（道路与铁道工程专业论文）制动力在桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道中的传递规律分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i-ii - - - -i i i i i i i i i 肓i i i i i i i i i i 萱 摘要 随着各国高速铁路的快速发展，无砟轨道在高铁上大量铺设已成为世界各国的发 展趋势。其中以板式无砟轨道的铺设最为普遍，我国己建的和在建的多条客运专线都 是采用的板式轨道。 在桥上铺设的c r t si i 板式无砟轨道，由于其钢轨、轨道板、底座板在纵向上都 是连续的，并且在底座板和梁面间还设置了滑动层和固结机构，因此在外力作用下， 其相互作用比较复杂。在制动力作用下，轨道结构中的哪些因素会影响其传递的规 律，在以往的文章中很少涉及到该问题的讨论。为此论文先对桥上c r t si i 板式无砟 轨道的受力特性进行分析；接着建立相应的计算模型；最后按照动车组的实际制动特 性，对模型进行加载分析。 论文同时还分别针对动车组的不同车辆编组数量，不同的扣件阻力，滑动层的不 同摩擦系数及固结机构的不同刚度对各结构层以及连接构件的制动力分布规律进行了 计算分析。 最后得出结论：动车组制动力下，钢轨和扣件的受力比较集中，但经过纵向连续 的轨道板和底座板向非作用范围分散后，钢轨以下的轨道结构的受力比较平缓。车辆 数量的增加，使得轨道结构的受力也增加；扣件阻力对钢轨制动力的大小影响较大， 对其它结构影响不大；滑动层的摩擦系数对桥梁的制动力影响较大，因为滑动层是削 弱粱轨相互作用的关键结构；固结机构对制动力的传递影响较大，它是将制动力从轨 道上部结构传递到桥梁墩台上的主要结构，通过对比分析，建议固结机构的刚度取值 大于1 07 k n m 较好。 关键词：c r t s i i ；制动力；动车组；滑动层；固结机构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i 曲一s p e e dr a i l w a ya l lo v e rt h ew o r l d ，i th a sb e c o m ea t r e n df o rc o u n t r i e st ou s eb a l l a s t l e s st r a c k0 nt h e s er a i l w a y s a m o n gt h e m ，t h es l a b b a l l a s t l e s st r a c ki sm o s to f t e nu s e di no u rc o u n t r y ss o m ec o n s t r u c t e da n du n d e rc o n s t r u c t i o n p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e a st ot h ec r t si ib a l l a s t l e s st r a c ks l a bo nb r i d g e s ，t h em a i nc o m p o n e n t s ，t h a ta r et h e r a i l 、r a i ls l a b sa n db a s ep l a t e s ，a r el o n g i t u d i n a l c o n t i n u o u sa l o n gt h eb r i d g e ，a l s ot h e s l i d i n gl a y e ra n dc o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s ma r es e tb e t w e e nt h eb a s ep l a t e sa n dt h eb r i d g e ，s o t h e i ri n n e ri n t e r a c t i v ef o r c ei sv e r yc o m p l e xw h e nt h e ys u b je c tt oe x t e r n a lf o r c e i nt h ep a s t ， i tw a sr a r e l ym e n t i o n e dt h a tw h i c hp a r to ft h er a i l s y s t e mc a r la f f e c tt h et r a n s f e ro ff o r c e w h e nt h es y s t e mi ss u b j e c tt ob r a k i n gf o r c e s oo nt h e s ep r e m i s e s ，t h i sp a p e rf o c u s e do n t h o s ea s p e c t sa n dh a dd o n eal o to fw o r kt os e e kf o rt h es o l u t i o n f i r s t l y ，i ta n a l y z e dt h e l o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r