（道路与铁道工程专业论文）桥上无缝道岔模型试验的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代高速铁路和城市轨道交通的快速发展，将会有越来越多的道岔设 置在大桥、特大桥或高架桥上，其中也包括部分无缝道岔需设置在桥上。桥上 铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无缝道岔的技术特点和难点，在国内外 还没有进行过相对系统的研究。桥上无缝道岔既要考虑桥上无缝道岔的梁轨相 互作用，又要考虑无缝道岔中钢轨受力和变形的复杂关系。为在设计前取得一 定数量的实验数据，用于验证和完善桥上无缝道岔计算理论和设计方法，最有 效的方法是进行桥上无缝道岔的模型试验。 本论文依据简要的技术经济比较，确定了模型试验的比例。运用相似理论、 相似比关系，根据所推出来的相似判据，选择和确定钢轨、桥梁、墩台等的结 构型式与尺寸。根据扣件、道床、轨枕等在实际中所起到的主要作用，对模型 扣件和轨枕进行了设计与制造，对模型道碴粒径与级配进行选择，再通过相关 的参数实验，使各参数满足或者近似满足所选取的相似比关系。对于桥梁模型， 依据模拟模型桥梁在加载和加温作用下的变形，设计了几种不同的桥梁模型， 通过计算机建模进行力学分析，根据理论计算结果，并与国内现有道岔梁进行 比较，选出了较为合理的方案。对模型试验所需的设备和实验内容进行了研讨， 制定出桥上无缝线路模型试验方案。 通过本论文中对桥上无缝道岔模型试验方法研究和模型试验设计，可为即 将开始实施的铁道关于桥上无缝道岔的科研项目提供有价值的参考。 关键词：相似理论相似判据无缝道岔模型力学分析 两南交遴大学礤士研究擞学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w 曲啦l e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e mh i 暑砖s p e 。d r a i l w a ya n dc i 移 m a 8 s 扛a n s i t ，m o r ea l l dm o r es 蝴t c h e sw i l lb es e t t l e do nb r i d g eo rv i a d u c t ，a l s o s o m ec o n t m u o u sw 。1 d e ds 科t c h i tc o l l i g a t e st e c h 芏l i c a lp o i n ta n d i i 衢c u l to f j o 衲n e s s ka n dc o n t i n u o l l sw 或d e ds w i t c h ，a n de x p e r t sh a v e n td o n es y s t e m i cr e s e a hi n a n da b r o a d c o n t 试u 0 1 l sw e l d e ds 矾t c hp a v eo nb m g e 诵nb e n 融1 t e dw i 也m 跹y c o r r e l a t i o 拄i s s u e s w es h o t n dt a _ k ei n 协a c c o u n to f 镪e 虹哇e f a c t i o nb e 撕e e nr a i la n d b r 孟起e ，a n da l s oc o m p l e xr o l a t i o no ft h er a i ld i s t o r t i o na n df o r c e ：h lc o m i n u o u s 戳驰酣s 喇t c 矗。f o r 出es 威eo f 呼i 廷n gam 蝴o fe x 搬妇a 蛀。娃d 如b 幽f e d e s i g 血n g ，v a l i d 缸ea n d c o n s l l l n m a t ec o m 劬o u sw e l d e ds w i t c ho nb r i c 埝et 量l e o r y t h e m o d e le x 越赫n a 蛀o ni sg o o df o ft h i s t a c c o r d i n gc o m p a r ea sb r i e f 批c h i l i q u oa n de c o n o m y w ec o n m mt b em o d e l p r o p o n i o i l 娥t h i sp a p e r u s ea n a l o g o 璐也e o a n 瓤o g o u sp f o p o 烈i r e l a t i o n 墨n d d e 觚d e da i l a i o g o u sc r i t 耐o n ，c h o o s ea 1 1 dc o 瓶m 协er a i l ，b a l l a s t ，碱起ea b u 缸n e n t m e 豁珏r e f o u n d a t i o l l 量l o l d d o w nd e v i c e ，b a l l a s t ，s l o 印e r 攮o s t l ye 壤羚t 遮也e 妇t ， r e d o s i 印a n dm a l l u f 犯t l l r et h c s e s 妣i t a n e “ya 疔e s ht 1 1 eb a l i a s t 孕a i nd i a 工n e t e ra n d b 越l a s t 夸张纽g 。