（道路与铁道工程专业论文）桥上纵连板式轨道无缝道岔纵向力计算研究.pdf

原创性声明 l i l ll lii lli ii iii ii iiii y 1719 8 4 7 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 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 盘必日期 立翌l 年止月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 逖导师签名巡日期 盟年卫月丝日 摘要 桥上纵连板式轨道无缝道岔是高速铁路和客运专线快速发展过 程中出现的一种新型工程结构 综合了桥上纵连板式轨道无缝线路和 无缝道岔的技术特点和难点 涉及到比较复杂的桥梁和道岔的相互作 用关系 桥上纵连板式轨道无缝道岔的研究 可以搞清楚桥上无缝道 岔的受力和变形规律 用于指导桥上纵连板式轨道无缝道岔的设计 铺设和养护维修 目前国内关于这方面的研究刚刚起步 针对高速铁路桥上采用的纵连板式轨道的特点 本文基于有限单 元法建立了桥上纵连板式轨道无缝道岔纵向计算模型 对桥上无缝道 岔的纵向力进行了计算分析 主要包括简支梁 连续梁及刚构桥上纵 连板式轨道无缝道岔的温度力和位移变化规律 道床板 轨道板和底 座板 纵向伸缩刚度 滑动层摩擦系数 桥梁和道床板温度变化幅度 桥墩刚度 轨温变化幅度等因素对无缝道岔基本轨温度力 伸缩位移 以及对桥梁墩台力的影响 不同工况下桥上纵连板式轨道无缝道岔的 挠曲力和制动力的计算分析 计算结果表明 桥上铺设纵连板式轨道可以显著减小道岔和桥梁 之间的相互作用 桥上纵连板式轨道无缝道岔的伸缩力和位移的变化 不仅与梁体伸缩有关 还与道床板的伸缩有关 且桥梁和道床板的温 度变化对桥上道岔的影响较为显著 随着梁板温度变化幅度的升高 基本轨的附加温度力和伸缩位移增大 在岔后道床板分岔处 道床板 自身存在温度力突变 道床板的附加温度力迅速增加 应引起足够重 视 桥上纵连板式轨道无缝道岔挠曲力和制动力受桥跨布置影响明 显 相对于温度力作用而言 道岔的挠曲和制动产生的附加力和附加 位移较小 本文的研究成果对桥上纵连板式轨道无缝道岔的设计 施工和养 护具有指导意义 关键词 纵连板式轨道 桥上无缝道岔 有限单元法 纵向力 a b s t r a c t l d e dt u m o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g ei so n ek i n do f n e w e n g i n e e r i n gs t r u c t u r ew h i c ha p p e a r si nt h ef a s td e v e l o p i n gp r o c e s so f h i g h s p e e dr a i l r o a d a n dt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n s p e c i a ll i n e i t s y n t h e s i z e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f j f i c u l t i e so fl o n g i t u d i n a l f o r c ei nc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g ea n dw e l d e dt u r n o u t a n di t i n v o l v i n gm o r ec o m p l e xi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eb r i d g e sa n dw e l d e d t u m o u t s r e s e a r c h i n go nt h ew e l d e dt u r n o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko n b r i d g ec a nf i n do u tt h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o nl a wo fw e l d e dt u r n o u to n b r i d g e g u i d a n c et h ed e s i g n i n g l a y i n ga n dm a i n t e n a n c eo ft h ew e l d e d t u r n o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g e a tp r e s e n t d o m e s t i ch a sj u s t s t a r t e dt h er e s e a r c ho ft h i sa s p e c t f o rc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nh i g h s p e e dr a i l w a yb r i d g