有砟轨道-道路与铁道工程（医学研究）

1、第三章 有砟轨道,道路与铁道工程 王鹤,1,医药材料,目录 第一节 有砟轨道的结构形式和组成 第二节 扣件 第三节 轨枕 第四节 道床 第五节 其他轨道部件 第六节 特殊地段的轨道过渡段,2,医药材料,第一节 有砟轨道结构形式和组成,铁路发展至今传统的有砟轨道结构仍然是当前普速铁路的主要结构形式 城市轨道交通的地面线也大多采用有砟轨道，以便路基下沉时能方便调整轨面高程,3,医药材料,第二节 扣件,扣件是连接钢轨和轨枕的中间连接零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动 对扣件的要求 足够的强度 耐久性 一定的弹性 扣件系统零件少 安装简单 便于拆卸,4,医药材料

2、,木枕扣件（混合式 分开式） 混合式扣件零件有道钉和五孔双肩铁垫板。它除用道钉将钢轨、垫板和木枕一起扣紧外，还另用道钉将垫板与木枕单独扣紧。 分开式扣件是将钢轨和垫板、垫板和木枕分别联结起来。它是用4个螺纹道钉联结垫板与木枕，两个底脚螺栓扣压钢轨与垫板，其道钉和底脚螺栓构成“K”型，故又称“K”式扣件,5,医药材料,6,医药材料,混凝土轨枕扣件 性能要求： 足够的扣压力 适当的弹性 具有一定的轨距和水平调整量 绝缘性能 我国混凝土枕扣件，在初期主要使用扣板式和拱形弹片式两种。拱形弹片式扣件由于拱形弹片强度低，扣压力小，易引起变形甚至折断，在主要干线上已被淘汰。目前使用的主型扣件为弹条I型扣件。

3、近几年又研制成功适用于重载，高速线路上的弹条、型扣件,7,医药材料,扣板式扣件,扣板 螺纹道钉 弹簧 铁座 缓冲垫板,不同号码扣板的搭配可满足不同钢轨和轨距调整的需要,8,医药材料,弹条扣件,弹条型扣件,弹条型扣件,弹条型扣件,扣压力不足 弹程小,在外形基础上，更换弹条材料屈服强度和抗拉强度得到了改善,扣压力大 弹性好,9,医药材料,弹条型扣件 组成： 形弹条、螺旋道钉、轨距挡板 、挡板座及弹性橡胶垫板 分类： A型：CHN50钢轨 B型：CHN60钢轨 （轨距挡板的作用是调整轨距，传递钢轨的横向水平推力。轨距挡板中间有长圆孔，其大小是一定的，但孔中心位置有两种，相应就有两个号码。50、60k

4、g/m钢轨各有两个号码，分别为20、14和10、6号,10,医药材料,11,医药材料,弹条型扣件 弹条型扣件除弹条采用新材料重新设计外，其余部件与弹条I型扣件通用，仍为带挡肩、有螺栓扣件。在原使用弹条I型扣件地段，可用弹条型扣件弹条更换原I型扣件弹条,12,医药材料,弹条型扣件 组成：弹条、预埋铁座，绝缘轨距块和橡胶垫板 弹条型扣件是无螺栓无挡肩扣件。无螺栓无挡肩扣件是世界各国轨枕扣件发展的趋势，特别适用于重载、大运量、高密度的运输条件。 优点：扣压力大弹性好 ，较强的保持轨距 能力，采用无螺栓连接，减小扣件维修养护工作量,13,医药材料,轨下橡胶垫层（增加扣件的弹性） 要求： 不同的铁路，采