t 聚o u g 珏e o 拄e l 舔筑le x 幽a 畦。n 珧威ee a c hp 艇a 珏l e t e re o 矗姆娃t 瞧e p r o p o n i o n f o r 酾始em o d e l ，d e s i 鼬af e wd i 脑e n to f 姊e ，h d u 曲m e c h a 撕c a l 繇a l 笋i s ，毫箍d 臻e 穗a 娥e a l 蕊蕊畦协鑫c k e v e 鼗辖d i s 韬撼。整f 酿艇d g e 攮l o a dw c i 辩 a n dt e m p e r a t u r er i s e a sar e s u l to ft l l e 也e o r yc a l c u l a t ea n dc o m p a r ef o rb r i d g e 瓣撼y p e ，拣。o s e 穗。臻o d db 萎d g e ，强de 碱掘t e 爨ee x 搿囊辍e n p 捌e c t ， o v e ra c r o s sn l os m d yo fe x p e r i m e mm e t l l o da i l dm ed e s i g nf o rt 1 1 em o d e l e 掉蕊m e 强主疆lc 。l 撼珏醢。疆sw 畦& d 渐i 把ho 藏醚d g 岛w ec a 赣￥毫掇蕊s t 南r 稻豫d c a l c u l a t em e o r ya n dg u i d a n c ed e s i 鲫o f c o 诚n u o u sw e l d e ds w i t c ho nb r i d g e k e y 帅r d s ：a n a l o g o u sm e o 珥a n a l o g o u sp r o p o n i o n ，c o n t i n u o u sw e l d e ds 晰t c h 融o d e l ，糙。穗a n i e 娃强8 l y s i s 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 国内外高速铁路发展概况 社会的进步与交通运输的发展是密切相关的。人类的智慧推动了交通运输 的发展，交通运输的发展又促进了人类精神文明和物质文明的建设。一个国家 或地区的经济繁荣和科学文化的昌盛，工农业之间、城乡之间、地区之间、企 业之间的紧密联系，以及旅游事业的兴旺等都必须有相应的交通条件。交通运 输是国民经济的先行部门，是发展经济，提高人民物质文化生活水平，巩固国 防，加强国内各民族的团结以及国际之间交往的重要工具。 1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界第一条高速铁路日本的东海道新干线正式投 入运营，时速达到2 1 0 妇l ，突破了保持多年的铁路运行速度的记录，从东京到 大阪只须运行3 小时1 0 分钟。高速铁路的运营成绩和取得的巨大经济效益和社 会效益，扭转了过去虽然通过理论研究和试验证明铁路具有大幅度提高速度的 潜力，但受到安全、造价等认识的困扰，长期给人们以可望不可及之感；纠正 了人们对铁路已不适应经济快速发展、工作节奏快和高流动社会需要的错觉。 归纳起来，当今世界上建设高速铁路有下列几中模式： 1 日本的新干线模式：全部修建新线，旅客列车专用； 2 法国t g v 模式：部分修建新线，部分改造旧线改造，旅客列车专用； 3 德国i c e 模式：全部修建新线，旅客列车及货物列车混用； 4 英国a p t 模式：既不修建新线，也不对旧有线进行大量改造，主要采 用由摆式车体的车辆组成的动车组；旅客列车及货物列车混用。 通过对我国国情和路情的分析，可以得出结论，高速铁路是适合我国经济 建设和社会发展的需要的。为了彻底摆脱交通运输系统运力不足的困境和提高 大宗客，使其与加强经济发达地区运输通过的整体能力结合起来。一般是高速 铁路适宜担当主要大城市间中长距离大量客流的输送，普通铁路适宜担当中长 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 距离的客货运输和工业运输，公路适宜担当短距离的客货运输，航空适宜担任 长距离和国际间的旅客运输，水运则主要担当港口间发运输。铁路、公路、航 空、水运、管道都是国家不可缺少的交通运输工具，应该统筹规划，合理分开， 互助互补，协调配合，因时因地制宜地综合发展。 1 2 无缝线路发展概况 1 2 1 铺设无缝线路的意义 无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结构的 最优选择，它以无可争议的优越性为各国铁路所承认。线路上钢轨接头的数量， 是由钢轨长度决定的。而钢轨长度又受制于制造、运输、铺设和养护方面的技 术。过去钢轨长度主要是由轨缝的允许限值来控制，当温度升降时，钢轨接头 必须为钢轨的胀缩提供条件，以减少钢轨内部的温度力。钢轨越长接头越少， 但钢轨越长，轨缝就越大，车轮经过轨缝所产生的振动也越大，因此，钢轨又 不能太长。 