e t h i sp a p e r b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oe s t a b l i s hl o n g i t u d i n a lc o m p u t i n g m o d e lf o rw e l d e dt u m o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g e a n a l y z et h e l o n g i t u d i n a lf o r c eo fw e l d e dt u m o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g e m a i n l yi n c l u d e st h et e m p e r a t u r ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n tv a r i a t i o no f w e l d e dt u m o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko ns i m p l ys u p p o r t e db e a m s c o n t i n u o u sb e a m sa n dr i g i df l a m eb r i d g e a n a l y z el o n g i t u d i n a lt e l e s c o p i c s t i f f n e s so fb e ds l a b s l a ba n db a s ep l a t s l i d i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n to f f r i c t i o np l a t e b e a ma n db e ds l a bt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n p i e rs t i f f n e s s r a i l t e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n do t h e rf a c t o r se f f e c to nt u m o u tt e l e s c o p i c t e m p e r a t u r es t r e s s d i s p l a c e m e n t a n dp i e rs t r e t c h i n gf o r c e c a l c u l a t i o n a n da n a l y s i sf l e x u r a lf o r c ea n db r a k i n gf o r c eo fw e l d e dt u m o u to f c o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h el a y i n go fw e l d e dt u r n o u to f c o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g ec a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h et u r n o u ta n db r i d g e s t r e t c h i n gf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t c h a n g e o fw e l d e dt u m o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g ei sn o to n l yb e a r i n g o nt h eb e a ms t r e t c h i n g b u ta l s or e l a t e dt ot h eb e ds l a bs t r e t c h i n g b r i d g e a n db e ds l a bt e m p e r a t u r ec h a n g e si m p a c tt h ew e l d e dt u m o u to nb r i d g e m o r ev i s i b l e w i t ht h eb e a m s l a bt e m p e r a t u r er a n g ei n c r e a s e d t h eb a s i c t r a c ka d d i t i o n a lt e m p e r a t u r ei n c r e a s ei nf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t a f t e rt h e t u r n o u tb e ds l a bs e p a r a t e dw h e r et h e r ei ss e l f t e m