高速铁路有砟轨道设计

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第1章绪 论-1 - HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 高速铁路发展史-1 -高速铁路三次发展高潮-1 -高速铁路建设的第一次高潮-1 -高速铁路建设的第二次高潮-2 -高速铁路建设的第三次高潮-2 - HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 中国高速铁路发展概况-3 -铁路高速化的技术基础-4 - HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 第2章

2、 高速铁路轨道结构类型选择-5 - HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1轨道结构类型-5 - HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 有砟轨道结构-5 -钢轨-5 - HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 轨枕-6 -扣件-7 -道床-7 - HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.3曲线轨道外轨超高-9 - HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 2.4 无缝

3、线路概况-9 - HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 第3章 轨道各部分强度检算-11 - HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.1按中速韶山9电力机车检算轨道各部件强度-11 -钢轨强度检算-11 -检算所需公式及说明-11 -3.1.1.2 检算过程-12 - HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 轨枕弯矩检算-14 - HYPERLINK l bookmark165 o Current Document 道床顶面应力检算-17 - HYPERL

4、INK l bookmark183 o Current Document 路基道床压应力检算-17 -3.2按中国高速列车ZGS检算轨道各部件强度-18 - HYPERLINK l bookmark217 o Current Document 钢轨强度检算-18 - HYPERLINK l bookmark203 o Current Document 轨枕弯矩检算-20 -道床顶面应力计算-22 -路基道床压应力计算-23 - HYPERLINK l bookmark211 o Current Document 第4章 路基上无缝线路设计-24 - HYPERLINK l bookmark21

5、4 o Current Document 4.1无缝线路设计相关资料-24 -4.2钢轨强度检算-24 - HYPERLINK l bookmark242 o Current Document 检算目的-24 -4.2.2 钢轨强度条件-24 - HYPERLINK l bookmark239 o Current Document 4.3稳定性检算-25 -检算目的-25 - HYPERLINK l bookmark245 o Current Document 长钢轨轴向温度压力计算-26 - HYPERLINK l bookmark296 o Current Document 4.4结构选择

6、设计与相关计算-29 - HYPERLINK l bookmark299 o Current Document 温度应力式无缝线路铺设条件检验-29 - HYPERLINK l bookmark311 o Current Document 锁定轨温计算-29 - HYPERLINK l bookmark368 o Current Document 伸缩区长度计算-32 - HYPERLINK l bookmark383 o Current Document 预留轨缝计算-32 -防爬设备布置-34 -4.4.6 轨条布置-34 - HYPERLINK l bookmark413 o Curre

7、nt Document 第5章 我国发展高速铁路的意义-35 - HYPERLINK l bookmark416 o Current Document 5.1 我国高速铁路的建设规划-35 - HYPERLINK l bookmark419 o Current Document 5.2铁路在经济发展中的纽带与动脉作用-35 -5.3铁路在国家安全中的战略与安全作用-36 - HYPERLINK l bookmark422 o Current Document 结束语-37 - HYPERLINK l bookmark425 o Current Document 参考文献-38 - HYPERL

8、INK l bookmark447 o Current Document 致 谢-39 -附录1 - 40 -第1章绪 论1.1高速铁路发展史高速铁路的概念产生于德国，而高速铁路的实际应用则发源于日本。1959年， 日本国铁开始建造东京至大阪的高速铁路，并在1964年开通，全长515km，时速 210km，称为东海道新干线，高速铁路由此产生。法国高速铁路称TGV。法国国铁(SNCF)从1950年开展高速铁路技术研究，1955 年研制的样车试车，就创造了当时的世界最高记录 时速331km，使人们看到了这 一技术的发展前景。2007年4月3日法国TGV最新型“V150”超高速列车行驶试验 速度达到

