行时，车辆定距线的垂直 投影面投影弦线、与竖曲线轨面之间的竖向矢距称为竖曲线几何偏移。以上通称为 曲线儿何偏移。 5 兰耋奎兰查兰翟圭薹竺篓耋 2 2 车辆限界 2 2 1 车辆限界的作用和发展 城市轨道交通车辆限界制定是地铁限界中最基本的关键环符之一。只有在准确、 科学的车辆限界计算基础上，才能合理确定设备限界和建筑限界，形成完整的城市 轨道交通限界标准。车辆限界制定上作的核心环节除选定合适的计算车辆断面轮廓、 车长及计算参数外，计算方法的科学性、经济性、安全性，对车辆限界的形成以及 向外拓宽制定设备限界至关重要。”“ 车辆限界的计算与校核经历了由简单到复杂、由低级向高级的发展过程。车辆 限界曾根据车辆的静动状态有多种名称、多种定义。如：只考虑车辆的制造公差、 磨耗等静态偏移量而制定的车辆限界称为静态午辆限界( s t a t i cg a u g e s ) ；既考虑车 辆的静态偏移最又考虑了车辆的动态偏移最而制定的车辆限界称为动态车辆限界 ( k i n e m a t i cg a u g e s ) ；既考虑车辆的静态偏移量和动态偏移量，还考虑了乍辆因轨道 原因产生的车辆偏移量所制定的乍辆限界称为车辆动态包络线( k i n e m a t i c c n v e l o p e ) 。 1 3 2 2 2 我国标准车型车辆限界 地铁设计规范中对我国标准车型作了规定，给出了各种标准车的轮廓图和 车辆限界刚。标准a 型车车宽3 0 m ，高3 g i n ，车体有效长度2 2 1 m ，车辆定距1 5 7 m ， 转向架同定轴距2 5 m ，主要由广州、上海、深圳、南京等地使用。标准b 型车车宽 2 8 m ，午高3 8 m ，车体有效长度1 9 0 m ，车辆定距1 2 6 m ，转向架i 古f 定轴距2 2 m 2 3 m 。标准b 型车又分为b 1 型车( 受流器授电) 和b 2 型车( 受电弓授电) 两种， b 1 型车主要由北京、武汉等地使用，b 2 犁车国内还没有，广州市正在联合西门子 公司设计生产。“ 随着我国城市轨道交通的发展和建设，必将会出现其他新型的轨道交通模式和 车辆类型，比如直线电机系列( l 型) 、单轨胶轮系列、低地板车系列( d 型) 等车 犁，在以后的规范版本也会确定这些车型的技术标准和车辆限界。 6 第= 章地铁限界计算设计方法 2 2 3 车辆限界计算原理 车辆是一个多自由度的振动系统，在车辆的运行过程中，若干种基本的振动形 式会叠加形成各种复杂的振动。市体在其横断面内的振动，主要包括垂向振动( 沉 浮、点头) 和横向振动( 横摆、侧滚、摇头) 。因此，车体横断面的最人偏移由x ， a y ，1 ) 三个坐标方向的偏移量得出( 如图2 - 1 所示) ，根据这些动态偏移量，计算 得到的最人动态包络线就是车辆限界。“” y j 正 券 j 厂 y 丁 x 7 | | 图2 - 1 车辆在横平面内的振动 在进行车辆限界计算时，应考虑以下要素：“】 车辆的制造误差： 车辆的维修限度； 转向架轮对处于轨道上的晟不利运行位置； 转向架构架相对于轮对的横向及竖向位移量； 年体相对于转向架构架的横向及竖向位移量； 车体相对丁轨道线路的最不利倾斜位置； 车辆的空重车挠度变化及垂向位移量； 轨道线路的垂向及横向几何偏差、磨耗、维修限度及弹性变形量 车辆一系悬挂及二系悬挂侧滚位移最； 冈车辆制造、载荷不对称等引起的偏斜。 7 ，i i兰主圣兰苎兰翟：兰：鎏耋 i e j t = = z = ，= | 自z 日e e = j = = | t ，j _ j 目_ _ l = 一 2 2 4 车辆限界计算原则及注意事项 为便于工程实践使用的方便性，下辆限界的计算方法应力求简单，提高可操作 性。