p e r a t u r es t r e s sm u t a t i o n b e ds l a ba d d e dar a p i di n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ef o r c e s h o u l dp a ym o r e a t t e n t i o n t h ef l e x u r a lf o r c ea n db r a k i n gf o r c eo fw e l d e dt u r n o u tw h i c h u s e do nc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g ei so b v i o u s l yi m p a c t e db yb r i d g e s p a n sd e c o r a t e c o m p a r et ot h et e m p e r a t u r ef o r c et h ef l e x u r a lf o r c ea n d t h eb r a k i n gf o r c eo fw e l d e dt u r n o u tr e s u l t i n gs m a l l e ra d d i t i o n a lf o r c e s a n dd i s p l a c e m e n t t h e s er e s u l t sc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g n c o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c eo fw e l d e dt u r n o u to fc o n t i n u o u s s l a b t r a c ko nb r i d g e k e yw o r d s c o n t i n u o u s s l a b t r a c k w e l d e dt u m o u to fo nb r i d g e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d l o n g i t u d i n a lf o r c e i i 目录 摘要 i a b s t ra c t ii 目录 i v 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 无砟轨道结构发展现状 2 1 2 1 国外无砟轨道结构发展现状 2 1 2 2 国内无砟轨道结构发展现状 5 1 3 国内外无缝道岔研究现状 7 1 3 1 国外无缝道岔研究现状 8 1 3 2 国内无缝道岔研究现状 8 1 4 桥上无缝线路纵向附加力研究现状 1 2 1 4 1 国外桥上无缝线路纵向附加力研究现状 1 2 1 4 2 国内桥上无缝线路纵向附加力研究现状 1 3 1 4 3 桥上纵连板式轨道无缝线路纵向力研究现状 17 1 5 桥上无缝道岔研究现状 1 7 1 5 1 国外桥上无缝道岔研究现状 18 1 5 2 国内桥上无缝道佾研究现状 2 0 1 6 本文的研究意义和特色 2l 1 7 本文的研究内容与工作 2 3 第二章桥上纵连板式轨道无缝道岔结构特点及纵向力计算模型 2 4 2 1 纵连板式无砟轨道结构 2 4 2 1 1 结构组成 2 4 2 1 2 结构特点 2 6 2 2 无砟轨道无缝道岔结构 2 7 2 2 1 国外无砟轨道道岔结构 2 7 2 2 2 国内无砟轨道道岔结构 2 8 2 3 桥上纵连板式轨道无缝道俞的结构 3 0 2 3 1 纵连板式轨道在桥梁上铺设方案 3 0 2 3 2 桥上岔区纵连板式轨道系统技术特点 3 l 2 4 桥上纵连板式轨道无缝道贫计算模型 3 1 2 4 1 纵向相互作用机理 3 1 2 4 2 纵向力计算模型 3 2 2 4 3 有限元计算原理及实现方法 3 4 2 5 计算参数选取 3 7 2 5 1 基本计算参数选取 3 7 2 5 2 底座板与桥梁以及道床板与路基 摩擦板 间的线路纵向阻力 4 0 第三章简支梁桥上纵连板式轨道无缝道岔温度力分析 4 2 3 1 道床板伸缩刚度影响分析 4 3 3 1 1 计算工况 4 3 i v 3 1 2 计算结果 4 5 3 1 3 结果分析 4 6 3 2 滑动层摩擦系数影响分析 4 7 3 2 1 计算工况 4 7 3 2 2 计算结果 4 8 3 2 3 结果分析 5 0 3 3 桥梁和道床板温度变化影响分析 5 0 3 3 1 计算工况 5 0 3 3 2 计算结果 5 l 3 3 3 结果分析 5 2 3 4 桥墩刚度的影响分析 5 3 3 4 1 计算工况 5 3 3 4 2 计算结果 5 3 3 4 3 结果分析 5 6 3 5 钢轨温度变化影响分析 5 6 3 5 1 计算工况 5 6 3 5 2 计算结果 5 7 3 5 3 结果分析 5 8 3 6 小结 5 8 第四章连续梁桥上纵连板式轨道无缝道岔温度力分析 6 0 4 1 不同梁跨布置的连续梁影响分析 6 0 4 1 1 计算工况 6 0 4 1 2 计算结果 6 l 4 1 3 结果分析 6 2 4 2 