9、了 574.8km/h，创下了有轨铁路行驶世界纪录。德国ICE高速铁路的技术储备并不亚于法国，1988年5月德国ICE列车的实验 运行速度就达到了 406.9km/h。同时，德国和日本还在研究实验非轮轨接触式的磁悬 浮列车，1979年德国修建了一个既有高架也有地面路轨的长达31.5km哑铃式的磁浮 试验回路，列车空载最高时速达到450km，载客时速420km，平均时速度也有300km。高速铁路三次发展高潮高速铁路的发展可以划分为三个不同的阶段，即20世纪60年代至80年代末的 第一次建设高潮，90年代初期形成的第二次建设高潮，以及90年代中期以后形成的 第三次建设高潮。高速铁路建设的第一次高潮

10、19641990年是世界上高速铁路发展的最初阶段。在这期间建设并投入运营的高 速铁路有日本的东海道、山阳、东北和上越新干线；法国的东南TGV线、大西洋TGV 线；意大利的罗马一一佛罗伦萨线，以及德国的汉诺威一一维尔茨堡高速新线，高速 线里程达3198km。这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构。除了北美 以外，世界上经济和技术最发达的日本、法国、意大利和德国推动了高速铁路的第一 次建设高潮。日本东海道新干线和法国TGV东南线的运营，在技术、商业、财政以 及政治上都获得了极大的成功。东海道新干线在财务收支上已经成为日本铁路客运的 主要支柱，TGV东南线也在运营10年的期限里，完全收回了投

11、资。第一次建设高潮 时期，高速铁路呈现出如下特征：由于采用了新技术，使得铁路的竞争力增强，铁路 旅客运输在市场中所占的份额出现回升，经济效益开始好转；解决了运输能力紧张的 问题；推动了沿线地区经济的均衡发展，促进了相关产业的建设；节省能源，降低对 环境的污染。新建项目带动了既有铁路网的技术改造，使国家既有设施得到整治并从 中受益。日本、法国、意大利和德国在建设高速铁路的初期，投入了大量的开发研究 费用，利用自主知识产权建成了本国的高速铁路，成为当今世界上仅有的四个高速铁 路技术保有国。高速铁路建设的第二次高潮高速铁路建设在日本和法国所取得的成就影响了很多国家。80年代末，世界各 国对高速铁路的

12、关注和研究酝酿了第二次建设的高潮。第二次建设高峰于90年代在 欧洲形成，所波及到的国家主要有法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞 典和英国等。1991年瑞典开通了 X2000摆式列车，1992年西班牙引进法、德两国的 技术建成了 471km长的马德里一一塞维利亚高速铁路。1994年英吉利海峡隧道把法 国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际连接线。1997年，从巴黎开出的 “欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起。在这个期间，日本、法国、 德国以及意大利对发展高速铁路进行了全面规划。根据1987年的计划，日本将再修 建东北新干线（盛冈一一青森）、北陆新干线（高崎一一敦贺）

13、、九州新干线（福冈一 一鹿儿岛）、九州新干线（福冈一一长崎）、北海道新干线（青森一一札幌）等5条新 干线，总长达到1440km。1986年，意大利政府批准了交通运输发展规划纲要，准备 修建横连东西（都灵一一米兰一一威尼斯）、纵贯南北（米兰一一佛罗伦萨一一罗马 那不勒斯），长达1230km的“T”型高速铁路网。法国于1992年由政府公布了 建设全国高速铁路网的规划，根据规划，未来20年内高速铁路网将由4700km新线 （其中1282km已于1997年开通投入运营）构成，新线建造费用预计达1800亿法郎 （以1989年价格计）。1991年4月，德国联邦政府批准了联邦铁路公司改建、新建 高速铁路20

14、00km的计划。第二次建设高潮时期，高速铁路所表现出的特征体现在： 已建成高速铁路的国家进入了高速路网规划和建设的年代；高速铁路的建设已经不仅 仅是铁路部门的需要，修建高速铁路网成为地区之间相互联系的政治需求；能源和环 境的要求呼吁发展无污染的高速铁路；出现了全国的和跨越国境的高速铁路网。高速铁路建设的第三次高潮高速铁路的建设与研究自90年代中期形成了第三次高潮，这次高潮波及到亚洲、 北美、大洋洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。自1992年以 来，俄罗斯、韩国、我国台湾、澳大利亚、英国、荷兰等国家和地区均先后开始了高 速铁路新线的建设。据不完全统计，为了配合欧洲高速铁路网的建