我国地铁车辆限界的计算原则如f ：“1 车辆限界的计算应以车辆在平直线上、用额定速度在整体道床的轨道上运 行为基本条件。根据线路环境不同，分为隧道内车辆限界和高架线( 或地 面线) 车辆限界两种基本类型。 曲线地段增加的附加因素不应在车辆限界内考虑，在设备限界内考虑并 加宽、加高。 车辆限界的计算参索，按其概率性质统一分成两大类，即随机困素和非随 机因素。对于非随机因素按线性相加合成，对随机囡索采取均方根值合成， 两人类相加即形成乍辆的动态偏移量。 对隧道内、高架线( 或地面线) 两类车辆限界应采用统一的计算公式。计 算时根据不同外部条件合理选用不同的计算参数。 车辆限界的偏移量计算应梭车体、转向架( 构架、簧f 部分、路面、轮缘) 、 受电弓( 受流器) 三部分分别计算。 车辆限界的计算上作一般较繁复。为了通过计算得到准确、安全、可靠的车辆 限界，首先应对车辆的结构有所全面了解，科学地选择和取定计算参数是正确进行 车辆限界关键。另外，在应用车辆限界计算方法时还必须注意如下事项：“” 车辆限界计算方法适用的最高运行速度不受限制，但计算参数应随速度而 变化。 轨距变化只影响计算公式中滚动圆名义间距，只需将公式中的1 5 0 0 换成 相应轨距的滚动圆名义间距值即可。 整体道床的车辆限界与碎石道床的车辆限界区别在于线路条件引起有关 计算参数的取值不同。隧道内车辆限界与高架线( 或地面线) 车辆限界考 虑的计算要素区别在“风力”项。 车辆限界只考虑车辆正常运行下况；非正常运行t 况产生的附加偏移最在 设备限界安全间距中考虑；曲线地段增加的附加因素在设备限界加宽加高 内考虑。 车辆限界计及的计算要素包括车辆和轨道线路两大主要方面。这两大主要 方面的各项参数取值，应根据设计制造与施工以及应用和维护检修限度等 g 第= 幸地铁限乔计算设计方法 因素按最不利原则确定。 车辆限界计及的计算要素未含二系空气弹簧失效( 过充或失气) 和一系轴 箱弹簧破损折断等t 况( 不同时发生) 。另外因抗侧滚扭杆瞬间失效引发 过大振动的 况也不在考虑的范畴内。 车站站台区域与车辆作用的限界安全距离遵循的原j j ! ! j 是：a ) 叶：辆状态处 于正常的运行工况可不限速通过；b ) 车辆状态处于非正常运行工况必须 限速通过。 风力参数是以风作用压强大小体现，因此需按风级或风速确定风作用压强 来计算校核限界。 所有倾侧角度引起的偏移量是由绕其各自的转动中心而产生，偏移量和角 偏移的偏移方向存在两种不同的组合，阅此计算公式分别列出了不同组台 的解析式。当偏移量和角偏移的偏移方向相同时，随机项在根号内相加没 有问题 当偏移量和角偏移的偏移方向不同时，随机项在根号内相减在数 学上没有意义。为了实现可操作性，必须将根号内的平方项依类别进行拆 解。 计算断面处于中心销内( 或车轴内) 时，计算公式中的n ( 或i t i ) 取0 。 计算受电弓时庶选接触电刷所处的断面为计算断面，而非安装座所处断 面。 圃对于接触网受电方式的车辆限界，其车体下部吊挂物部分和转向架部分的 乍辆限界是有区别的，实际并不重迭( 限界图中标明的仅是它们在平直线 路上最大包容的控制点坐标连线) 。曲线上设备限界卜 部区域计算加宽时 应以车体下部吊挂物部分限界为加宽的基础。 固对丁接触轨受电方式的车辆限界，因接触轨不加宽，其车体f 部吊挂物部 分的超界应按廊用系统最小的曲线半径和三轨安装设备限界结台起来计 算校核确定。 回对于鼓形车体，其站台边沿距车辆轮廓的净空间隙应考虑车体向卜运动引 起的车辆轮廓增大的因素。 2 3 设备限界计算 2 3 1 直线设备限界的确定 直线设备限界与车辆限界之间留有安全间距，主要考虑在车辆限界计算中未计 9 兰耋銮墨垄兰塑圭耋竺釜圭 及的因素，如一系弹簧折断、二系空气弹簧过充或失气( 如图2 - 2 、图2 3 、图2 - 4 所示) 、以及其他一些朱计及因素引起的车辆额外偏移，但不包括事故状态车辆发生 的偏移。