t si ib a l l a s t l e s st r a c ks l a bo nb r i d g e s ；t h e ni tb u i l tt h e c o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nm o d e l ；a tl a s t ，t h em o d e lw a sl o a d e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l b r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r h t r a i n t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fb r a k i n gf o r c ep r o d u c e d r e s p e c t i v e l yb y d i f f e r e n tv e h i c l e m a r s h a l l i n g o fc r _ i - i t r a i n ，d i f f e r e n tf a s t e n i n g r e s i s t a n c e，d i f f e r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n to fs l i d i n g l a y e ra n dd i f f e r e n t c o n s o l i d a t i o n m e c h a n i s ms t i f f n e s s i tf i n a l l yc a m et ot h ec o n c l u s i o nw h e nt h ec r ht r a i nb r e a k s ，t h er a i la n df a s t e n e r sa r e l o a d e dc o n c e n t r a t e d l y ，b u tt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h es u b s t r u c t u r e su n d e rr a i li s c o m p a r a t i v es m o o t ha f t e rt h el o n g i t u d i n a l - c o n t i n u o u sr a i ls l a ba n db a s ep l a t e st r a n s f e rt h e b r a k i n gf o r c et oo t h e rz o n e st h a ta r en o tl o a d e dd i r e c t l y w h e nt h en u m b e ro fu n i t s i n c r e a s e s ，t h er a i ls t r u c t u r ew i l lc o r r e s p o n d i n g l yb e a rf o r c eo fal a r g e rm a g n i t u d e ；t h a tt h e f a s t e n i n gr e s i s t a n c ea f f e c t e dt h er a i l sb r a k i n gf o r c eg r e a t l ya n dh a dl i t t l ei m p a c to no t h e r c o m p o n e n t s ；t h es l i d i n gl a y e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n t e r f e r ew i t ht h eb r a k i n gf o r c eo ft h e b r i d g e b e c a u s et h es l i d i n gl a y e ri st h ek e ym e c h a n i s mt ow e a k e nt h ei n t e r a c t i o no fr m la n d b r i d g e ；t h ec o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mp r o d u c e dc o n s i d e r a b l ei n f l u e n c eo nt h et r a n s f e ro f b r a k i n gf o r c e ，i ti st h em a i ne l e m e n t t ot r a n s f e rt h e b r a k i n gf o r c ef r o mt h er a i ls u p e r s t r u c t u r e t ot h eb r i d g ep i e r s a f t e rc a r e f u lc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，i ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h ev a l u eo f t h ec o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s ms t i f f n e s ss h o u l db eg r e a t e rt h a n10 7k n m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 k e yw o r d s ：c r t si i ；b r a k i n gf o r c e ；c r ht r a i n ；s l i d i n gl a y e r ；c o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s m 西南交通大学 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学位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、缩印或扫描等复制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 不保密杉使用本授权书。 ( 请在以上方框内打v ”) 学位论文作者签名：万昶j 指导老师签名： 日期：口6 。狮 儡嘶 缈x 缈 日期：动彬，多79 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 本文先是对在制动力下，桥上c r t s i i 板式无砟轨道的受力特性进行分析， 根据受力特性将轨道板和底座板分开考虑，按照各自的实际参数建立相应模型，将两 者之间的砂浆调整层用约束弹簧来模拟其纵向阻力。 ( 2 ) 本文参考c r h 2 型动车组的相关资料及国内外对制动力的研究，以c i m 2 型 动车组的实际轴距和转向架间距，以单点接触的形式对钢轨施加制动力。 ( 3 ) 对动车组的不同车辆编组数量、不同的扣件阻力、滑动层的不同摩擦系数、 固结机构的不同刚度进行分析，并对比这些因素对钢轨、轨道板、底座板、桥梁、桥 梁、墩台的制动力分布规律的影响；和对扣件、砂浆层、滑动层、固结机构、端刺的 制动力的分布规律的影响。 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它个人或集体己经发表或撰 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：丙刹 日期：，口长砷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 有砟轨道，由钢轨、轨枕、扣件及碎石道床构成。但随着货车的载荷越来越大， 旅客列车的速度越来越快，这样的轨道结构越来越不适应了，不断出现轨道变形、道 砟的磨损和粉化以及道砟飞散等问题，线路的维修越来越频繁。而对于客运专线高速 铁路来说，由于行车密度大、速度高，这样频繁的维修必然会影响运输秩序，特别是 在长大隧道内和大桥上进行维修作业更加困难，尤其需要加强轨道的整体性、可靠性 和稳定性，减少维修养护工作量，才能维持列车正常运行。针对有砟轨道的缺点，无 砟轨道应运而生。 无砟轨道，顾名思义即不用道砟，它是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道砟道 床而组成的轨道结构形式。由于其轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持 久保持、维修工作量显著减少等特点，在各国铁路得到了迅速发展。 无砟轨道技术是一项现代化铁路技术，具有良好的运营功能并可取得明显的经济 效益。高速铁路采用无砟轨道后，轨道稳定性相应增强，列车运行的平稳性和安全性 大大提高。由于取消了易产生残余变形的道砟，大大降低了轨道几何状态变化的速率， 维修工作量大大减少，有利于列车高密度运行。随着无砟轨道技术的发展，无砟轨道 已在国外高速铁路上得到广泛采用2 , 3 a 5 】。 在各国的高速铁路上使用的无砟轨道结构中，板式轨道以其结构简单、施工方便， 被认为是未来非常有发展前途的无砟轨道型式之一【6 】。 板式轨道结构因具有强度高、稳定性好、轨道几何尺寸保持长久、维修工作量少、 耐久性好、残余变形的积累很小，缩短“天窗”时间，桥梁二期恒载小，可降低隧道净 空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，在国外高速铁路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。板式轨道结构的大量铺设 已成为世界各国高速铁路的发展趋势【7 1 。我国新建高速客运专线也广泛采用板式无砟轨 道，其中在京津、武广、秦沈客运专线铁路上便采用了板式无砟轨道。 1 2 板式无砟轨道的发展概述 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。板式无砟轨道以预制轨道板 为核心。轨道板结构形式、抵抗纵横向作用力方式和高性能的调整层材料是板式无砟 轨道关键技术。典型的板式无砟轨道结构是日本新干线板式无砟轨道和德国b o g l 板式 无砟轨道。