桥墩刚度的影响分析 6 3 4 2 1 计算工况 6 3 4 2 2 计算结果 6 3 4 2 3 结果分析 6 6 4 3 卅 结 6 6 第五章刚构桥上纵连板式轨道无缝道岔温度力分析 6 8 5 1 梁板固结方案影响分析 6 9 5 1 1 计算工况 6 9 5 1 2 计算结果 7 0 5 1 3 结果分析 7l 5 2 桥墩刚度的影响分析 7 2 5 2 1 计算工况 7 2 5 2 2 计算结果 7 2 5 2 3 结果分析 一7 5 5 3 小结 7 6 第六章桥上纵连板式轨道无缝道岔挠曲力和制动力的计算分析 7 7 6 1 挠曲力计算分析 一7 7 6 1 1 计算工况 7 7 6 1 2 计算结果 一7 9 6 1 3 结果分析 8l v 6 2 制动力的计算分析 8 l 6 2 1 计算工况 8 1 6 2 2 计算结果 8 3 6 2 3 结果分析 8 5 6 3 小结 8 5 第七章结论及展望 8 6 7 1 本文主要研究工作与结论 8 6 7 2 未来工作与展望 8 7 参考文献 8 9 致谢 9 4 攻读学位期间的主要研究成果 9 5 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 道岔是机车从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备 是铁 路轨道的重要组成部分 由于道岔具有数量多 构造复杂 使用寿命短 限制列 车速度 行车安全低 养护维修投入大等特点 是线路上的薄弱环节 直接关系 到铁路运输的效率和行车安全 其功能是承受 传递由铁道车辆运行引起的各种 荷载和引导车辆由一股轨线顺利进入另一股轨线 l l 跨区间无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志 也是高速和重载轨道结 构的优先选择 更是适应铁路客运高速化 货运重载化要求而诞生的必然产物 它以无可争议的优越性为各国所承认 各国铁路竞相发展跨区间无缝线路 跨区 间无缝线路的大量铺设极大地推动了无缝道岔的发展 目前 无缝道岔已为世界 上许多国家所采用 德国铁路将区间无缝线路长轨条与站内无缝道岔直接焊接 构成跨区间无缝线路后 其中无缝道岔有十余万组 为了适应高速重载铁路运输 的发展 我国铁路自1 9 9 3 年开始先后在京山 京广 大秦线上铺设了4 处轨节 长2 0 k m 的跨区间无缝线路 同时开始了无缝道岔的铺设 1 9 9 6 年 我国铁路各 主要干线开始全面提速 进一步推动了跨区间无缝线路和无缝道俞的发展1 2 作为发展跨区间无缝线路关键技术之一的无缝道岔 因其与两端的无缝线路 实施焊接或胶接 当温度变化时 道岔前后两端温度力处于不平衡状态 钢轨会 产生附加温度力 并导致有关部件产生附加纵向位移 而过量的钢轨附加力及变 形容易破坏无缝道岔的几何平顺性 并导致其结构部件的破损 从而降低旅客乘 车的舒适性 甚至直接威胁列车运行的安全 因此 进行铁路无缝道龠结构体系 分析方法的研究在铁路轨道工程中具有重要的理论意义和实用价值 无缝道岔在 温度效应作用下的受力与变形的机制较为复杂 是进行无缝道岔设计 铺设与维 护管理的理论基础和主要难点 也是发展高速重载铁路和实现铁路不断提速的技 术难点之一 因此 进行铁路无缝道岔温度附加力与位移分析的研究在铁路轨道 工程和我国客运专线及高速铁路建设中具有重要的理论意义和工程实用价值 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和发展 由于环保要求和地形的限制 出现了无缝道岔全部或部分设置在大桥 特大桥和 高架桥上 过去在城市轨道的高架线路上 若出现这种情况 一般在无缝道俞的 前后设置伸缩调节器或采用有缝普通道岔 但对于客运专线或高速铁路 桥上铺 设普通有缝道岔难以满足高速行车的要求 在桥上铺设无缝道岔 综合了桥上无 缝线路 无缝道岔以及无砟轨道的技术特点和难点 涉及到比较复杂的桥梁与道 岔的相互关系 虽然国内外都对桥上无缝线路 无缝道岔及无砟轨道做了较多的 研究 但都是对三者相互独立的研究 而对桥上无缝道岔的系统研究很少 所以 还没有可用的计算理论与相应的设计方法 尤其是对于我国当下铺设较多的纵连 板式轨道桥上无缝道岔的研究更是非常少 因此 桥上纵连板式轨道铺设无缝道岔是无缝道岔发展史上遇到的又一个重 大技术难题 不能单独用桥上无缝线路或无缝道岔的理论来分析解决 桥上纵连 板式轨道无缝道俞的研究 可以搞清楚桥上纵连板式轨道无缝道岔的受力和变形 规律 完善全桥底座纵连式岔区无砟轨道及桥梁的设计方法 用于指导桥上纵连 板式轨道无缝道岔的设计 铺设及养护维修 对我国客运专线无缝线路的发展有 着重大意义 1 2 无砟轨道结构发展现状 1 2 1 国外无砟轨道结构发展现状 总体来说 无砟轨道的发展和运用已有4 0 多年历史 各国都根据自己的技 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 即同本的柔性充填层板式 无砟轨道结构和德国整体式无砟轨道结构 这两大技术体系基本发展成熟 标志 着其结构型式的统一 l 日本无砟轨道 早在2 0 世纪6 0 年代中期 日本就开始了无砟轨道的试验与研究 其中 无 砟轨道在高速铁路上的应用始于1 9 7 1 年日本山阳新干线 其后在日本获得迅速 发展 并得到广泛应用 2 0 世纪8 0 