考虑到以上一些因素，结合国外限界资料及实践经验，我国地铁限界标准 中直线设备限界通过以卜方式确定：车体的向部横向安全问距取1 0 0 r a m ，车体下边 梁横向距离取3 0 m m ，车体卜边粱向下距离取5 0 m m ，车r 悬挂物向下安全间距取 5 0 m m ，车体顶部向上安全间距取6 0 m m ( 按此值取值时后可不再考虑竖曲线引起的 车顶加高) ，转向架部分横向及竖向安全间距取1 5 r a m ，转向架设各限界( 轮对除外) 最低点离轨面净距取值：a 型车，2 5 m m ，b 型车，1 5 r a m 。 一一一一一一一一一 二位 一位( 或二位) 转向架弹簧折损或泄气，另一位转向架弹簧正常 【l 一 二位 图2 ，3 一位( 或二位) 转向架空气弹簧过充，另一位转向架空气弹簧正常 1 0 毒刊 青十j引 第= 幸地铁限界计算设计方法 髑2 - 4 转向架弹簧一1 侧折损或泄气，造成车体侧倾。角 2 3 2 曲线设备限界的确定 点 ( 一) 曲线设备限界加宽加高的原因 曲线地段的设备限界，在直线设备限界基础上进行加高和加宽的原因有以下4 i 曲线几何偏移引起设备限界加宽和加高。由于曲线几何偏移是曲线半径的函 数，因此不同曲线半径有不同的设备限界。由几何学的分析和设计经验知，车体最 大的外侧偏移量在车辆的两端，转向架最大外侧偏移摄在构架的端部，两者最人内 侧偏移量分别在车辆的中部和转向架的中部。在使用公式时注意，n 为车体计算断 面至相邻中心销的距离，m 为转向架计算断面至相邻车轴的距离。n 的最人值为车 体悬出部分的长度( n = 3 2 m ) ，转向架最大悬出部分的长度( ，l = 5 4 0m m ) ，当转 向架构架端部无悬挂物时可取m = 0 。 2 过超高与欠超高引起的设备限界加宽和加高。在旧版地铁设计规范( g b 5 0 1 5 7 - - 9 2 ) 中曲线地段设备限界计算只考虑了限界在曲线超高地段的倾斜和曲线 几何偏移量这两个因素。在新版地铁设计规范( 6 b5 0 1 5 7 - - 2 0 0 3 ) 和地铁限界 标准增加了车辆在曲线上以规定速度通过曲线时束平衡离心力( 欠超高) 造成的 兰芏兰墨查兰竺圭兰竺篓耋 车辆倾角偏移，和车辆停在曲线超高地段上因重力( 过超高) 造成的车辆倾角偏移 ( 如图2 - 5 所示) 。 y 图2 - 5 过超高或欠超高引起的车体倾斜 3 曲线轨道参数及车辆参数变化引起的设备限界加宽和加高。内容如下： 轨道在曲线地段的轨距加宽，曲线外侧加宽及磨耗量为越，内侧加宽及 磨耗量为鸹； 内外侧钢轨在离心力或重力作用下的弹性变形引起的曲线对直线的增量， 取如= 1 4 r a m ； 曲线地段车辆在离心力或重力作用f 一系横动量的增最如和二系横动量 的增量4 i ， 对丁二碎石道床，在离心力和重力作用下道床松动引起的轨道内外移动龟 1 0 0 0 r ( l l n ) 。 4 当未考虑设备限界在曲线超商地段上的倾斜因素时，设备限界在曲线地段的 总加宽量包括： 曲线几何偏移而、乃及t n 、t i ； 由超高或欠超高引起的曲线偏移出，口a 、4 x 舀； 曲线轨道参数及车辆参数变化引起的曲线偏移邙( 、删c f 。 由于以上参数在曲线外侧和曲线内侧的数值不一样，因此设备限界在曲线地段 总的加宽量在曲线外侧和曲线内侧也不相同，这样造成一个左右非对称的曲线设备 限界。考虑设备限界左右对称，可取内侧加宽量和外侧加宽量中较大值作为最后的 1 2 第= 章地铁限乔计算设计方法 加宽值。在曲线无超高地段( 道岔等) 因无过超高曲线设备限界，一般用欠超高决 定的外侧加宽数据。 ( 二) 曲线设备限界加宽加高的计算 曲线地段设备限界应在直线地段设备限界( 已包括了竖曲线的偏移量) 基础上， 按平面曲线不同半径、过超高或欠超高引起的横向和竖向偏移量，以及车辆、轨道 参数等因素计算确定。地铁设计规范中规定的计算方法如下： 1 平面曲线上设备限界的几何偏移量的计算方法： a ) 车体 蚴俐疋= 掣 曲线内侧 8 r z ：! 丛 b ) 转向架 曲线外侧 瓦= m ( m + a ) 1 2 r 曲线内侧 瓦j = a 2 8 r 式中l n i 计算车辆长度( m m ) ； ，一车辆定距( n u n ) ： a 一转向架同定轴距( m 1 ) ； r 平面曲线、# 径( m m ) ； m 计算断面至相邻轴距离( m m ) 。 2 过超高或欠超高引起的设备限界加宽和加高量按f 列公式计算确定： a ) 车体设备限界横向加宽量 曲线外侧 a x q a = 盖咧( y w 警川瑚警”埘 k = 半旷芈叫志 北京交通大学硕士学位论文 曲线内侧 = 丽hm s g ( y - 警+ ( y 圳警”悯 b ) 车体设备限界竖向加高最 曲线外侧 k 2 彘m 。g x r 警+ 警m 曲线内侧 屹= 淼州警+ 警”删 式中 出一欠超高( m m ) ； 4 口- 未平衡离心加速度( 1 i l ，s ) ； 轨道超高值( m m ) ”旷满载车体重量( k g ) ； g 一自由落体加速度9 8 1 m s ： 、y ) 分别为直线地段设备限界计算点横向和竖向坐标值 ( 1 1 1 1 1 1 ) ； v 车辆运行速度( k m h ) ： h c p - 一系弹簧上支承面距轨面高度( n u n ) ； h s c 一车体重心距轨面高度( r a m ) ： h c s 一二系弹簧上支承面距轨面高度( m m ) ； k 审f 0 - s n p - c p b ；l k 毋r 一0 5 c s k + 2 k 毋h ； 量重力倾角附加系数： s = m 8 g t ( s c 一 印t ) i k 庐p + ( h - - h c s ) f k 咖0 ； n p - 车辆一侧一系弹簧列数4 ； - 每一轴箱一系弹簧垂向刚度( n n u n ) 6 d 一系弹簧间距( m m ) ； ，寸一车辆一侧二系弹簧列数2 ； 1 4 第= 章地铁限界计算设计方法 c s 一转向架一侧二系弹簧垂向刚度( n m m ) p r 一二系弹簧间距( n l 1 ) ： k 庐n - 抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度( 每根) ( n m m r a d ) 。 3 曲线轨道参数及车辆参数变化引起车体及转向架设备限界加宽量 曲线外侧： 整体道床z 3 x c a = , s a + 1 4 + z w q 碎自道床口= 。0 d o d 躲+ 勘+ 1 4 + z 3 t w 口 曲线内侧： 整体道床z x c i = z l s i + 1 4 + 4 “崎 式中s n _ 曲线轨距加宽外轨分量及外轨磨耗( r a m ) ， 研曲线轨l ! l , i n 宽内轨分量及内轨磨耗( n u n ) ； 。口- 车辆一系及二系弹簧的横向位移在曲线上的增量值( 相对于 直线) ( m m ) ； 1 4 ，车辆在曲线上行驶时的弹性挤开摄增值( 相对于直线) ( m m ) 。 曲线地段设各限界应在直线地段设备限界( 已包括了竖曲线的偏移量) 基础上， 按平面曲线不同半径、过超高或欠超高引起的横向和竖向偏移量，以及车辆、轨道 参数等冈素计算确定。