其中，新干线板式无砟轨道的调整层常被看作弹性层，尽管其对轨道整体 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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。b o g l 板式无砟轨道 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。 另外，0b b p o r r 型和i p a 型板式无砟轨道也在奥地利、德国和意大利进行了试验和 铺设【8 】o 1 2 1 国外板式无砟轨道的发展概述 1 日本板式无砟轨道 有资料表明：日本的东海道干线全线铺设的有砟轨道【9 1 ，然而他们从有砟轨道运营 后的轨道养护维修的经验来看，由于列车高速运行，不仅给予轨道的破坏影响比预料 的大，轨道不平顺现象发展得快，而且养护维修标准也更严格，因而需要高额的养护 维修费用。此外，道砟碎石的细粒化，以及由此而出现的翻浆冒泥现象，在各处相继 发生了，在全线范围内不得不进行道床的更换。 基于这样的问题，研究新型轨道结构的组织，于1 9 6 5 年在日本国铁开始工作。就 “新型轨道构造的研究”技术课题进行了各种研究活动。而且，那时山阳新干线的建 设计划已经具体化，更加明确地提出了全国新干线铁路网的规划设想。就高速铁路的 轨道养护而言，对于以青函隧道为代表的很多长大隧道内的轨道和在都市内的高架区 间的轨道，极力想把它们构成省力化的结构 1 们。由此，新干线最终选择了板式轨道。 新干线板式无砟轨道由钢轨+ 直结4 型或8 型扣伟+ 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) + 凸形挡台+ 底座组成。c a 砂浆层作为调整层和弹性层， 厚度一般为5 0 r a m 。凸形挡台作为限位装置，直径一般为5 0 0 6 0 0m m ，高2 5 0 m 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。 日本板式轨道的发展，总结如下表： 表1 1 日本板式轨道的发展 类型基本特征适用地段 在间距3 - 5 m m 的轨道板支承台座上设置方柱形挡台， m 型并通过上下和左右、前后的调整胶垫，把轨道板的四点支承混凝土基床 在台座上。 在轨道板的下面放置长条形胶垫，并在其下插入长袋， l 型混凝土基床 再向长袋中注入砂浆而构成长带状支承的结构。 因是使用在土路基上，故采用长度为1 1 5 0 r a m 的短轨道 r a 型土质路基上 板，纵横向作用力靠板下凹槽来抵抗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 支承台座上设置的挡台为圆柱形。分为板面上设有承轨 土质路基上、 a 型 槽和板面为一平板。前者用挡肩承受横向力，后者用铁垫板 桥上和隧道内 板肩承受横向力。 防振型轨道板下粘贴弹性层。防振地段 是一种最新的结构形式。在隧道内直线段铺设时，需要 土质路基上、 框架型设计承轨台；在隧道内曲线地段和桥梁、路基上，不设承轨 桥上和隧道内 台。 双向预应力结构( 生产工艺为后张法) ，以防止混凝土 预应力型寒冷地区 开裂的发生与扩展。 图1 1a 型轨道板 石屡) 图1 2r a 型轨道板 日本新干线无砟轨道早期在桥上和隧道内常用的轨道板为a 型轨道板( 见图1 1 ) ，土 质路基上采用r a 型轨道板( 见图1 2 ) 。但由于r a 型板式无砟轨道扳下基础皆为沥青材 料，对温度敏感性高，耐久性较差，而且道床板比较短，结构的整体性差，对轨道的 乎顺性以及对高速的适应性影响比较大，为此，提出了用水泥混凝土道床替代沥青混 凝土道床、用a 型轨道板代替r a 型轨道板的结构方案，并在北陆新干线上铺设使用了 2 1 6 k m 。这种轨道由钢轨+ 扣件+ a 型轨道板+ c a 砂浆层+ 混凝土底座+ 路基和凸形挡台 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 组成。对比r a 型轨道，a 型轨道板的主要特点是：可以使用在高梁桥上和隧道内等刚 性基础上广泛应用的标准a 型轨道板；采用了抗弯刚度大的混凝土底座，可以提高上部 结构的承载力以及荷裁的分散传递效果，减少对路基的作用；与沥青混合材料相比， 温度敏感性低，耐久性好；与沥青铺装施工时可采用道路工程铺装用的大型施工机械 相比，施工效率降低。 后来，日本又发展了框架型轨道板( 图1 3 ) 。框架型轨道板主要有以下优点：可 减小因温度变化而引起的板的翘曲，减少c a 砂浆损坏，降低维修工作量；减少板的 体积和自重及c a 砂浆的用量，降低生产成本和运费，获得更好的经济性；改善施工 性能，板t c a 砂浆充填质量更加均匀【1 1 1 。 为此，从北陆新干线开始，隧道内全部采用框架式轨道板。到东北新干线盛冈一 八户段和九州新干线新八代一鹿儿岛段时，桥梁和路基上也铺设了框架式轨道板。 图1 3 框架型轨道板 为适应东北、上越新干线寒冷气候条件的要求，日本后来又研制了双向预应力结 构的轨道板，防止混凝土裂纹的发生和发展。新干线预应力轨道板生产工艺为后张 法，可确保预应力作用范围，特别是保证轨道板端部的应力水平。 