年代以来修建的新干线 无砟轨道比例都在 8 5 以上 日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型 框架型轨道板 适用于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用的防振g 型轨道板等 构 成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列 其中带有凸形挡台的a 型板式轨 道作为标准型式在国内推广应用 日本的板式轨道由轨道板 水泥沥青砂浆 c a 砂浆 和混凝土基础三大部分组成 如图卜l 所示 钢轨铺设在轨道板上 下面 为混凝土底座 中间灌注c a 砂浆作为轨道板的弹性垫层 并对轨道板进行一定 程度上的调整 混凝土基础上每间隔一定距离布置凸型挡台 以承受轨道的纵 横向力 a 型轨道板的长度通常为5 0 0 m 宽度为2 3 4 m 厚度1 9 0 m m c a 砂 浆厚度4 0 m m 日本铁路广泛铺设板式轨道 截至1 9 9 7 年底已铺设了2 4 0 0 k m 2 主要用于桥梁和隧道地段 a 普通a 型板式轨道结构 b a f 框架型板式轨道 图1 1 板式轨道结构型式 钢筋混凝土 预应力混凝土轨i g c e t 2 德国无砟轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一 与其他国家不同的是 德国铁路 首先在车站试铺无砟轨道 接着解决了土质路基铺设无砟轨道的技术问题 然 后逐步推广到隧道和桥梁上 从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利的条件 德铁 高校研究所以及工业界自2 0 世纪7 0 年代起就一直进行无砟轨道的研究 目前正式批准的无砟轨道结构形式有6 种 包括r h e d a 型 b o g l z f l b l i n a t d g e t r a c b e r l i n 型 最近开发的r h e d a 2 0 0 0 型轨道 图1 2 已投入商业应 用 如应用在纽伦堡一英戈尔施塔特 荷兰 我国台湾高速铁路的道岔区上f 同时 我国武广客运专线也引进 消化 吸收了r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道部分相关 技术 图卜2r h e d a 一2 0 0 0 型无砟轨道结构 博格板式无砟轨道 图卜3 是德铁应用的另一种轨道结构形式 它的前身是 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 博格板式无 砟轨道已获得了德国联邦铁路管理局颁发的许可证 可用于3 0 0 k m h 的高速铁 路 目前已在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设 于2 0 0 6 年开通 运营 博格板式无砟轨道在我国京津城际客运专线取得巨大成功 目前在我国 开始推广使用 图1 3 博格板式无砟轨道单元板结构图 z t l b l i n 型无砟轨道是德国高铁轨道结构的又一重要形式 其结构组成与 r h e d a 型无砟轨道相同 图l 一4 只是在设计理念与施工方法上存在很大差异 我国郑西客运专线引进 消化 吸收了z u b l i n 型无砟轨道的部分相关技术 磷求爱 图1 4zt ib li n 型无砟轨道 桥隧比例大已经是高速线路的普遍特点 为了解决大跨度桥梁上铺设无砟轨 道的难题 德国博格公司开发了桥上纵连板式无砟轨道 图卜5 纵连板 式无砟轨道的施工工艺流程如下 1 桥面保护层施工 并精细整平 2 在保 护层面粘贴滑动层下层土工布 3 铺设聚乙烯滑动薄膜 4 在滑动薄膜上 表面铺设滑动层上层土工布 与后浇的整体板下底座粘合 5 在梁端铺设发 泡塑料板 用以补偿墩 台不均匀沉降变形等引起的梁端转角造成的梁缝处的轨 道局部隆起或折断以及梁缝两侧的钢轨支点产生的钢轨上抬或下压 6 板下 底座施工 7 b s g l 轨道板起吊安装 8 c a 砂浆灌注 同时 我们还注意 到纵连板式无砟轨道的一些特色 第一 底座板在一定位置与梁体固结 第二 桥外设置一定长度的滑动层 底座延伸至滑动层末端 第三 在底座板末端设置 端刺 第四 为了增强底座板的稳定性 设置一定数量的倒l 型挡块 增强纵连 板式无砟轨道的横向抗失稳能力 第五 在底座板与梁体固结部位 可能存在着 轨道板的现浇施工 4 图卜5 桥上纵连板式无砟轨道 3 英国无砟轨道 英国无砟轨道的主要代表类型有两种gl 厂t 型和p a c t 型 l v t 型无砟轨 道是在双块式轨枕 或两个独立支承块 的下部及周围设橡胶套靴 在轨枕块 底与套靴间设橡胶弹性垫层 而在双块式轨枕周围及底下灌注混凝土而成型 为减振型轨道 其最初由r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发 瑞士国铁于1 9 6 6 年在 隧道内首次试铺 1 9 9 3 年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设了独立 支承块式l 订型无砟轨道 目前l v t 型轨道的铺设总长度约3 6 0 k m p a c t 型 无砟轨道为就地灌筑的混凝土道床 钢轨直接与道床相连接 