钢轨接头处在较大的附加动力作用下，线路变形发展较快，致使接头处线 路酿成一系列病害。其主要病害有：在捣固不良或翻浆冒泥地段出现低接头： 钢轨端部出现鞍形磨耗，严重者向列车前进方向发展，最终形成波浪磨耗。在 列车前进的相反方向，在固定轴距范围内，车轮振动也引发一小段波浪磨耗； 钢轨破损，轨头表面金属碎裂、剥离、掉块、螺栓孔裂纹，甚至钢轨折断；夹 板产生永久变形，造成硬弯甚至使夹板裂纹、折断；混凝土轨枕损坏、破裂， 主要发生在接头前后轨枕的轨下断面处；道床溜塌、板结、翻浆冒泥；线路接 头病害的各影响因素，互为因果，恶性循环，促使钢轨接头处永久变形发展， 进一步使竖向位移和冲击力加大。 综上所述，线路的钢轨接头，不仅对线路设备、机车和车辆的使用寿命、 旅客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响，而且还直接威胁着铁路行车 安全。因此，对钢轨接头的功能应有两个基本要求：一是温度变化时钢轨能伸 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 缩；二是接头构造要坚固稳定。这两个要求对普通线路来说是相互矛盾的，保 了伸缩就保不了稳固，否则在结构上将增加难度。过去为改善接头构造，增提 出很多设想，但均未解决钢轨接头的稳固问题。冻结接头线路虽然能解决钢轨 接头的稳固问题，但平顺性的改善有限。实践证明，只有将钢轨焊接起来的无 缝线路，才是彻底解决钢轨接头的稳固与平顺的根本出路。 把钢轨焊接起来的无缝线路，又称焊接长钢轨线路。国内外铺设无缝线路 的实践经验证明，无缝线路与有缝线路相比，它在技术经济上有明显的优越性。 据一些国家统计，在节约劳力和延长设备使用寿命方面，无缝线路比有缝线路 可节约线路维修费用3 5 7 5 。此外，无缝线路的平顺性好，行车平稳，旅客 舒适，非常适合高速、重载列车的运营，还可减少机车车辆的运营费用，因而 获得了迅速发展。尤其是今年来，随着无缝线路在数量上的增长和质量上的提 高，使轨道结构的结构跨入了一个新的历史阶段。可见，大力发展无缝线路是 一项具有重大技术经济意义的举措。 1 2 2 国外铁路发展无缝线路概况 各国为适应高速铁路的发展，大力发展并改善无缝线路，使无缝线路在技 术上有了显著的进步。这些进步集中反映在跨区间无缝线路的发展上，同时j 无缝道岔和大号码道岔也随之发展了起来 国外主要国家铁路至2 0 世纪8 0 年代末，铺设无缝线路的数量如下表卜1 表卜1 铁路总延展无缝线路延展无缝线路所 国别附注 长度( k m )长度( k m )占比重( ) 美国 3 5 48 1 31 2 00 0 03 3 前苏联 1 6 34 2 0 5 7o o o 3 5 德国8 71 8 7 7 39 0 0 8 5 英国 3 26 0 01 88 0 05 8 法国 7 50 0 02 24 5 73 0 加拿大 7 80 5 61 48 8 01 9 日本 4 36 3 2 1 27 1 6 2 9不含新干线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 3 我国铁路发展无缝线路概况 我国铁路无缝线路起步较晚，直到1 9 5 7 年才开始铺设。近年来，我国铁路 铺设无缝线路的进程明显加快，每年净增数量约为1 0 0 0 k m ，至1 9 9 9 年底累计 铺设数量已达2 7 3 1 0 l ( n l 。桥长超过2 0 0 m 的桥梁已有l o o 余座铺设了无缝线路， 其中桥长超过l k m 的桥梁已铺设了无缝线路。结构特殊的特大桥也将铺设无缝 线路。无缝线路的轨道结构也得到了进一步加强。我国铁路既有线的提速和新 建铁路的一次铺设无缝线路，有力地推动了无缝线路的技术进步。 新建高速、客运专线和重要干线铁路一次铺设无缝线路的决策，已纳入有关 技术技术标准和规范。新建高速铁路一次铺设无缝线路的设计与施工方案的优 选，是新建铁路在技术上的突破，各项有关科研成果，已通过部级评审，对建 设的客运专线的设计与施工，将起到重要的指导重要。 1 2 4 我国桥上无缝线路和无缝道岔 桥上铺设无缝线路，可以减小列车动力作用，改善桥梁运营条件，减少轨 道维修工作量，延长轨道部件和桥梁的使用寿命。据实测和调查资料，在京沈 巨流河桥跨度3 1 7 m 简支无碴梁上，铺设无缝线路后，冲击系数减小1 0 2 0 ： 京广线的沙河、流锈、连接构件裂纹明显减少，混凝土梁防水层损坏得到缓减： 南京、武汉长江大桥铺设无缝线路后，列车通过时噪声显著减轻。长期运营实 践证明，桥上铺设无缝线路能取得极为显著的综合技术经济效益。 桥上的无缝线路与路基上的不同，其钢轨除受温度力作用之外，还受到桥 上附加纵向力作用。梁因温度变化而产生伸缩，在列车荷载作用下梁因挠曲而 产生位移。在明桥面上，梁上翼缘的这种纵向变形( 即伸缩和位移) ，将通过梁、 轨间的联结约束，使钢轨受到纵向力的作用。在有碴桥上，道床也会对梁、轨 间的相对位移产生一定的约束阻力。我们把因梁的伸缩而引起的钢轨纵向附加 力称之为挠曲力。这些力同时又反作用于梁跨和固定支座，使桥墩台产生弹性 变形，墩顶发生纵向位移。这一现象对高墩尤为显著。此外，如果在桥上发生 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 断轨，或是无缝线路的伸缩区设在桥上，钢轨的伸缩也会通过梁、轨间的约束 使墩台和固定支座受到断轨力或温度力的作用。