地铁设计规范中规定了平面曲线上设备限界的儿何偏移量、 过超高或欠超高引起的设备限界加宽和加高量、曲线轨道参数及车辆参数变化引起 车体及转向架设各限界加宽量的计算方法和计算公式，计算结果相加得出设备限界 加宽加高量总和： ( 1 ) 车体横向加宽和过超高( 或欠超高) 偏移方向相同时： 曲线外侧x j = l x 鳓+ 口4 = 一场口 曲线内侧墨= t i - - z 3 x q i + z a x c iw i = 一a r q i ( 2 ) 车体横向加宽和过超高( 或欠超离) 偏移方向相反时 曲线外侧= 一x q a + ny 口= y 凶 曲线内侧 z s x i = 乃一z ! t x q i + a x c i以y f = l 兰主兰垩查兰翟：兰竺鎏三 式中下标a 为曲线外侧，j 为曲线内侧； t - 平面曲线上车体设备限界的几何偏移量( m m ) ； a x q 一一由过超高或欠超高引起的午体设备限界横向加宽量( m m ) ； 场一一由过超高或欠超高引起的车体设备限界竖向加高量( m m ) ； z a x c - 一曲线轨道参数及车辆参数变化引起车体设备限界加宽量 ( m m ) 。 直线地段设备限界各点坐标值加上疋( 玉) 和匕( y f ) 值后形成曲线地 段殴各限界。 2 4 建筑限界 2 , 4 1 建筑限界的特点及规定 建筑限界是在设备限界基础上，考虑了设备和管线安装尺寸，l 亓得到的最小有效 断面。地铁设计规范中规定，在宽度方向上设备利设备限界之间应留出2 0 - - 5 0 m m 的安全间隙，作为安装误差值、测量误差值和变形量的余嚣；在建筑限界的侧面和 顶面在没有设备管线时，建筑限界和设备限界之间的也要有不小于2 0 0 m m 的问隙， 困难条件下不得小于1 0 0 m m ，以应付建筑变形和内衬修补所 空间。 建筑限界分为矩形隧道建筑限界、马蹄形隧道建筑限界、圆形隧道建筑限界、 高架线及地面线建筑限界、和车辆段车场线建筑限界等。建筑限界的设计比较复杂， 它要考虑设备管线安装布置、线路敷i 墁方式、车站型式等因素，与车辆、线路、轨 道、结构、桥梁、车站建筑、车辆段和综合地基、供电、弱电、消防、通信、信号、 通风空调等专业都有接口关系。所以，不仅不同的断面形式、特殊位置要单独设计， 对一些特殊区域也要进行特殊处理，专门设计，比如道岔区、车站区域、缓和曲线 区域、辅助线等。 车辆限界和设备限界的理论和计算方法相对建筑限界来说比较成熟，车辆限界 可以由车辆供应方提供，殴备限界也有比较有效的计算方法和计算公式，并且在实 际设计中只是随曲线半径的变化而有所不同。建筑限界形式多样，计算复杂，并且 很少有成熟的模式可以参考，所以建筑限界设计是工务人员工作的重点，也是c a d 系统开发的难点。 限于篇幅，下面仅介绍正线隧道区间的建筑限界计算方法。 1 6 芏三圭：釜兰至芏玉兰茎之童 2 4 2 矩形隧道建筑限界计算 根据直线地段设备限界制定直线地段矩形隧道建筑限界 建筑限界宽度b s = b r + b l 线路中心线至隧道右侧墙净空距离 b r = x s ( r n a x ) + b l + c 线路中心线至隧道左侧墙净空距离 b l = x s 0 n a x ) + b 2 + c 白结构底板至隧道顶扳建筑限界高度h a 型车和b 2 型车：h = h l + 2 + 3 b i 型车；h = h l + h 2 + 坞 式中酗，。r 一直线地段跬备限界最大宽度值( m m ) ： b ，6 ，一矗侧、左侧设备或支架最大安裟宽度值( m m ) c 设备安装误差和安全间隙( n u n ) ： 一一接触导线安装高度( m m ) ； 一接触网系统高度( r a m ) ； ，一- 轨道结构高度( n a n ) ； h ，设备限界高度( m m ) ； h j 设各限界至建筑限界安全间隙( r a m ) 。 