总的来说，新干线板式无砟轨道的结构形式逐步统一，轨道板定型为a 型和框架型， 轨道板尺寸一般为4 9 0 0 m m x 2 2 2 0 m m x l 9 0 m m ( 或1 6 0 m m ) ；扣件为直结4 型( 只用于隧道 内直线段) 和直结8 型，充填式垫板；轨道板下为c a 砂浆，厚度一般为5 0 6 0 r a m ；混 凝土底座；轨道板之间用圆柱形凸形挡台作为限位装置，凸形挡台直径为5 0 0 一一6 0 0 r a m ， 高2 5 0 m m ；寒冷地区用双向预应力结构，温暖地区用普通混凝土结构；需要减振时， 在板下粘贴橡胶垫层和泡沫聚乙烯。 2 德国板式无砟轨道 德国的b 6 9 l 板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 7 年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪 的一种预制板式无砟轨道。博格结构组成类似于新干线板式轨道，差异是抵抗纵横向 作用力方式不同，前者采用板间螺杆联结或板下凹槽连接方式，后者采用凸型挡台联 结方式。 西南立通大学硕士研究生学位论文第5 页 b 0 9 l 板式无砟轨道实质上吸收了轨枕埋入式结构整体性的特点和板式轨道制作与 施工的特点。砂浆层为半刚性材料，弹模e 达到5 0 0 0 n m m 2 ，接近其下的水凝性材料层， 厚度仪为3 0 0 m m 出发点是将轨道板与底座联结成整体结构轨道板司采用螺杆联结， 并将接缝用混凝土灌注，也是为了增强结构整体性，以适应路基铺设要求。 b 6 对板式无砟轨道的构造见图1 4 。其结构主要为：级配碎石构成的防冻层( f s s ) ， 3 0 0 m m 厚的水硬性混凝上支承层( h g t ) 、3 0 r a m 厚的沥青水泥砂浆层( b z m ) 、2 0 0 m m 厚的轨道板，v o s s l o h 3 0 0 扣件，u i c 6 0 钢轨，标准轨道板长65 m m ”j 。 德国从1 9 7 7 年在k a r s f e l d 铺设试验轨道，到1 9 9 9 年马克斯博格公司分别在罗特马耳 西车站、哈特斯德特试验线铺设了7 3 5 m ( 直线) 和2 8 5 m ( 曲线) 博格轨道，试验结果 良好；2 0 0 0 年德国联邦铁路管理局( e b a ) 颁发了“博格系统”无砟轨道的普通许可 证：设计速度3 3 0 k m h 、2 0 0 6 年6 月投入运营的纽伦堡一英格施塔特线铺设了3 5 ( 双线) 公 里博格轨道，将近1 0 6 0 0 块轨道板( 标准板、特殊板和补偿板) 分别铺设在路基、框架 桥、隧道、明洞以及长谷架桥上。2 0 0 6 年9 月2 日，西门子机车t a u r u s 型在博格轨道上 创造了3 4 4 k m h 和3 5 7 k m h 运行速度，轨道状况良好“。 硬性支承层 图1 4b 6 9 l 板式轨道结构 36 b b p o r r 板式轨道 奥地利开发的5 b b p o p j r 板式轨道，轨道板尺寸为51 6 m 24 m x ( 01 6 o2 4 ) m ， 开有2 个矩形孔，尺寸为0 9 1 m x 06 4 m ，以便于填充砂浆和传递水平力，如图】一5 所 示。 轨道板底部有一层3 r a m 厚的聚亚安酯一水泥弹性隔离层( 其参数c 取值 o5 n m m 3 ) ，矩形孔四周也有一层6 m m 厚的该种材料隔离层。填充砂浆的同时，在矩 形孔处制作出一个锥形锚块，以抵抗上拔力的作用。 在标准设计中，这是一个质量弹簧系统，每延米重量为1 吨，具有减震的优 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 点。从1 9 8 9 年至今，已铺设6 66 4 8k m 。 ， j ! 1 2 图1 56 b b p o k r ”m _ 扳式轨道 4i p a 板式轨道 意大利的i p a 板式轨道与新干线整体板式轨道相似，轨道板尺寸为 4 1 5 m x 25 m 01 8 m ，砂浆层厚度5 e m 。轨道板两端各有一个半圆柱，以插进混凝上底 座预留孔中( 有别于日本板式轨道的凸形挡台) 。 自1 9 8 4 年以来，意大利铁路铺设了该种轨道达9 80 6 k i n ，其中，在罗马佛罗伦 萨高速铁路隧道和桥梁上铺设5k m 。 1 2 2 国内板式轨道的发展概述 ( 1 ) 板式轨道的发展概述 我国对无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止以取得初步成果。初期曾 试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床以及沥青道床等几种型式，正式 推广应用的仅有支承块式整体道床。近年，参照日本板式轨道、德国r h e d a 轨道的型 式，我国分别研制了c r t si 板式轨道和长扰埋入式两种无砟轨道型式，已经铺设在 时速2 0 0 1 廿1 1 的秦洗客运专线的桥梁上。参照国外经验，研制了弹性支承块式无砟轨 道，已铺设在秦岭隧道中。参考德国博格板式轨道，研制了c r t s i i 型板式轨道，在 京津城际中得到广泛应用”6 1 。 从1 9 9 9 年开始，我国分别在秦沈客运专线上的狗河特大桥( 长7 4 1m 、直线) 、沙 河特大桥( 长7 4 0 m 、曲线) 和赣龙线枫树排隧道( 长7 1 9 m ) 分别铺设了板式轨道试 验段，武广客运专线大部分路段都要铺设板式轨道。 