所有这些互为因果的作用，可 归结为梁、轨的相互作用。我们就是要通过对梁、轨相互作用的分析，求得梁 的位移分布、钢轨的位移分布和纵向力分布、墩台受力和墩顶位移，以便对钢 轨和墩台进行强度和稳定性检算，并通过桥上无缝线路结构设计，设法减小这 些附加纵向力的作用，从而确保桥上无缝线路运营安全。 随着无缝线路的发展，我国各主要干线普遍提高了行车速度，速度由原来 的1 2 0 k m h 以下提高到1 2 0 1 6 0 i ( 1 1 1 h ，并普遍采用了结构合理、强度均衡的提 速道岔。无缝道岔随之研究开发。无缝道岔中，道岔内以及道岔与其两端钢轨 间的接头采用焊接或胶接连接成整体。无缝道岔除完成普通道岔的转向和跨越 功能外，尚需传递两端钢轨中数以百吨计的温度力。道岔里轨两端的受力状况 不同，其一端承受巨大的温度力，而另一端则是近似于自由端的尖轨或可动心 轨，相当于普通无缝线路的伸缩区。为了控制尖轨或可动心轨的位移以便保证 道岔转换要求，通常在尖轨及心轨跟端设置相应的传力部件，与岔枕等部件一 起，使里轨的温度力向外轨( 基本轨) 传递，致使基本轨承受附加温度力。因 此无缝道岔内各轨条间存在极为复杂的承力、传力和位移关系。当无缝道岔位 于列车制动与启动较多的线路区段、长大坡道或变坡点附近，容易产生不均匀 爬行的现象，这种爬行一般会受到道岔的阻碍作用，导致道岔的受力变形规律 更为复杂。 高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道交通的建设与发展，。 由于环保要求或地形的限制，将会有越来越多的道岔设置在大桥、特大桥或高 架桥结构上，其中也包括部分无缝道岔需设置在桥上。在桥上铺设无缝道岔， 是无缝线路发展中遇到的又一个重大技术课题，不能单独用桥上无缝线路或无 缝道岔的理论来分析解决桥上无缝道岔的问题。桥上铺设无缝道岔，综合了桥 上无缝线路、无缝道岔的技术特点和难点，是迄今为止无缝线路方面难度最大 的课题。虽然国内外都对桥上无缝线路、无缝道岔做了较多的研究，但都是对 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 两者独立地进行研究。到目前为止，国内外都没有对在桥上铺设无缝道岔进行 过较为系统的研究，也缺少在桥上铺设无缝道岔的应用经验。 本论文就是基于桥上无缝线路和无缝道岔这两个关键技术问题的一些基本 理论，利用已有的理论和实际经验，通过理论计算、设计模型、模型分析，然 后对桥上无缝道岔研究奠定原始的基础。 1 3 模型试验的发展概况 结构模型在结构工程的研究和设计中起着重要作用。1 9 5 0 年以来，欧洲建 立了一些引人注目的实验室，这一事实大大促进了欧洲工程师们对模拟方法的 应用。新近，美国、加拿大钢筋混凝土结构的模型技术取得了显著的发展。 结构模型的意义及其在应力分析中应用的理由，可简单地解释为：其目的 是为了结构设计人员以科学的技术，使他们从结构性能的有限理论知识的束缚 中解放出来，能将他设计活动扩大到实际结构的大量尚待探索的领域中去。 1 3 1 结构模型的定义 美国混凝土协会给结构模型下的定义是：“模型是一个结构或一部分结构的 任何物理模拟。最通常的情况，模型将按缩小的比例制造”。自然，这个定义同 样适用与任何材料制成的结构模型。而j a 旺y 给出的第二个定义是：一个结 构模型是按缩尺( 和足尺结构相比较) 建成的任何结构构件或其组合体，这种 模型是作实验用的，且在整理分析试验结构结果时，必须使用相似定律。 这两个定义包括了对多种原型( 足尺) 结构的模拟研究，譬如：桥梁、房 屋建筑、大坝、塔式建筑、反应堆容器、薄壳建筑、宇宙飞船及机械工程结构、 海中结构物等等。荷载则包括静力、模拟地震力、热效应和风效应等。 许多缩尺结构构件在习惯上用作探索性研究，即使相似条件一般不适用于大比 例的研究性模型，一些研究者也把这些结构归类为模型的范畴。设计方法和公 式都直接以这些探索性模型的观测性能为根据，因此，这就受到设计者的充分 认可。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 模型的分类 结构模型可以按各种方式来定义和分类。和采用的定义则和预定的功能有 关。即是说，我们想从试验中达到什么目的? 是只想作弹性反应呢，还是期望 把模型加载到破坏，以观测包括破坏状态及其能力的全部性能? 是只满足于从 模型实验中来确定影响线呢，还是要根据规定的荷载得出应变的实测值? 在这 些应用中，每一种模型都需要有一个很适当的名称。 弹性模型：这类模型的原型的几何形状直接相似，虽然模型材料并不一定 要和原型的材料相似，但是它应由均匀的弹性材料做成。因为弹性模型的性能 被限制在原型性能的弹性范围内，所以这种模型不能预计混凝土在开裂后的性 能；同样也不能预计钢在屈服后的性能，以及不能预计实际承载结构中所发生 的许多其它非弹性性能。 间接模型：当弹性模型用来探索结构的反力和内应力的合力( 剪力、弯 矩和轴向力) 的影响线或影响面时，这样的弹性模型就称为间接模型。所以， 间接模型是弹性模型的一种特殊形式。由于荷载效应系根据影响值叠加求得， 所以施加给间接模型的荷载，不必要和原型结构上所预定的实际荷载相一致。 一个间接模型并不总是要和原型具有物理上的直接相似。