轨底与混凝土道 床之间设连续带状橡胶垫板 钢轨为连续支承 英国自1 9 6 9 年开始研究和试铺 到1 9 7 3 年正式推广 并在西班牙 南非 加拿大和荷兰等国家重载和高速线的 桥 隧结构上应用 铺设总长度约8 0k m 4 世界其它国家无砟轨道 奥地利联邦铁路铺设了2 5 k m 的o b b p o r t 轨道系统 其结构近似于z t l b l i n 型 主要用于高架桥梁和隧道 意大利的无砟轨道类型基本上等同于日本的板 式轨道 荷兰的e r c 嵌入式轨道结构近似于英国的p a c t 型轨道结构 韩国的 汉城一釜山高速线建设中采用的无砟轨道设计与日本的新干线类似 此外还有一 些主要用于隧道和地铁的无砟轨道结构如德国的s t e d e f 系统 瑞士的w a l o 系 统 e d i l o n 6 系统等 法国高铁一直以发展有砟轨道为主 但在新建的地中海线 选择隧道里铺设了4 8k m 双块式无砟轨道 进行试验 还准备在东部高速线 4 0 5 0k m 的一个区间修建无砟轨道 1 2 2 国内无砟轨道结构发展现状 2 0 世纪6 0 年代我国开始无砟轨道的研究 与国外的研究几乎同步 初期曾 试铺过支承块式 短枕式 整体灌注式及沥青道床等 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 k i n 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 0k m 但并未正式推广使用 2 0 世纪9 0 年代末 在完成长枕埋入式 弹性支承块式和板式三种无砟轨道 特性研究及其设计参数确定的基础上 选定秦沈客运专线3 座高架桥作为无砟轨 道的试铺段 其中 沙河特大桥 铺轨1 3 8 4 m 铺设了长枕埋入式无砟轨道 狗河特大桥 铺轨1 4 8 2 m 直线 和双何特大桥 铺轨1 4 8 0 m 曲线 上试铺 了板式轨道 综合试验结果表明 两种无砟轨道结构形式在结构受力 变形和 振动方面都达到了设计要求 随后 在西康线秦岭隧道 铺轨3 7 k m 兰新线鸟鞘岭隧道 铺轨4 0 3 6 8 k m 和宜万线隧道内都设计铺设了弹性支承块式无砟轨道 在渝怀线鱼嘴2 号隧道 铺 轨1 4 3 8 m 铺设了长枕埋入式无砟轨道 在赣龙线枫树排隧道 铺轨1 4 2 0 m 铺设 了板式无砟轨道 紧接着 吸取长枕埋入式无砟轨道结构铺设经验与教训 铁道科学研究院在 铁道部高速办的指导下 提出了双块式无砟轨道 简称为t b s 型 结构方案 并 进行了相关的试验室试验 2 0 0 4 年 遂渝线无砟轨道综合试验段成功建设 j 兀 通过遂渝线综合试验段的 实际试铺 系统地研究解决了不同类型无砟轨道结构 岔区无砟轨道 过渡段 结构承载能力及耐久性 路基结构形式 桥梁和路基变形对无砟轨道的影响 减 振降噪措施 无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术 为创建具有我国自主知 识产权的 有中国特色的无砟轨道起到了非常重要的作用 我国通过对国外先进无砟轨道的技术引进 消化 吸收和再创新研究 已基本 形成了适用与我国国情和路情的无砟轨道的结构体系 目前我国对无砟轨道结构类型主要划分为以下几种 c r t si 型板式无砟轨道 即再创新的单元板式无砟轨道 c r t si i 型板式无砟轨道 即再创新的纵连板式 无砟轨道 c r t si 型双块式无砟轨道 即再创新采用轨排架法施工的双块式无砟 轨道 c r t si i 型双块式无砟轨道 即再创新采用大型机械 轨枕采用振入法施工 的双块式无砟轨道 弹性支承块式无砟轨道 l c r t si 型板式无砟轨道 c r t si 型板式无砟轨道即单元板式无砟轨道 我国单元板式无砟轨道最初在秦 沈客运专线上铺设 之后在遂渝线无砟轨道综合试验段上进行铺设 而后在引进 消化 吸收国外先进单元板式无砟轨道的设计基础进行再创新研究 通过对材料 结构设计 计算理论与方法等再创新研究 目前已经基本形成适应我国国情 路情 6 的无砟轨道结构型式 目前我国已经根据武汉综合试验段上单元板式无砟轨道结构 的设计和应用经验 颁布了 c r t si 型板式无砟轨道时速2 0 0 2 5 0 公里铁路通用 参考图 兼顾货运 和 c r t si 型板式无砟轨道时速3 0 0 3 5 0 公里铁路通用参考 图 2 c r t si i 型板式无砟轨道 c r t si i 型板式无砟轨道即纵连板式无砟轨道结构 我国2 0 0 5 年系统引进了博 格轨道测量 设计 制造 施工工艺和工装以及材料标准等成套技术 在京津城际 轨道交通工程中实施 并在铁道部无砟轨道再创新攻关组的统一指导下 在2 0 0 6 年底开始对纵连板式无砟轨道进行技术再创新研究 目前阶段性研究成果已应用于 武汉综合试验段的纵连板式无砟轨道结构设计 在建的京沪高速铁路也确定采用此 结构的无砟轨道 3 c r t si 型双块式无砟轨道 c r t si 型双块式无砟轨道即轨排架法施工的双块式无砟轨道结构 我国双块式 无砟轨道在遂渝线无砟轨道综合试验段进行了铺设 同时引进德国雷达2 0 0 0 型双块 式无砟轨道的设计进行消化和吸收 在2 0 0 6 年底开始对双块式无砟轨道进行技术再 创新研究 目前阶段性研究成果已应用于武汉综合试验段的双块式无砟轨道结构设 计 目前根据武汉综合试验段的双块式无砟轨道结构设计和双块式无砟轨道再创新 