15、设，东部和中部欧 洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等国家正在进行主干线铁路改造，全面提速。此间修建高速铁路新线的国家和地区达到12个，修建新线总长3509km。除了以上这些已经开工建设的项目，对高速铁路开展前期研究工作的国家 还有土耳其、中国、美国、加拿大、印度、捷克等。与以前所不同的是，参与第三次 高速铁路建设高潮的各个国家所表现出的特征主要体现在以下几个方面：大多数国家 在高速铁路新线建设的初期即拟订了修建高速铁路的全国规划；虽然建设高速铁路所 需资金巨大，但从社会效益、能源节约、治理环境污染等诸方面分析，修建高速铁路 对整个社会具有很好的效益，这一点得到各国政府的共识；高

16、速铁路促进地区之间的 交往和平衡发展，欧洲国家已经将建设高速铁路列为一项政治任务，各国呼吁在建设 中携手打破边界的束缚；高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金， 建设高速铁路出现了多种形式融资的局面；高速铁路的技术创新正在向相关领域辐射 和发展。中国高速铁路发展概况为了适应我国经济发展的需要，我国高速铁路的建设问题也受到了高度重视， 1990年以来，为提高列车运行速度，铁路系统已经经过六次大提速，其中包括对机 车改造更新、线路改造、车辆更新、调度指挥系统信息化等等，这些措施已经取得了 良好的成效。1991年，铁道部将经济发达的广州至深圳间147km的广深铁路改造成 为准高速铁路，待

17、取得经验后再进一步向高速铁路发展，该项目于1990年底经国家 计委审查批准立项，于1994年底正式开通运营。其旅客列车速度为160200km/h， 不仅在技术上实现了质的飞跃，更主要的是通过科研与实验、引进和开发，为建设我 国高速铁路做好了前期准备，成为我国铁路高速化的起点。2003年，我国第一条秦 皇岛一一沈阳快速客运专线建成并投入运营，其中，山海关至绥北中间66.8km的综 合试验段，按高速标准修建，旅客列车试运行速度在200km/h以上。通过秦沈线的 建设和运营实践，可以摸索出适合中国国情的高速客运专线的技术标准、施工方法、 运营管理及维护模式等一系列宝贵经验。2004年1月7日，温家宝

18、总理主持召开国务院常务会议，讨论并原则通过了中 长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标：到2020年，全国铁路营业里 程达到10万km，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率达到50%，运输 能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。根据中 长期铁路网规划，我国铁路将建成以京沪、京广、京哈、沪甬深及徐兰、杭长、青 太及沪汉蓉的“四横四纵”客运专线为主体，城际客运专线为扩充的快速客运专线 1.2万公里，客货混跑快速线路2万公里，形成我国铁路快速客运网。2008年8月1 日，中国内地第一条设计时速350km的京津城际高速铁路投入运营，中国铁路正式 步入高速时代

19、。目前京沪、京卢、武广、石武、温福、合宁等高速铁路项目都已在建 设之中。1.2铁路高速化的技术基础高速铁路对高新技术的要求是全方位的：要有大功率牵引机车。目前，一列普通客车所需的机车牵引功率为 20003000kw，而一列时速300km的高速列车所需的机车牵引功率则高达10000kw。 在现代铁路牵引动力的行列中，电力机车和内燃机车并驾齐驱，分担运输任务。两者 比较，电力机车功率大、拉得多、跑得快、爬坡能力强，在运营中比内燃机车更胜一 筹。一台电力机车的运输能力相当于1.5台内燃机车，而电力机车牵引每万吨/公里能 耗仅为内燃机车牵引的2/3。当然，电力机车必须有供电系统，造价要高些，综合考 虑