例如：当框架性能由 框架的抗弯刚度特性( e i ) 控制时，就能够正确地模拟出相对刚度值的间接模 型。在间接模型中，横截面形状可以不按精确的比例( 间接模型中的圆形截面 能表示原型的宽翼缘截面) ，同时，只要不影响实验结果，构件面积可以有较大 失真。在过去，间接模型大多用于超静定框架的非均匀构件；现在，这些单纯 性的计算很容易由计算机来完成，所以这种模型已经没有多大用处了。 直接模型：一个直接模型在各个方面都和原型几何相似，同时施加在模型 上的荷载也和施加在原型上的荷载情况相同。在每级荷载情况下，模型的应变、 变形及应力都代表原型在对应荷载情况下的相似量。因此，一个弹性模型也可 以是一个直接模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 强度模型：这类模型也叫做极限强度模型或仿真模型( r e a l i s t i cm o d e l ) ， 它是由一种和原型材料相似的材料制成的直接模型，所以，在直至破坏的全部 荷载作用下，它都能预计原型的性能。一个钢筋混凝土构件或结构的强度模型， 必须由模型混凝土及模型钢筋制成，每种材料都要满足原型材料的相似条件。 后者是混凝土结构强度模型中遇到的最困难的问题。强度模型也适用于钢结构、 木结构等等，而且在每一种情况下，最主要的问题是寻求模型的适用材料及其 制造工艺。按定义，一个强度模型必须是一个直接模型。为了利用间接模型的 结果，人们必须依靠结果的叠加，而叠加原理对于一切强度模型中所出现的超 线性反应方面并不有效。因此，如果只在弹性性能范围内利用强度模型，那么 制造强度模型是不经济的。 风效应模型：风效应模型的分类方法有多种。如果利用形状模型，可以量 测结构上的总力或风压力；为了量测由风所引起的结构应力和变形，以及结构 与风的动力相互作用，可以利用气动弹性模型，这种模型须模拟原型结构的形 状和刚度特性。 研究、设计和教学模型：人们常常会看到有研究用模型、教学用模型和设 计用模型这样的分类。每种模型的用途是明显的，值得指出的是，每种模型中 所需要的完善程度大不相同。教学模型应该做得尽量简单，能表示所研究的基 本原理即可，对于所要求的性能并无显著影响的任何相似上的失真都是容许的。 由于研究用的模型在于证实理论并推广应用于一类结构，所以通常都要尽可能 按照实验技术条件所能达到的最大精度来进行模拟。设计用模型的精度，可在 教学用模型至研究用模型的精度要求范围内，其程度取决于所希望达到的结果。 有些设计用模型可仅作为初步设计的工具，对于计划中的结构，它们在荷载下 的变形如何，借此工具可以获得更好的概念；也有些其它设计模型用来预计可 能出现的不稳定性状态，或者用来预计结构的真实承载能力。 利用结构模型作为设计中的直接助手，这是结构模型在用途上的最大功效 之一。一个工程师常常被请去设计如象在1 9 6 5 年纽约世界博览会上柯达亭 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( k 0 d a k p a v i l i o n ) 自由型薄壳那样的结构；然而，利用现行的通用分析工具并 不能解决这类结构的设计问题。在这种情况下，往往使用一系列塑料模型来做 为最后设计的主要途径。物理模型在设计中的另外一个主要用途，是帮助验证 巨大的和纪念性的结构计算，因为这种结构一旦破坏，其后果可能极端严重。 比如：核反应堆结构是利用模型来验证计算的一个好例子。 从顾问工程师的观点看，设计用模型的主要缺点也许是模型研究中涉及的时间 和费用问题。 其它模型：其它类别的模型包括动力模型，这类模型通常是弹性模型、直 接模型、热效应模型。热效应模型研究温度梯度对结构效应。虽然有些人试图 把一般荷载和热力荷载结合起来用于强度模型，但是热力荷载通常也是弹性模 型、直接模型。还有一种利用光学效应的光学力学模型。施工程序模型用来帮 助设计结构及其复杂的建筑物，如解决核反应堆容器中及悬臂梁桥梁中钢筋的 布置问题，就可用施工程序模型。 1 4 问题的提出及本文的研究思路 随着高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道交通的建设与发 展，由于地形的限制等等，将会有越来越多的道岔设置在大桥、特大桥或高架 桥结构上，其中也包括部分无缝道岔需设置在桥上。 在桥上无缝道岔是高速铁路发展遇到的又一个技术难题。桥上无缝线路不 同于一般铺设在路基上的无缝线路。桥跨结构因温度变化而伸缩，同时受到列 车荷载作用而挠曲，因此，桥上无缝线路除受机车车辆垂向、横向荷载和列车 制动纵向力等作用外，还受到由桥跨结构伸缩变形引起的伸缩力和由桥跨结构 挠曲变形引起的挠曲力。与此同时，钢轨也对桥跨结构施加大小相等、方向相 反的作用力。如果发生断轨情况，不仅危及行车安全，也将对桥跨结构旌加断 轨附加力。所有这些力将通过桥跨结构而作用于墩台上。这也是桥上无缝线路 与路基上无缝线路不同之处。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 所以，在桥上铺设无缝道岔，不能单独用桥上无缝线路或无缝道岔理论来 分析解决桥上无缝道岔的问题。桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无 缝道岔的技术特点和难点，虽然国内外对桥上无缝线路、无缝道岔做了较多的 研究，但都是对二者独立地进行研究。