研究 已经颁布了 c r t si 型双块式无砟轨道时速2 0 0 2 5 0 公里隧道地段铁路通 用参考图 兼顾货运 4 c r t si i 型双块式无砟轨道 c r t si i 型双块式无砟轨道即采用大型机械 轨枕采用振入法施工的双块式无 砟轨道结构 我国双块式无砟轨道在遂渝线无砟轨道综合试验段进行了铺设 同时 引进德国旭普林型双块式无砟轨道的设计进行消化和吸收 目前郑西客运专线无砟 轨道结构采用该种类型的结构设计 5 弹性支承块式无砟轨道 弹性支承块式无砟轨道是在双块式轨枕 或两个独立支承块 的下部及周围 设橡胶套靴 在块底与套靴间设橡胶弹性垫层 而在双块式轨枕周围及下部灌注 混凝土面成型 为减振型轨道 我国在早期隧道内及城市轨道交通中较多的采用 了该种结构型式 1 3 国内外无缝道岔研究现状 无缝道岔是跨区间无缝线路的技术难点之一 当无缝道岔内所有的钢轨接头 都被焊接或胶接起来 并与道岔两端无缝线路长轨条焊在 起时 随着钢轨温度 的升降 无缝道岔两端所承受的温度力不平衡 部分纵向力通过有关部件在无缝 7 道岔各钢轨间传递 致使部分钢轨发生伸缩变形 同时另一部分钢轨承受额外的 纵向力作用 为了使无缝道岔里侧钢轨的伸缩位移 外侧钢轨的附加温度力 传 力部件的受力均在容许范围内 确保无缝道岔的正常使用 必须发展无缝道岔计 算理论 国外如德国 法国 日本均铺设有无缝道岔 并提出了一些无缝道岔计算理 论 建议了无缝道岔附加温度力设计值 国内从1 9 9 3 年开始试铺跨区间无缝线 路 提出了一些简单的无缝道岔计算理论 如固定辙叉无缝道岔的二次松弛法 可动心轨道岔的隔离体法 随着提速道岔的广泛应用 建立了量阻力参数法 基 于两轨相互作用原理的线性与非线性阻力法 基于有限元法的非线性阻力法 广 义变分法等无缝道岔计算理论 这些理论各有其缺点 至今还未形成统一实用的 计算方法供设计部门使用 1 3 1 国外无缝道岔研究现状 德国于1 9 5 0 年开始尝试将道岔与无缝线路焊接在一起 并于1 9 8 2 年表了有 关无缝道岔理论计算方面的论文 提出基本轨温度力峰值约为固定温度力的 1 2 2 倍 1 而法国在无缝道岔设计中该值采用1 4 t 9 1 九十年代 欧洲铁路 联盟基于有限单元法建立了较完善的无缝道岔计算理论f i o l 日本于1 9 8 0 年开始 研究用1 6 c r 1 6 m n 焊条的强制成型电弧焊接锰钢叉与普通钢轨 并在1 9 8 5 1 9 8 6 年 改进了压屈试验装置 将两端固定总为6 0 m 的道岔轨道通过电流加热进行试 验 测出了道岔与无缝线路焊接成体时所产生的纵向力分布 日本基于两轨相互 作用原理进行计算 认为尖跟端温度力峰值为固定区温度力的1 3 5 倍 l l 1 3 2 国内无缝道岔研究现状 1 固定辙叉单开道岔的二次松弛法 1 9 9 4 年 许实儒提出了固定辙叉单开道岔的二次松弛法 采用结构力学解 超静定结构的松弛原理 1 2 1 首先将各节点锁住 不允许各节点产生位移 求出 此时各节点的温度力 然后将各节点约束放松 第一次松弛 这时由于节点左右 受力不平衡必然要产生位移 随着节点位移的发展 道床纵向阻力将发挥作用 按此条件即可求得节点位移和各钢轨内的温度力 然后再将尖轨跟部与基本轨间 的约束去掉 第二次松弛 这时尖轨将产生相对于基本轨的位移 并引起各轨条 内力的重分布 从而可求得最终的分析结果 该方法的计算原理清楚 过程简单 便于掌握 第一次松弛过程中理论推导较严谨 因而适应用于尖轨跟端与基本轨 完全锁定的固定型无缝道岔 该方法还考虑了侧股为普通线路的情况 考虑了道 床纵向阻力在各钢轨上的分配 该方法的不足之处在于 1 将道床纵向阻力视为常值 未考虑随岔枕长度变 化而不均匀分布这一特点 且在里外轨上的分配与实际情况可能有较大偏差 综 合来看 道床纵向阻力取值过于简单化 2 在轨温变化幅度不大的情况下 道岔 侧股的温度力分布可能会出现伸缩区长度较短的情况 在不同的轨温变化幅度 时 里轨与基本轨间的传力作用范围可能不会只限定在辙跟与固定辙叉之间 3 在第二次松弛过程中 直接将里轨减少的温度力叠加在基本轨上 不符合基本轨 拉压面积相等这一条件 因而会出现与实际情况不一致的温度力分布 应考虑在 里轨通过岔枕及扣件向基本轨传力过程中基本轨伸缩位移的变化 4 在第二次松 弛过程中 里轨在辙跟处温度力降为零 而在固定辙叉处温度力保持不变 与实 际情况有较大偏差 事实上在第二松弛过程中 里轨末端即在固定辙叉处温度力 也将有所降低 改变了节点的受力平衡 每根岔枕上所能传递的最大温度力为扣 件极限阻力 5 用于可动心轨无缝道岔计算时 虽然也可采用二次松弛法 但仍 然存在上述不足之处 对道岔群 岔后线路爬行等情况采用二次松弛法进行计算 时 轨端力与位移的关系较复杂 已无法采用试算法求解 需建立平衡方程组计 算 采用二次松弛法不易确定辙跟间隔铁或限位器的受力情况 2 当量阻力系数法 1 9 9 3 年 范俊杰提出了无缝道岔当量阻力系数法 l 该方法是先计算无缝 道岔里轨的伸缩位移 其基本计算思路是里轨两端承受的温度力不同 其中部分 温度力将通过道岔部件传递给基本轨 另一部分则在克服了各种阻力之后 转化 为里轨的伸缩位移 然后基于非线性分析和力图叠加原理 计算基本轨的附加温 度力 当量阻力系数法计算思路和计算方法清晰 简化 抓住了无缝道岔受力 传力及变形的主要特征 引入当量阻力概念表征各种影响因素 