2 0 0 4 年9 月铁道部决定在遂( 四川遂宁) 渝( 重庆) 铁路建设我国旨条无砟轨道试 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 验段，正线全长1 31 6 公里i l 。 遂渝线无砟轨道综合试验段是国内首条无砟轨道试验段，在国内尚无大跨度连续 粱桥上铺设无砟轨道的背景下，利用新北碚嘉陵江大桥作为大跨度连续粱桥上铺设无 砟轨道的研究与尝试，突破大跨度桥上铺设无砟轨道的瓶颈，对我国客运专线无砟轨 道铁路的发展具有极其重要的意义。为此，设计中根据新北碚嘉陵江的设计情况，就 桥梁对无砟轨道的适应性做了深八的分析，对桥上无砟轨道的类型、无砟轨道与桥梁 的连接方式的选择做了深入细致的研究，对普通板式轨道方案、部分纵连板式轨道方 案及全桥纵连板式轨道方案进行了详细的方案比选，并最终选择了全桥纵连板式轨道 作为大跨度连续粱桥上铺设无砟轨道的尝试。2 0 0 6 年8 月完成纵连板式轨道的设计， 2 0 0 6 年1 2 月完成现场施工，2 0 0 7 年1 月进行了2 0 0k m h 动车组、1 2 0k m h 货物列车的实 车试验，各项安全性指标均在安全限值内【t g ) 。 经过对德国博格板式无砟轨道技术的引进和吸收，我国最终也自主创新了一种纵 向连续的板式轨道c r t si i 型扳式无砟轨道。该系统吸收了轨枕埋入式无砟轨道整 体性和板式轨道制作及施工便利的特点。通过在京津城际铁路的实施，形成了我国 c r t si i 型板式无砟轨道成套技术。 2 0 0 6 年1 1 月开始，铁道部工管巾心组织无砟轨道再创新攻关组对c r t s i i 型板式无 砟轨道设计理论、设计技术、制造技术和施工技术进行了完整系统的总结，在系统总 结基础上，对技术进行了系统再创新，技术刨新成果经过了中外专家组的审查，京沪 高速铁路上将应用创新的c r t s i i 型板式无砟轨道技术”。 圄1 - 6 京津城际铁路桥梁上铺设的c r t s 型板式无砟轨道 ( 2 ) c r t s i i 型板式无砟轨道的结构概述 该系统是由钢轨、v o s s l o h 3 0 0 1 扣件、轨道板、砂浆调整层、连续底座板、滑动 层、硬质泡沫塑料板、喷涂防水层、侧向挡块等构成。 轨道板标准尺寸为：宽度为2 5 5 0 m m ，厚度为2 0 0 9 u n ，标准轨道板长度为 至要圣塞奎茎垩圭彗蓥量茎堡篁圣矍! 至 6 4 5 0 m m 。每6 5 e m 设横向预裂缝。底座板宽度为2 9 5 0 m m ，厚度为1 9 0 m m ，纵向连续。 轨道板和底座混凝土板在长桥上连续铺设，轨道板结构及外形尺寸不受桥跨的限 制，可采用与路基、隧道内一致的轨道板，轨道板本身的制造和安装铺设较既有方案 简便。轨道板与底座板之间的砂浆调整层设计厚度为3 0 r n r n 。 粱缝部位粱体和底座混凝土板间设置s t y r o d u r5 0 0 0 型硬质泡沫塑料板，以减小粱端 转角对无砟轨道结构受力的影响；从梁缝处向两跨简支粱方向延伸15 m 。故铺设的硬 泡沫塑料板尺寸为：宽29 5 m ，长3i o m ，厚5 0 r a m 。 氅塑l 、岫_ 脚- 瞥 - 鼍鼍i ，i i i i - i 叠鼍一i i i - m - _ - _ - - - _ - 一二_ - _ i 鼍蔓笪兰，7 一_ _ i _ - _ _ - _ 盏萼窭毒嚣嚣。! c 詈翟j 莒基 圉l 一7 硬泡津塑料板 通过在底座板两侧设计侧向挡块，实现轨道系统和桥梁问的位移协调。所有的侧 向挡块均可以约柬轨道结构的横向位移，扣压式侧向挡块可以约束轨道结构向上的位 移，以保证轨道结构在受压时的稳定性： 囤】- 8 侧向挡块 在桥面和底座混凝土板间设置“两布一膜”的构造层，阻使两者间摩擦系数降低， 理想情况下可以自由滑动。下层土工布是为了减小桥面的不平整对滑动层的影响：上 层土工布是为了减小底座混凝土板混凝土浇筑时水泥浆、骨料对滑动层的影响： 图1 - 9 两布一膜滑动层 量塑耋鎏查兰鎏圭至茎三茎堡鎏奎墓：至 桥梁固定支座上方，通过预设齿槽、锚固螺栓( 每排7 2 8 r n m ) 以保证其和桥梁 问纵向的可靠连接，并有效地传递纵向力； 图1 一1 0 桥面 殳施结构 台后路基上设置雎擦板、端刺等结构，通过在台后底座混凝土板下部设置钢筋混 凝土板，并利用其和底座混凝上板间的摩擦，将来自桥梁的水平荷载( 部分) 逐渐传 递至下部路基，两者间的摩擦系数按03 10 之间取用：设计端刺目的是为了最终锚固 来自桥梁的水平力，为使桥上水平力不影响路基段轨道结构的受力，端刺的原则是在 设计水平力作用下j ；允许出现位移，即通过静摩擦力克服【2 1 0 2 0 ”。 1 3 制动力研究现状 1 3l 各国对制动力作用的研究 当列车在桥上实施制动时，列车对桥上线路施加一纵向水平力一轨面制动力。轨 面$ 恸力通过线路结构传给桥跨部分，这些作用力是影响桥梁下部结构设计的重要因 素。 因制动力对桥粱设计影响重大，围内外都曾开展过大规模的实验研究工作、但影 响轨面制动力实测值的因素众多，制动力在线桥结构中的分配又十分复杂致使该方 面的理论研究迄今没有突破性进展，各国在制动力的规定上也存在很大差异 。可参 见下表。 