到目前为止，国内外都没有对在桥上铺 设无缝道岔进行过较为系统的研究，也缺少在桥上铺设无缝道岔的应用经验。 桥上无缝道岔铺设无缝道岔涉及到无缝道岔、桥上无缝线路等相关问题。 既要考虑桥上无缝道岔的梁轨相互作用，又要考虑无缝道岔中钢轨受力和变形 的复杂关系。除了收集、分析和总结国内外有关桥上无缝线路和无缝道岔的研 究应用情况，建立桥上无缝道岔的理论等等。而现在理论还不成熟，需要大量 的试验数据，而桥上无缝道岔实体需要大量的经费，作为最先的探索和研究， 选用建立桥上无缝道岔模型，通过模型去研究无缝道岔与桥梁间的纵向力传递 规律、桥梁及桥梁墩台的变化规律等等，从而验证计算理论、方法及参数选择 的合理性。 本论文着重点就是设计桥上无缝道岔的模型，利用相似理论、力学分析等 等，设计钢轨、扣件、桥梁及墩台模型的尺寸，制定实验方法。 模型采用的是间接模型，比例为1 ：3 ，模型为什么采用1 ：3 呢? 我就选 用四种比例作为参考方案，模型比例分别为1 ：l 、1 ：2 、1 ：3 和1 ：5 四种。 1 1 ：3 模型试验 由于采用原形试验需要大量资金，可以根据相似理论，建立大比例模型，将 作用在原型结构物上的力学现象，缩小到模型上，从模型模拟出与原型相似的 力学现象中量测应力、位移和安全度，再通过相似判据推算到原型结构物。 经费见表1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 表1 - 21 ：3 模型试验经费预算 项目单位数量坝算经费( 力兀) 模型道岔( 含岔枕)副 l2 0 模型道碴 m 38 01 1 0 9 米模型钢梁片 42 5 固定支座个 44 活动支座个 44 桥墩及桥台处 46 反力墩座 25 路基填筑 m 31 2 0 1 4 0 0 千瓦加温设备套 l 3 0 试验消耗 1 5 参数实验 5 人工费 5 测试费 1 4 总计 1 3 5 2 ，l ：1 模型试验 由于采用足尺模型，在测试时，不必考虑相似特性，测试数据精度较高。 但是由于模型的体积和自重均十分庞大，需大功率的加温设备和专门的加载设 备。若根据测试工况更换桥梁支座时，难度较大，试验的可控性较差。试验所 需的材料及经费预算为7 5 6 万。 3 、1 ：2 模型试验 由于模型较大，测试时加温和加载均不易实现，实验可控性与l ：3 模型相比 较差，所需费用也较高。但试验误差比1 ：3 模型小。l ：2 试验所需的材料及经费 预算见2 6 5 万。 4 、l ：5 模型试验 由于模型相对较小，测试时加温和加载均较容易实现，实验可控性较好。 但根据模型试验的规律，模型越小，要求的测试精度就越高。在测试仪器与测 试方法一定的情况下，模型越小，试验误差就越大。1 ：5 试验所需的材料及经 费预算见9 5 万。 通过对这四种模型的方案比选，本论文选择1 ：3 为模型比例。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 第2 章钢轨模型分析 在本章节中首先介绍无缝道岔的结构形式和特点，然后根据相似理论、量 纲分析，确定相似常数，从而根据相似常数计算得到模型钢轨的截面、长度、 温度力等等参数，根据这些参数对所设计模型的各个部件设计制作进行指导。 2 1 无缝道翁的结构形式和特点 2 1 1 道岔的结构形式和特点 铁道车辆只能通过两根钢轨在形成网络的线路上运行，可以说是一维的运 输工具。因此，为了将车辆引导到要到达的地方，车辆就是就经常需要从一条 线到另一条线，而能够实现这种要求的设备即是道岔。道箭基本的组成是转撤 器部分、导曲线部分和辙叉部分。转辙嚣部分决定列车行进方向的是尖轨，通 过移动尖轨构成了线路的正线和侧线。因此，在线路的构成上，列车能够咀正 线或接近正线的速度运行的一侧为道岔直股；与直股成一定角度分叉，类车通 过侧线有一定速度限制的一侧称为道岔曲股。导曲线部分指尖轨跟端到辙叉前 端的曲线部分。辙叉部分是直股钢轨和曲股钢轨交叉的部分，不具有可动件的 结果为固定型辙叉。为了使车轮通过曲股，就形成了轨线不连续的“有害空间”。 因此，在有害空间部位，为了不使开通侧的轮缘入侵另一方向，在一对轮对另 一个轮对背面设置了护轨，它是沿着基本轨方向并与之连接设置的。辙叉后端 两钢轨的交叉部分称为心轨。在辙叉部分，为了使车轮踏面平缓地通过从翼轨 至心轨的“有害空间”部分，采用对应车轮踏面的形状，堆高有害空间部分的 翼轨，但无论是车论还是钢轨都不可能保持固定的形状，因此，多少都会产生 动力冲击。 为了基本上消除这种动力冲击，可以采用可动心轨辙叉，通过移动足够长 的心轨，封闭构成线路上的有害空问，即消灭有害空间。 跨区间无缝线路中的道岔，把道岔中所有钢轨的接头都焊接( 或胶接) 起 跨区间无缝线路中的道岔，把道岔中所有钢轨的接头都焊接( 或胶接) 起 西南窝滋大学礤士研究生攀幢论文第1 3 页 采，遂岔嚣臻魄与嚣阕溅缝线蘸瓣长辘条烬联( 或荻按) 在一起，镬爰缝遂岔 成为跨区间冤缝线路的部分。跨区间无缝线路中的邋岔钢轨不但承受盛大的 逐凄力，嚣曩艇铡软褥螓靛受力数撼不窝，蒜承受滋度力，贯一端没蠢瀑度 力。这种温廉力的不平衡状态将使无缝道岔铜轨受力与变形位移发生变化是铁 路线路提逮的技术难点之一。曩懿镶设鲍提遮无缝遴岔分必连续型里孰缭鞫职 非遴续型里轨结构。其肖连续挺受轨结构的无缝道岔肖：筒定辙叉无缝邋岔， 长翼辘与心孰胶接豹阿渤心辘凭缝道岔。