可采用无缝线路 的基本原理进行计算 分别计算里轨及基本轨的温度力 变形 两钢轨间作用力 传递机理明显 易于理解 计算较简单 对道床 扣件 限位器 间隔铁阻力特 性及计算参数等进行了较多的研究 提出了扣件推移阻力 传力部件阻力的双重 特性等 对弄清无缝道岔的受力及变形规律十分有益 考虑了全焊与半焊 不同 的道岔辙跟及辙叉结构型式 两道岔对接与单组道岔 不同的升温幅度及不同的 阻力情况等对无缝道岔受力及变形规律的影响 该理论曾指导过多组无缝道岔的 铺设 为更为完善的无缝道岔计算理论的建立提供了有益的参考 该方法的不足之处在于 1 里轨通过岔枕弯曲所传递的作用力偏大 2 计算 模型中对限位器和间隔铁的模拟与实际情况有一定偏差 3 由于道床阻力的塑性 特性 力图叠加法原理并非在任何情况下均适用 4 半焊情况下 里轨传递给基 本轨的作用力计算过于简化 5 道岔前后区间线路阻力与道甜区不同时 温度力 9 及位移计算应有所不同 3 基于非线性阻力的两轨相互作用法 1 9 9 5 年 卢耀荣提出了基于非线性阻力的两轨相互作用法1 1 4 15 1 该方法根 据里轨与基本轨力的平衡关系 位移条件以及两轨相互作用关系建立无缝道岔纵 向力计算模型 模型中不考虑尖轨对整个道俞区钢轨纵向力分布的影响 由于道 岔辙叉角较小 认为里轨与长轨条平行 在假设前提下 整个道岔区为一对称结 构 在全焊情况下可按半个道岔区结构进行计算 计算基本轨的纵向力 暂不考 虑其内在温度力 待计算得结果再与温度力叠加 里轨伸缩对岔枕施加纵向力 基本轨及其联结件对岔枕线性约束作用 岔枕产生微量弯曲 忽略了扣件阻矩的 影响 里轨 长轨和基本轨的扣件及轨枕在道床中的纵向阻力为位移的非线性函 数 在计算模型上以约束弹簧表示 该模型考虑了基本轨与里轨间的两轨相互作 用 抓住了无缝道岔受力温度力传递的主要特点 并采用与桥上无缝线路中梁轨 相互作用的类似计算原理 进行无缝道岔受力与变形计算 易于理解 在计算中 采用非线性阻力比采用常阻力更符合实际情况 且基本轨与里轨可以采用不同的 线路阻力进行计算 可指导现场对无缝道岔中不同部位加强捣固 考虑了辙叉部 位线路阻力与其它钢轨下线路阻力不同 考虑了比较全面的计算工况 对线路阻 力限位器 间隔铁阻力特性及计算参数等进行了较多的研究 对弄清无缝道的受 力及变形规律十分有益 该理论也曾指导过多组无缝道岔的铺设 为完善的无缝 道岔计算理论的建立提供了有益的参考 该方法不足之处在于 1 计算模型中关于线路阻力的含义不明确 即线路阻 力中是否包含有扣件极限阻力等 同时其测量较困难 2 线路阻力中考虑随岔枕 长度的变化 基本轨及里轨下线路阻力的取值与实际情况可能偏差 3 计算模型 中线路阻力采用二次代数式 未考虑大位移的影响 4 间隔铁及限位器阻力与实 际情况可能有偏差 5 当计算复杂的道岔群或复杂的边界条件 道岔爬行或区间 线路与道岔温度不一致 时 很难用该方法进行计算 4 基于线性阻力的两轨相互作用法 1 9 9 7 年 蔡成标等提出的线性阻力的两轨相互作法 1 采用了与非线性 阻力两轨相互作用法相似的假设 只是在模型的道床阻力采用线性阻力 将限位 器 间隔铁的阻力取为常量 使计算大简化 同时在计算基本轨温度力时 考虑 了基本轨附加力拉压面积相等这条件 该方法的不足之处在于 1 以岔枕弯曲刚度值计算两轨相互作用力 考虑扣 件极限阻力 导致里轨向基本轨传递的作用力增大 因而计算所得基本轨附加力 偏大 而里轨伸缩位移偏小 2 将辙跟间隔铁及翼轨末端间隔阻力视为常值 与 实际间隔铁阻力有偏差 特别是在轨温变化幅度不大的情况下 实际间隔铁阻力 1 0 值可能较计算中取值小得多 因而计算结果偏差更大 3 辙跟若为限位器结构 其阻力刚度并非无穷大 其子母块可发生一定的相对位移及变形 4 采用线性阻 力进行计算 其结果与实际有一定偏差 5 当计算复杂的道岔群或有复杂的边界 条件时 很难用该方法进行计算 5 广义变分法 2 0 0 2 年 陈秀方提出了广义变分法 1 睨1 1 该方法假设无缝道俞结构体系的 总能量由四部分组成 轨枕弯曲形变位能 基本轨及里轨的轴力作用应变能 道 床阻力耗散功和扣件阻力耗散功 根据结构分析的能量变分原理 为了求解能量 变分问题 基于试验结果 拟定钢轨纵向力的形函数 又根据其位移和纵向力的 微分关系可得到钢轨的位移函数 并在钢轨纵向位移函数的基础上 列出能量表 达式及结构的边界条件与变形协调条件 由广义变分原理 可得n 个非线性平衡 方程组 采用m o n i e c a r l o 法可求出1 1 个未知量的解答 广义变分法是一种通用 性很强的计算方法 可用于分析可动心轨道岔 固定辙叉道岔 道岔全焊与半焊 道俞群的受力与变形 只需要假定出不同的温度力及位移函数形式即可 本方法 曾指导过京秦线等无缝道岔的铺设及养护维修 广义变分法的不足之处在于 1 钢轨 岔枕及扣件三者的受力变形关系 因 受钢轨温度力及变形曲线的假设限制 而不能形成一个平衡体系 2 计算可动心 轨道岔时 该方法采用的是将限位器及间隔铁的位移协调方程合并考虑 与实际 情况有一定出入 6 有限元法 2 0 0 1 年 王平提出了无缝道岔计算的有限元法 2 2 2 3 该方法利用有限元理 论 根据道岔的实际结构 将钢轨 轨枕按支撑方式划分单元 将道床阻力 扣 件阻力 限位器 间隔铁按非线性阻力考虑 根据节点力和位移的平衡条件 建 立非线性方程组 利用荷载增量法结合牛顿迭代法