5、用不同的轨下胶垫 合理选择轨垫的刚度 在轨道纵向弹性均匀一致,14,医药材料,扣件工作特性 扣件形状较为复杂，刚度通过实验测得 混凝土扣件的阻力应大于道床阻力 每组扣件的单位长度阻力为 r=PC(f1+f2)/a （PC：两侧扣件扣压力，f1：扣件与钢轨之间的摩擦系数，一般取0.25，f2：钢轨与轨下垫层之间的摩擦系数，一般取0.65， a ：轨枕间距） 当钢轨上作用荷载时，扣件弹簧和轨下垫层弹簧所产生的位移相等，所以可以看成是扣件弹簧Kf和轨下垫层弹簧Kp并联，于是可得算式 Kfv=Kf+Kp,15,医药材料,当钢轨上没有轮载时： 扣件和垫层的压缩量分别为：yf0=Pc0/Kf,yp0=Pc

6、0/Kp 当钢轨上作用有荷载时：扣件的压缩量减小为yf,相应的扣压力减小为Pf=Kfyf,扣件的实际扣压力为Pf= Pc0- Pf，而轨下垫层的实际受压力为Pp=Pc0-Pf+Pw(Pw为作用在轨下垫层的车轮荷载,16,医药材料,为保证钢轨上作用有荷载时扣件的扣压力不为零，yf0=yf 轨下垫层的压缩量为yp=(Pw-Pf)/Kp,由于Pf=Kfyf,所以yp =(Pw-Kfyf)/Kp 由于yc0=yf0=Pc0/Kf,可得yp = yf，于是得： yf=Pw/(Kf+ Kp) 以上分析可得扣件刚度和轨下垫层刚度之间的关系:Pc0/ Kf= Pw/(Kf+ Kp),即Kp/Kf=(Pw-Pc

7、0)/Pc0,17,医药材料,第三节 轨枕,概述 轨枕是轨下基础部件之一（扣件 碎石道床 轨枕） 功能,支撑钢轨 保持轨距和方向 传递钢轨对其作用的各项压力到道床,18,医药材料,要求 坚固性 弹性 耐久性 分类 木枕 钢枕 混凝土枕,19,医药材料,我国新建铁路主要使用混凝土枕原因：料源丰富 轨道结构稳定 弹性均匀,木枕 铁路发明初期 木材资源丰富 广泛使用 目前 北美国家铁路仍以使用木枕为主 缺点 易腐蚀 轨道稳定性差 弹性不均匀,20,医药材料,分类 普通木枕 桥枕（用于桥梁上的木枕） 岔枕（用于道岔上的木枕,21,医药材料,22,医药材料,钢枕,形成史 木枕抗腐蚀性差 木材短缺 钢枕重

8、量较轻 易于捆扎码堆 分类 凹槽性钢枕 工字钢Y型钢枕,23,医药材料,混凝土轨枕,趋势：随着铁路高速重载发展的需要 用混凝土枕代替木枕已成为发展方向 优点： 混凝土枕材源较多 并能保证尺寸 使轨道弹性均匀 提高了轨道的稳定性 混凝土枕不受气候、腐朽、虫柱及火灾的影响 使用寿命长 还具有较高的道床阻力 对提高无缝线路的横向稳定性十分有利,24,医药材料,25,医药材料,结构形式 整体式（主要为预应力混凝土轨枕,组合式,26,医药材料,短枕式,整体式混凝土枕整体性强 稳定性好 制作简便 是目前各国使用最多的一种类型,27,医药材料,受力条件对轨枕的要求 轨枕轨座有足够的面积承受钢轨压力 轨枕截面

9、有足够承受弯矩的能力 轨枕与道床之间有足够的的接触面积 轨枕与道床之间能提供足够的纵横向阻力 轨枕具有较大质量,28,医药材料,29,医药材料,轨枕长度 轨枕长度与轨枕受力状态有关 一般应以轨下截面正弯矩与枕中截面负弯矩保持一定比例来确定轨枕的合理长度 混凝土枕长度一般在2.32.7m之间 我国I、型枕均为2.5m,30,医药材料,轨枕形状 轨枕顶部有一定的宽度 在跪坐压力的作用下不压溃 一般承轨台宽度为185-190mm 轨底宽度考虑到道床的承载能力 一般轨底宽度为250-330mm 混凝土枕截面为梯形 上窄下宽 梯形截面可以节省混凝土用量 减少自重 也便于脱模,31,医药材料,轨枕高度 混