20、，高速铁路必须采用大功率的电力机车。要有又轻又稳的车轴。不仅如此，采用计算机技术设计的流线型车身以及采 用智能化控制的车辆密闭通风结构，使高速列车具有极其良好的空气动力性能。车辆 转向架是确保列车高速运行平稳的一个关键部件，采用计算机仿真技术来设计车辆转 向架，同时采用先进的精确制造工艺和组装技术，能使车辆自身振动和线路干扰振动 降低到最低水平。要有良好的轨道基础。铁路是由一根根钢轨连接起来的。在普通铁路上，火 车是在有缝线路上行驶，运行中会产生剧烈的震动，并发生噪声，影响旅客的休息， 同时，因为车轮与钢轨的端部不断冲击，钢轨与钢轨的连接处轨缝就会产生凹陷现象， 还使车轮和钢轨降低了使用寿命，

21、隐患随之增多。高速铁路使用的是无缝线路，无缝 线路与有缝线路相比，有显著的优越性，仅从节约劳力和延长设备使用寿命方面计算， 无缝线路比有缝线路可节约线路维修费用50%左右，此外，还可减少机车车辆的修理 费，并能使火车运行平稳，旅客乘坐舒适。要有先进的列车自动控制系统。该系统是由行车自动指挥、列车自动驾驶和 列车自动防护三大部分组成。系统的特点是：以电子器件和微电子元件组成集中管理、 分散控制的模式来替代传统的模式，从而确保高速列车高效率、高可靠性地行驶。日 本是最早发展高速铁路的国家，40多年以来，从未发生过行车重大事故，创造了世 界行车安全之最，其主要经验之一，就是采用了先进的列车自动控制系

22、统。第2章 高速铁路轨道结构类型选择2.1轨道结构类型当今世界上高速铁路客运专线轨道结构主要有两种类型：有砟轨道和无砟轨道。 从实践经验看，两种轨道都可运行时速300km/h的高速列车。在高速铁路究竟铺设何 种类型轨道结构，应从技术和经济角度全面衡量决定。从目前世界各国高速铁路运营 情况来看，列车速度低于300km/h时，桥隧区段铺设无砟轨道，路基面宜铺设有砟轨 道；当列车速度大于300km/h时，采用无砟轨道结构可较好保持轨道的平顺性，有利 于列车的高速运行。有砟轨道与无砟轨道各有优缺点，有砟轨道结构是铁路线路传统的结构，它具有 弹性良好，造价低廉，更换与养护维修方便，吸收噪声特性好等优点。

23、但随着行车速 度的提高，其缺点也逐渐显现，首先有砟轨道会产生不均匀下沉，轨道破损和变形加 剧，维修工作量增加。无砟轨道结构具有使用寿命长、维修费用低而且恒载小、建筑 高度低、线路状况良好和宜于高速运行等优点，但其缺点是投资大、技术要求高、一 旦出现损伤，维修费用较高而且不允许地基沉降。根据我国国情和铁路长期的运营经 验，我国高速铁路客运专线路基地段宜铺设有砟轨道结构，桥梁和隧道可铺设无砟轨 道。综合考虑我国经济技术等因素，本设计选用有砟轨道结构。2.2有砟轨道结构钢轨钢轨是轨道结构的主要部件，其作用是引导机车车辆车轮前进，承受车轮的巨 大压力并将该力传递到轨枕或其他支承上。因此，钢轨必须为车轮

24、提供连续、平顺和 阻力最小的滚动表面，对高速铁路而言，钢轨要提供的轮轨踏面平顺性和钢轨内侧工 作边平顺性要比普通铁路高得多。为保证高速铁路运行的平顺性，线路下部基础、轨 道上部结构以及各轨道部件都要为钢轨的正常工作提供良好条件。而钢轨本身，其内 在质量、材料性能、断面公差、平直程度等都是十分重要的特性。钢轨在技术上要能 保证足够的强度、韧性、耐磨性、稳定性和平顺性，在经济上要能保证合理的大修周 期、减少养护维修的工作量。我国钢轨随着铁路运输事业的发展经历了漫长的发展过程，钢轨类型形成了75kg/m、60kg/m、50kg/m 的系列，钢轨材质主要有 U71Mn、U74、PD3,其中 PD3钢轨