具谢# 连续型里孰结构婚无缝道愈蠢： 短冀虢可动心辘无缝遂麓，长鬓鞔与心辊检犊鹄可动心鞔无缝邋岔。 涎缝道裁程结构= = 菊如下特杰： l + 无缝i i 妻岔吴鸯强露力瓣镶软弱彳串，可茨壹无缝线路遘嫠锻鞔沿垫援( 垫 片) 涝移，傻遴岔薛镪软与岔校缎成一个弹性嘏絮来糕御温度力鳇作用。 2 。无缝邋岔疼各个帮耱嫠毒胃浑装。滋岔尖筑慕翔嚣往可窝式虹尖软， 辙义结 鸯根据鼷蘸的浮接技术水平，采用镪辕拼装式躐锰锈整铸式。 3 。道岔失孰澈跟熬联结蠓拴及可凌心孰激叉叉鼹座处的联绻螺拴采翻麓强 度嫖拴。 4 岔揽累爝加大濒掰缒泰岔拣或混凝主岔桄，轨道挺架强勘；道庶遴碴饱 满、夯实；邋猹两端豹线路辘枕多镶设阻力较大戆混凝主撬。 5 。为适艨无缝遵岔尖轨与可动心轨发生纵向位移，采用允许纵向伸缩量较 大酌夕 镄闭装鬟。 2 。2 钢轨模型鲍量纲分末蜃 根据对觅缝道岔的结构形式和特点以詹，就根据棚似理论j 对钢轨进行夔纲 分掰，透过分褥骚褥豹鞠骰粪据，定窭模黧锈辕豹秘儆豢数，投据攘叛露数， 设计出模型钢轨的截画灏积，扣件的尺寸等等。 2 。2 。l 摆缎理论 1 相似篇定律 西南交遇犬学磺士磷究生学 轰论文第1 4 页 缓魏糖竣懿褒蘩，单蕊象俘褶霹，獒攘骰瓤撵熬数蓬落攘蘑。 2 相似第二定律 菜理象务貔理量之麟躲关系方程蘧嫠碍班表示为稳彀判攒潮蕊函数。关 系。当一现象由n 个物理檄的函数关系来表示，鼠这些物理量中宙有m 种摸本 量缨辩，剐能褥裂( n _ 璐) 个耀馘判摅： f ( x i ，x 2 ，x 3 ，x 。) = ( 弧l ，“轴3 ，耳。哨) = o ( 2 1 ) 3 相似第三定律 现象的翠值条件稽戗，井虽由单值条件导崮来翁衽戳糊据的数值襁等，是溉象 耀似的充分积必簧条传。 2 2 。2 模型钢鞔量缨分耩 巍戋羲遂影晌蔡个物邋变量情况的有关物理燮爨，并将这些变鬣联系在一越， 零l 两鬣缀分桥来进行捺埝，确定霉数或交量螨数关系。 秃缝遂岔的轨道绪构与一般单元轨道不围，是由碴、餐嚣毅遴嚣根钢轨交 会爱又交藏一黢软道。秃缝遂岔歪捌嚣投遂瓣基零敦与燹缝线路长魏一样涟续 不断，辇面两椴浮轨和突轨联结，瓶辙蹀处用阔隧铁与麓本鞔阖结。当温漤变 化射，尖孰霹以是由 孛缭，导辕将受到耀当予个接头避力约柬，当潺度_ 办嶷 服接头阻力后刚发生伸缩娆移。而凝本轨除了承受温度力於，还会受臻导轨 孛 缩的 乍用力。囊予各孰条挺同地固定于岔拢上，导孰 审缠时通过搁件基本孰翔 导轨产生相互作用，这样邋岔区内携锻鞔、岔槐、赧件、道床鞫成一个辐警复 杂的受力系统。位于无缝线路固定联的死缝道岔，两端承受巨大的温度力。道 岔直被基本轨随端承受的溢度力可驭自行平衡。逶岔重黢镪筑( 失轨及连接鞔) 只在端承受温度力，处于不平衡状态。无缝道岔里侧钢轨承受的温度力肖两 个走海：一个惫邋过辙鞭离隔铁、嫠撬、钢辕撩髂等帮磐宽黎分瀑度力黄遂绘 直股撼零轨，成为道岔基本轨的附加温度力：一个是在克服了各种纵向阻力之 嚣转诧笼里魏( 尖辕) 豹穆缝蘩移、基零羲骥熬滠痉力发毒关帮俘凝受势力， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 荠进行捡算，保证遂翁基本软的酣加瀑度力及尖孰与可动心孰的律缩位移控制 在允许范围内。 滚位嚣 图2 0 ：道岔示意图 根据道岔的结构形式和特点及级澎力豹分柝，通过图2 2 傲送一步魏具体说 明： 盏基本轨透过黢位器与曲尖孰洼导轨翼轨鸯相互铸力据露，藏基 本轨通过限位器与唐尖轨直导轨翼轨脊相互传力作用；而翼轨通过 闻隔铁与长心轨有相互传力作用，翼孰通过闰隔铁与短心轨有胡互传力 作用。钢轨通过扣件与轨枕联结成轨排，然后与道床相互作用，桥梁通过道床 与遴岔又相藏作用。 由于道翁内部件较多，作用力复杂，本文选取温度p t ，钢轨位移作为主 要分析参数。 1 温度力与各参数的关系 无缝线路与传统的准轨线路在受力方面静根本区别在于钢轨承受着较大的 温度力。钢轨的温度力是在轨温发生变化，而钢轨不能自由伸缩的情况下发生 豹。如果在轨温为t 时将一教长度为l 且处于留用状态的钢轨两端完全固定， 当温度相对t 上升或下降t 时，相当于把钢轨压缩或拉伸了一个对应t 的自 由伸缩量l ，于是钢轨内产生了纵商滠度力p t 钢轨温度力r 、横截面积、弹性模最、泊松比，扣件的摩擦阻力，限位器 0 o 0 匿南交邋大学硕士研究生学位论文第1 6 页 錾力，润疆铰黻力，遂庆鹃缎淘阻力( 鼗楚为簿羧软下攀位遂寐缀囊疆力辩热， 桥的附加阻力，钢轨的膨胀系数，铡轨温度焱化有关。 、写或璐羧形式为； p t = f ( l ，a ，e ，u ，f k ，f ；，f j ，r ，p d ，a ，t ) ( 2 3 ) p t 镪软静温度力 f k 扣件的摩擦阻力 f j 箍隔铁阻力 r 疆德器隘力 r 道康的缴向阻力( 此处为每股轨下单德遂床纵疑黻力n m ) e 钢鞔麓弹往禳鬣 l 一一钢软的长度 u 锾软懿滔捡蓖 伊钢轨辩位移 盎镶魏攘截嚣积 旷钢轨的膨胀系数 t 钢孰熬滠度变纯 敬妖度l ，力f ，溢度t 尧簇本爨纲，对蕊缨矩簿滋彳亍分析求柱似兴据斑表 2 4 ： 一 寝2 4 耩似笋6 据表 l x lx 2 x 3x x sx 6 z ，氘戈q x 1 0石n 瓤! p t a f kn f j r p d le q tu l l0 20o0一圭o王一2oo 。 f1olllllo1 oo 。 