10、凝土枕的高度在其全长是不一致的，轨下部分高些，中间部分矮些。这是因为轨下截面通常在荷载作用下产生正弯矩，而中间截面则在荷载作用下产生负弯矩。而混凝土枕采用直线配筋，且各截面上的配筋均相同，所以配筋的重心线在轨下部分应在截面形心之下，而在中间部分则应在截面形心之上，这样对混凝土施加的预压应力形成有利的偏心距，使混凝土的拉应力不超过允许限度，防止裂缝的形成和扩展,32,医药材料,33,医药材料,混凝土轨枕类型 I型轨枕（目前已停止生产) 型轨枕 （型轨枕是目前我国轨枕中强度较高的类型 也是主型轨枕 基本上能适用于次重型、重型轨道 它的不足是安全储备还不够大 对提高轨道的整体稳定性能力还不足 为适应

11、强轨道结构的要求 又研制了型轨枕） 型轨枕（型枕的主要特点： (1)结构合理，强化了轨道结构 (2)轨下和中间截面的设计承载力 较型轨枕分别提高了43和65 提高了轨枕的强度 (3)采用无螺栓扣件的扣压力能保持线路稳定 无纵横向移动 有利于保持轨道的几何尺寸 减少养护维修工作量,34,医药材料,国外轨枕设计,奥地利联邦铁路的框架式轨枕 优点： 提高轨道的稳定性 降低道床顶面应力 延长轨道维修养护周期,35,医药材料,日本梯子式轨道（类似于纵向轨枕 用于重载铁路） 优点： 轨道结构线路稳定 维修养护工作量少 混凝土和钢材用量与普通轨枕线路基本相同,36,医药材料,轨枕间距,轨枕间距与每公里配置的

12、轨枕根数有关 轨枕根数应根据列车速度 机车车辆轴重 钢轨轨枕类型确定 轨枕密一些 道床、路基面、钢轨以及轨枕本身受力都可小一些 但也不能太密 太密则不经济 而且净距过小 也会在一定程度上影响捣固质量 我国使用最多的是每公里1680根 1760根 和1840根3种轨枕间距 即每根25米长的钢轨轨枕数分别为42根 44根 46根,37,医药材料,第四节 道床,道床是轨枕的基础 在其上以规定的间隔布置一定数量的轨枕 主要材料有碎石和筛选卵石等 道床的功能 (1)承受来自轨枕的压力并均匀地传递到路基面上 (2)提供轨道的纵横向阻力 保持轨道的稳定 (3)提供轨道弹性 减缓和吸收轮轨的冲击和振动,38,

13、医药材料,4)提供良好的排水性能 以提高路基的承载能力及减少轨道冻害 (5)调整轨道几何形位较为方便 道床材质的要求 为适应上述道床功能，道碴应具有以下性能：质地坚韧 有弹性 不易压碎和捣碎 排水性能好 吸水性差 不易风化 不易被风吹动或被水冲走 用作道碴的材料有：碎石、天然级配卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿碴等在具体选用道碴材料时 应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度 结合成本和就地取材等条件来决定,39,医药材料,道砟,面砟（级配碎石） 底砟,一级道砟（特重型 重型地段优先用一级道砟） 二级道砟,我国的一级道砟标准并非从技术经济最优角度订出的 而是根据当时全路道砟的供求关系 并考虑提

14、高道砟质量的运营要求提出的 和国外道砟质量相比有很大差距,40,医药材料,道砟颗粒形状要求 颗粒棱角分明 近于立方体（扁平状和针状道砟颗粒易碎） 脏污物杂质限量（污泥 土团粉末易影响承载力 降低摩擦力 加速道床板结 影响道床排水） 道床底砟材料 功能：隔离面砟层的颗粒与路基面直接接触 截断地下水的毛细血管作用 降低地面水下渗速度 阻止雨水对路基面的侵蚀,41,医药材料,底砟材料取向 天然砂 砾材料 开山块石 天然卵石砾石经破碎筛选而成,42,医药材料,道床断面,道床断面包括道床厚度、顶面宽度及边坡坡度三个主要特征,43,医药材料,道床厚度 道床的厚度是指直线上钢轨或曲线上内轨中轴线下轨枕底面至