表1 2 几个主要国家的制动力幸 * & ：桥# # m 目* * 有m $ 恸 谬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i ii ii i_ i 铁路桥梁承受列车制动力的问题由列车轨面制动力、轨面到轨底制动方的转换、 轨底制动力在全桥的分配以及墩台对制动力的动态响应几个大课题组成，而首要问题 是轨面力的准确值计算。所以世界各国对制动力的研究主要是针对制动力率，制动力 率是指制动力总值与竖向荷载总值之比。 2 0 世纪6 0 年代，国际铁路联盟试验研究所( o r e ) ，组织欧洲7 个国家的铁路局进 行了系统、大规模的桥上制动力和牵引力专项试验和理论研究。日本在2 0 世纪6 0 年代 分别对蒸汽机车和e h l 0 型电力机车单机紧急制动减加速度进行测试，最大值分别为 0 2 7 9 和0 3 8 9 ，均值分别为0 1 6 9 矛i o 2 3 9 。 除此之外，很多国家也对制动力率展开了研究。美国以实测列车制动时桥梁实际 受力为准；日本以实测单机最大制动减速度确定轨面制动力，并按其2 3 由桥梁承受； 英国和德国则简单地用轮轨粘着力作为轨面制动力。 我国自五十年代参照前苏联规定了0 1 的制动力率、实际桥梁设计中按有效制动力 考虑，但根据我国列车实际的运行情况来看，0 1 的制动力率显然偏小。于是我国也相 应的对制动力率展开了研究，近几十年北京交通大学对列车制动荷载与编组长度的关 系进行了较为系统的理论研究。目前主型机车的单机制动力率在0 2 1 0 2 8 ，主型车辆 的单车制动力率在0 1 7 5 左右。单机情况与欧美的试验结果和规范取值相一致。在不同 编组的货物列车情况下，制动力率随编组增加而减小，见下表f 2 5 1 。 表1 3 不同列车编组长度的制动力率 o 3 5 o 3 0 o 2 5 o o 1 5 o 1 0 霸本规范值03 5 。建议囊鹰采用的卅动力事荷麓曲线 爱芝罗觯靴 01 0 02 ) 仰05 0 06 0 07 0 09 0 09 0 01 0 0 0 1 1 0 0 桥豢加麓长度( m ) 图1 1 1 列车制动力率各国规范对比曲线图 由于制动力对轨道机构及桥梁下部结构设计都具有非常重要的影响作用，所以仅 仅对制动力率进行研究是不够的。制动力在轨道结构中的传递机理是怎样的，在纵向 上的传递因素有哪些等等，这些都需要我们去进行试验与研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 9 8 4 年1 2 月2 1 2 4 日在哈尔滨一陶赖昭区间进行了防止客车车轮擦伤的运行试验。 试验时测试了紧急制动时列车的纵向力。1 9 8 6 年，紧急制动时旅客列车纵向力的试验 分析一文中分析了：当车辆以不同的行驶速度，不同的编组长度等情况下紧急制动 时，产生的纵向力在各节车辆中的变化过程和般规律 2 6 1 。这是针对机车受力进行分 析，而没有对轨道结构的受力展开研究。 1 9 9 1 年， 铁路桥梁传递列车制动力的结构型式一文中，提出在桥梁设计中， 制动力一般是通过固定支座，经由墩台传到地基上。制动力产生的弯矩作用，使只能 承受很小拉应力的污工桥墩，处于不利的工作状态。对于高桥墩，这种水平力引起的 墩顶位移，往往成为桥墩设计的控制条件。所以该文章从减少桥墩的圬工数量的目的 出发，介绍了几种墩台型式。并分别介绍了各自的特性，及各自传递制动力的作用机 硼 2 7 】 ，io 1 9 9 2 年，重载列车制动对轨道纵向力影响的研究一文中，通过与室内模型试验 的比较，验证了理论计算的正确性。该文章首先是提出要计算列车制动时对轨道产生 的纵向力，要先计算出列车荷载作用下个轨枕的压力和纵向阻力，并在文中列出了计 算方法。并通过实例计算得出：重载列车，随着轴重增加，轨道阻力增大，纵向力和 纵向位移减小；列车长度不同，其总制动力也不同的结论 2 8 1 。 1 9 9 9 年，列车制动与道床阻力对钢轨纵向力的影响分析一文中，首先提出了钢 轨中制动纵向力计算的理论和方法，分别提出了道床纵向阻力为非线性和线性时的计 算。并对列车制动时在钢轨中引起的纵向力与道床阻力之间的关系进行了探讨，并用 算例对这一问题进行了分析。最后得出结论：在列车制动力一定的情况下，道床纵向 阻力越大，则钢轨的最大纵向位移和纵向压力就越小。所以增加道床纵向阻力，对无 缝线路的稳定性是有利的( 一般道床纵向阻力增大的同时，道床的横向阻力也相应增 大) 。并且不同的机车车辆制动力对钢轨纵向力的影响也不相同，最大纵向位移随制动 力的增加而增大。当机车轮最大制动力与车辆轮制动力接近时，钢轨的最大纵向位移 不随机车制动力的增加而增大，说明此时钢轨的最大位移出现在车辆轮的轮位下【2 9 】。 2 0 0 3 年，无缝线路长钢轨制动力的研究一文中，分析不同的加载长度对钢轨 的制动附加力及相应的最大位移的影响，随着列车加载长度增加，钢轨位移略有增 加，增加幅度不明显；接着对四组轮轨粘着系数进行计算对比，结果显示粘着系数对 制动力的影响较为明显，线路纵向阻力较低时，粘着系数对钢轨制动力的影响也就越 显著；最后还对分析了线路阻力和轮轨粘着系数共同作用时的影响，从对比的结果可 知：随着线路阻力的增加，钢轨制动力明显减小。在轮轨粘着系数一定时，轨面制动 力为一确定值，随线路纵向阻力的减小，钢轨与轨下基础间的弹性约束降低，在轨面 制动力的作用下，钢轨承受制动力的比例增加，同时钢轨纵向位移也随之增大。