曲线地段矩形隧道建筑限界以曲线地段设备限界为基础计算计算示意图如图 2 - 6 所示。 曲线建筑限界外侧宽度 b a = x k ac o $ d y k as i n 口+ b 2 ( 或b 1 ) + c 曲线建筑限界内侧宽度 b i = x k i c o s 口+ r r is i n 口+ b l ( 或6 2 ) + c 曲线建筑限界高度应按下式计算确定 1 7 垩耋奎翌耋兰翟土兰竺尘耋 a 鹫车和b 2 型车：h = h l + 2 + 3 b 1 型车：b u = x k h j i nd + 胁c o j 口+ 3 + 2 0 0 a = s i n 1 ( h s ) 式中 一轨道超高值( i 1 ) ； p 一滚动圆间距( w a n ) ； ( x g h ，g r h ) ，( x k i ，i k i ) ，( x r a ， 如) 一曲线地段设备限界控制点坐标值。 图2 - 6 矩形隧道曲线地段建筑限界计算 2 4 3 马蹄形、圆形隧道建筑限界计算 对于马蹄形或圆形隧道，由于要使用统一的模扳台车的盾构机，全线的断面尺 第：章地铁限界计算设计方法 寸和孔径是统一的，所以建筑限界应根据全线暗挖法域盾构法施工地段的最小曲线 半径计算的曲线地段设备限界来制定。 圆形或马蹄形隧道在曲线超高地段，为了有效利用隧道断面，节i 约投资，采用 隧道中心向线路基准线内侧偏移的方法解决轨道超高造成的内外侧不均匀位移量 ( 如图2 7 所示) 。位移量按以下公式计算： 超高由提高外轨和降低内轨各半时 工= h o x h sy = n c 。ja ) 超高由单独提高外轨时 = h o x h sy = h 2 - - h o n c 0 5 j 式中x 隧道中心线对线路基准线内侧的水平位移撬( m m ) y ，_ - 一隧道中心线竖向位移量( m m ) ； o 一一隧道中心至轨顶面的垂向距离( n l m ) 。 1 9 ! 酮2 - 7 圆形隧道曲线地段隧道中心点移动示意图 第三章地铁限界设计c a d 系统设计 第三章地铁限界设计c a d 系统设计 3 1 系统需求分析 3 1 1 限界设计流程 地铁限界设计的一般过程是，基于规范中的标准车型或者车辆供席商提供的车 辆限界，根据线路轨道设计的详细资料。进行设备限界和建筑限界的设计。所以， 设计部门和工务部门一般不用考虑车辆限界的计算，而是一开始就以车辆限界为起 点，计算出隧道内和高架线( 地面线) 直线地段的设备限界，再以此设备限界为基 础计算其它断面处的蹬各限界，进而与各专业配合进行建筑限界设计，最后整理出 图。设计流程如图3 1 所示。 车辆轮廓剧卜7 ，车辆信息轨道信息 车辆限界图卜_ 1 车辆限界i 轨道线路信息 设备限界图卜- 1 直线设备限界# = 辛i 曲线设各艰界 建筑限界圉 限界( 地下区间、高架线、地面线 车站、道岔等) 设计成果图| _ 1 设各布置，标注成图 图3 一l 地铁限界设计流程图 2 1 北京交通大学硕士学位论文 3 1 2 系统用户定位 本系统以地铁限界设计人员为用户。系统将尽量涉及到地铁限界计算设计工作 的全部内容，实现信息化管理和辅助设计的功能。 3 1 3 用户需求分析 地铁限界是地铁建设的基础设计资料，限界设计的速度和质量对于t 程投标、 工程设计进度、t 程造价都有重要影响。地铁限界的设计任务是比较繁重的，在一 条线上，限界要跟随项目的预可行性研究、可行性研究、总体设汁、初步设计、施 i 设计等各个阶段进行设计，在每一阶段的设计过程中会有许多的标准断面、菲标 准断面、和特殊位置处的限界设计任务。一个项目完成后，限界设计的文件资料也 比较多，管理、检索有一定难度。为此，希望能够实现限界设计的上程信息化管理， 将限界设计的各种技术资料和文件存入数据库，以备查询