15、路基顶面的距离。 顶面宽度 轨枕长度加两倍的道床肩宽 边坡坡度 坡度大小对保证道床的坚固稳定，有十分重要的意义。道床边坡的大小取决于道碴材料的内摩擦角与粘聚力道碴材料的内 摩擦角愈大，粘聚力愈高，边坡的稳定性就愈大,44,医药材料,道床变形,道床变形是轨道变形的来源 道床作为散粒体结构，在外荷载作用下将产生弹、塑性变形。荷载消失后，弹性变形部分得以恢复，而塑性变形部分则不可恢复，成为永久变形或称残余变形 最终易造成轨道几何形位不平顺,45,医药材料,道床下沉（不均匀下沉是轨道结构破坏的主要形式之一） 初期急剧下沉是道床压实阶段 后期缓慢下沉是道床正常工作阶段,46,医药材料,道床下沉量与各种影

16、响因素之间的关系可以用道床下沉曲线来表示。日本试验的道床下沉曲线数学表达式为,47,医药材料,道床脏污,道床脏污来源：外界脏污物侵入，道砟颗粒因重复荷载振动摩擦和磨耗形成的碎粒，来自于底砟的颗粒和路基泥浆上升到面砟中 产生影响：阻塞道床空隙形成道床积水 重则形成翻浆冒泥或道床板结，道床失去弹性降低稳定性，严重影响道床工作 因此道床脏污率达一定程度时必须部分或全部进行清筛或更换道砟,48,医药材料,第五节 其他轨道部件,防爬器：防止爬行的部件，主要应用于木枕轨道和某些大坡度的混凝土轨枕线路，目的是增大钢轨与扣件之间的阻力 分类,穿销式防爬器 弹簧防爬器,49,医药材料,轨撑 目的是抵抗轮轨横向力

17、，一般安装在小半径曲线轨道外股钢轨的外侧一般轨撑用于木枕轨道较多近几年在采用CHN70型钢轨、小半径曲线混凝土轨枕地段也设置轨撑在大多数道岔尖轨部位，在基本轨外侧也安装轨撑 轨距拉杆 用一根杆件在轨底将两根钢轨连接起来，以提高钢轨的横向稳定性，提高轨道保持轨距的能力,50,医药材料,第六节 特殊地段的轨道过渡段,线路结构由线（路基线路） 桥 隧 站组成，为了保证列车安全平稳的运行则要求动力学性能不同的结构物之间平顺连接 不同结构物之间平顺连接的要求 几何形位的平顺连接 不同结构物之间的动力特性要平稳过渡,51,医药材料,路桥过渡段的处理,路桥连接处，由于路基与桥梁刚度差异显著，引起列车通过时轨

18、面位移相应不一致，同时路基与桥台的沉降不均匀，桥路过度点附近极易产生变形差导致轨面发生弯折，增加线路养护维修费用，甚至危及行车安全,52,医药材料,路桥过渡段主要处理问题： 轨道刚度的平顺过渡和多次重复荷载作用下累积下沉不均匀的控制问题 刚性桥台与柔性路基间施工后沉降差引起轨面弯折变形的限值问题 处理方法 一、路基过渡段的路基处理方法 台后填土的加筋土法 碎石类优质材料填筑 使用强度高，变形小的优质材料填筑（如低强度等级混凝土）（常用,53,医药材料,主要处理思想：增大基床刚度，减小路堤沉降，通过加强路基来达到减小路桥间在刚度和变形方面的差异，减小路桥间的轨道不平顺 二路桥过渡段轨道常用处理方法 在过渡段较软一侧增大轨道竖向刚度 在过渡段较硬一侧减小轨道竖向刚度 设置辅助轨提高轨道结构框架刚度,54,医药材料,55,医药材料,