该文 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 - 一 _ _ m i i i i i 一一一一i i i i 青盲i i i i i i 在制动力作用下，只是对钢轨的受力进行了分析。并没有对轨道的其它结构进行研究 分析，建立的模型见下副3 0 1 。 pp 长钢轨一一一一一一 7 “ v “j岫j 州j 州，j眦j jf w jv w jv v | jv w jv w j 稿丌未n 击玎稿丌高玎击力击疗盯b ，丁bd 霄d 霄 图1 1 2 钢轨制动力计算模型、 2 0 0 4 年，城市轨道交通桥梁纵向制动力传递分析一文中，先是分析了平板橡 胶支座抗剪切刚度，桥墩纵向变位刚度，墩顶合成刚度三者之间的关系；接着讨论在 单个纵向力作用下，在不同的扣件刚度情况下桩基桥墩纵向力分配；再分析轨道交通 车辆紧急制动时，纵向力传递分析力的分配，这其中分别比较了有缝线路和无缝线路 的纵向力的分配。最后得出结论：在制动力作用下无缝线路承受的纵向力只是有缝线 路的1 2 左右；桥墩的墩身愈高，桥墩纵向刚度较小，桥墩承受的最大制动力愈小；在 制动过程中，与轨道各部件的受力相比，对钢轨产生的应力较小；当采用扭矩为 1 0 0 n m 的扣件时，制动过程中，不论墩身高度大小，不可能出现扣件滑动现象。当采 用扭矩为6 0 n m 的扣件时，对于1 0 m 以上桥墩，制动过程中，局部区段的扣件可能出 现滑动现象d 1 。 2 0 0 6 年，铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析一文中，提到由桥梁结 构承担部分是桥梁的有效制动力荷载，可对桥梁墩台设计起控制作用。因此，他们通 过对货运机车车辆制动参数和制动特性的试验研究，对列车单元车体最大制动力进行 了理论分析和计算；编制了计算程序z d l ，进行了单元车体制动力计算分析与试验拟 合比：建立了描述列车运动状态的二阶微分方程组，在求解时，利用欧拉法计算，得 到任意单元车体每一个积分步长的位移、速度、加速度及制动力，从而可得到列车整 体制动力和制动力率的时程曲线；还进行了列车制动过程的动力计算分析以及列车制 动力实桥试验与动力计算结果的对比分析。通过对我国不同长度的现营重载货运列车 编组的动力计算，得到了不同长度桥梁结构的最大制动力率为0 2 3 1 有效制动力率为 0 1 7 。与实际桥梁紧急制动试验结果值对比符合较好。进步提出了对重载货运列车 紧急制动进行全过程动态描述的动力计算方法。为确定我国铁路桥梁制动力荷载提供 了实桥试验研究结果和理论分析依据【3 2 | 。 2 0 0 6 年，无砟轨道桥上无缝线路纵向力研究一文中，提到不同的线路阻力标 准对桥上无缝线路的纵向力的影响，并分别对采用简支梁和连续梁时的影响分析。分 析与计算结果表明，采用德国纵向阻力计算的制动力大于采用中国纵向阻力的计算结 果。因而建议在桥上无砟轨道可考虑使用小阻力扣件【3 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 0 0 7 年，简支梁桥上博格板式无砟轨道纵向力分析一文中，考虑了伸缩刚度 和底座与桥梁间的摩擦系数对轨道结构的受力影响，并对伸缩力、制动力和断轨力进 行了计算，同时还分析了摩擦板长度、梁跨长度、支座布置对它们的影响。该文在建 立的模型( 见图1 1 3 ) ，认为轨道板和底座板完全与两者之间的砂浆层的变形协调一致， 而将两板看成一块板“道床板 【3 4 1 。建立这样的模型，可以对纵向力作用下的主 要轨道结构进行计算分析，但是却不能分析砂浆层的受力。并且也不能分别对轨道板 和底座板各自的受力进行计算分析。 道床板 图l 一1 3 纵向力计算模型 2 0 0 8 年，为了揭示各种因素对桥上纵连板式无砟轨道制动附加力的影响，在客 运专线桥上纵连板式无砟轨道制动附加力影响因素分析【3 5 】一文中，运用空间有限梁 单元理论，建立了桥上纵连板式无砟轨道线板桥墩空间一体化纵向力计算模型，该模 型与图1 1 3 一致。即将轨道板和底座板看成是一块板，认为砂浆层与它们的变形协调 一致。并编制了相应的计算软件，运用所编制的计算软件，分析了扣件阻力、底座板 与桥梁摩擦系数、道床板伸缩刚度以及底座板与桥梁固结机构对制动附加力的影响。 其中，分析了扣件阻力分别为3 0 蝌m 和1 6 k n m 时，对制动附加力的影响。结果表 明：对1 6 k n m 的制动力，扣件阻力在1 6 k n m 及以上变化，钢轨、道床板及桥梁墩台 的纵向力变化很小。这说明：当扣件纵向阻力大于制动力集度时，扣件纵向阻力变化 对制动作用下轨道和墩台顶的纵向附加力影响很小。增大底座板与桥梁间摩擦系数， 墩台顶最大纵向力稍有增加，钢轨和道床板纵向力大幅降低；增大道床板伸缩刚度和 取消底座板与桥梁间固结机构，有利于降低墩台顶最大纵向水平力。并且该文章是针 对一线和二线的轨道结构受力进行分析的。 2 0 0 9 年，城市轨道交通桥上梯型枕轨道纵向力分析【3 6 】一文中，先是建立了简 支梁桥上梯型枕轨道的模型( 见图1 1 4 ) ，该模型对应原型中的扣件、凸台、梯形枕 及其枕缝和桥梁及其梁缝的实际几何形态，采用非线形弹簧模拟各结构层间的阻力建 立而成的。在纵向力作用下，对所建模型和传统模型的计算结果进行对比分析，同时 还分析了凸台胶垫刚