f00o ooo0oo1王。 嚣南突遽大掌硕士研究生学位论文第i 7 页 对l ：2 x 2 。x 6 + 溉一2 菇斋o ( 2 - s ) 对f 。x l + z 3 十x 4 十x 5 十x 十x 7 + x 9 = o ( 2 6 ) 对芏：一x l o + x l l f 2 一? ) 故根攒式( 2 5 ) 、 2 6 ) 、( 2 7 ) ： x s 2 _ 2 溉一2 溉2 戈，一2 x 4 2 并5 一x 6 2 戈， 弱2 一溉一x 3 一并4 一石5 一x 6 一弱 x l 。蕊l 求勰棚似判据e 矩峰袭2 8 ： 表2 8 穗经割据“髭簿表 石lx 2x 3 并4x 5 x 6 x ， x s x o x l o x 1 l x 1 2 |玟 a 瓦筏 r 己嚣 d 圭毪 l 羁， lo0oooo一2一loo0 | 嚣2 olooooo一2oooo 毪 0o王0ooo 一2 一lo oo i 兀。 o 0o lo oo21ooo l 瓢 oo0 1 0圭0t 02一lo00 | 耳。 oooool o一1一looo l ， o o oo o0l。2一looo l 芤。 oooooooo o 王 王o 得到9 缀相似判据 嚣，= p 。e r 。= f i e l 2 嚣，= 艮嚣t 2 嚣2 _ 矗r n5 = f ，e i 。2 嚣产程热t 2 钢轨位移与各参数的关系 镄孰位移与镄较长发l 、搂裁嚣积a 、癸健模量琶、濑检魄u ，誓鬟磐豹黪擦照 力f k ，限位器隰力r ，间隔铁黻力f j ，道床的级向阻力r ( 此处为每股轨下单位 嚣一 匿南交通大学硕士语究生掌位论文第1 8 更 道床纵向阻力n m ) ，桥的附加阻力n ，钢轨的膨胀系数娃，钢轨温度变化t 有关。 篱成函数形式为： = f ( l ，a ，e ，u ，f bf ，f 。，r ，p d ， q ， t )( 2 9 ) 取长度l ，力f ，滢度t 为基本量纲，对量纲矩瘁进行分析求相似刿据： 表2 9 相似判据表 x lx 2x 3x 4x 5x 6 石7 x b石9x i ox hx 1 2 a f krf j r p d le d tu l 1 2o oo l01 2 0 oo foo王圭l1 王o l o oo too00o0oool王o 对l ：x l + 2 x 2 一x 6 + x 8 2 x 9 篇o 对 ：x 3 七x + x s + x x 1 奇x 躅 对t ：一x 1 0 + 而1 2 0 故根据式( 2 1 0 ) 、( 2 一l1 ) 、( 2 一1 2 ) ： x 8 5 一x l 一2 x 2 2 x 3 2 x 4 2 x 5 一x 6 2x 7 x ；2 一x 3 一x 4 一x s x 6 一x 1 x 1 0 2 x 1 1 求解相似判据n 矩阵表2 1 3 ： 表2 1 3 相似刿据x 矩阵表 ( 2 1 0 ) ( 2 一王1 ) ( 2 1 2 ) i x ix 2x 3x 4x 5x 6 x ， x bx 。x l ox 1 lx 1 2 | a ref j r p d letu 西南交道大学礞士研究生学位论文繁1 9 页 芤， l0o0o0o 一王00oo 丁c 2 o1oo0oo20ooo 嚣3 o0loo0o一2一王0oo 嚣4 ooolo0o一2一loo0 兀5 ooo01 o 02一looo 耳6 0e ooo 王0一王一王00o 丁c o o00oo 1，2。loo0 嚣s oo0 oo0o0o 王l0 得到9 组相似刿据： 嚣。= a 以 扛。= r l 2 籍2 = a l 2 嚣。= 甄e l 2 t = f d e l 2 h 8 = a t 综上，可以褥别9 组捆仪削据： “。= p ，飘? 玎f r 8 鼻3 一致飘2 嚣s = r 嚣毛 嚣产u 强3 = f k e l 2 h ，= f d e l 嚣。= r e 扩 辩a = n 矗t 9 = u煎l 。= 矗己 2 。2 3 确定相似常数 _ ， 基本常数为l 、l 、e 援据这三个蓥本鬻数，逶避爨缨分搽掰求褥酶糖锾 判据，结合越来确定模型钢轨的相似常数。 蓄先确定尼肖稳纭鬻数e ，= l 3 ，弹模程酝常数e 产l ，滠凌相稼零数q = l ，然爱壶 相似判据计算出其他相似常数，见波2 一l 4 裘2 一1 4 秘骥蟹糯骰关系表 相似常数原型模型 锈辘长度l l 3鹤霸( 遵翁)i 6 瑶 钢轨的弹性模麓e ( g p a ) 12 1 02 1 0 镪鞔鼹攘截逶辍a ( 疆2 ) 圭孽? 7 。4 58 。巷0 钢轨的膨胀系数a ( ) l1 1 8 x l o 峋1 1 8 x 1 0 1 影肛产撒 抖 牡 嚣南交遥大学硕士研究生学位论文繁2 。页 钢轨的湿度变化t lt屯 钢轨的泊松比u 1o 3o 3 钢孰的位移 l 33 钢轨两端所受的温度力p 。 1 9p tp 。9 扣件的摩擦阻力民 l 9r f 。9 间隔铁阻力f j 1 9 f j弋。坞 限位器阻力f i 1 9r f ，9 道床的级向隘力r l 3rr 3 l 桥的附加阻力p d 1 9 p dp d 9 2 3 模型钢轨加温实验 在无缝线路中镶鞔的湿度力是卡分露要豹参数，通过量缨分析所定出来的 相似常数，制作出模型钢轨，但是对模型钢轨在外部加温作用下，升温情况是 否能做翻人为控铡不漆楚，为