25、在强度、硬度和使用寿命上都比较占优 势，近年来得到了比较广泛的使用。1998 年，铁道部颁布了时速300公里客运专线 60kg/m钢轨暂行技术条件，对60kg/m钢 轨加以规范。从钢轨单位质量上来看，在大轴重、大 运量的重载线路上应采用6075kg/m钢 轨，在列车运行速度超过160km/h的线路上 应采用6075kg/m钢轨。高速客运专线铁 路钢轨的断面应在既有铁路使用成熟的钢 轨中选择，而我国也已形成75kg/m、60kg/m 和50kg/m的断面系列，其中60kg/m钢轨应 用最为广泛。综合各方面的技术要求和我国 既有铁路钢轨运用情况，本客运专线设计选 择使用60kg/m钢轨，定长为10

26、0m，材质为U71Mn，屈服极限q = 457MPa，其横断面形图2-1 60kg/m钢轨横断面图(单位：mm)式如图2-1。轨枕虽然在高速铁路的发展中无砟轨道所占的比例越来越大，在许多国家已成为轨道 结构的首选，但有砟轨道依然是铁路高速铁路轨道结构的主要形式，因此混凝土枕的 性能和质量仍需重点关注。在混凝土枕长度方面，我国I型和II型混凝土枕长度都是2500mm。长期使用结 果表明，这个长度不能满足高速铁路的技术要求。而且世界各国的客运专线和高速铁 路中无一例外地采用2600mm以上的混凝土枕。本设计采用III型预应力混凝土、无 挡肩轨枕，轨枕长2600mm，每公里铺设1680根(按轨枕中心

27、间距600mm，实际每公 里为1667根)。111型枕设计参数见表2-1。表2-1 m型枕设计参数高速万案轨下截面(mm)中间截面(mm)轨枕重量_(kg)设计承载弯矩(kN-m)高度宽度高度底宽轨下截面中间截面m型枕23030018528032019.05-17.30扣件钢轨与轨枕的连接是通过中间连接零件实现的。中间连接零件也称扣件，其作用 是将钢轨固定在轨道上，防止钢轨倾覆，保持轨距并阻止钢轨相对于轨枕的纵、横向 移动。扣件必须具有足够的强度、弹性和耐久性，并有效地保持钢轨与轨枕的可靠联 接。在钢筋混凝土轨枕轨道上，因其弹性小于木枕轨道，扣件还必须提供较高的弹性。 扣件应允许调整钢轨高低，

28、以保证轨面得平顺性，混凝土扣件还要求有良好的绝缘性 能，此外，还应结构简单，便于安装及拆卸。本设计使用的是弹条III型无螺栓式扣件，其 利用预埋于轨枕中的铁件来保持轨距，承受横 向力并固定弹条，以弹条扣压钢轨，尼龙块作 为绝缘部件并用于调整轨距。弹条用BS970 251 A58级弹簧钢制作，其抗横向水平力的能 力静态为100kN，动态70kN（荷载循环200 X 106次）；预埋铁座抗力不小于60kN。弹条III 型扣件具有扣压力大（不小于11kN）、弹性好 （弹性变形不小于12mm）等优点，特别是取消 了混凝土挡肩，从而消除了轨底在横向力作用 下发生横移导致轨距扩大的可能性，因此保持 轨距的

29、能力很强;又由于取消了螺栓联结的方 式，扣压力易于保持，大大减少了扣件养护工 作量，非常适用于客运专线和高速铁路的运输 条件。因此本设计选择使用弹条III型无挡肩 扣件其结构形式如图2-2。1.弹条2.预埋件3.绝缘轨距块4.橡胶垫板图2-2弹条III型无挡肩扣件道床碎石道床是有砟轨道的突出特点。散粒体道床不仅要承受轨枕传递的各种力的作 用，保持轨道结构的稳定性，而且要便于进行养护。对高速铁路而言，散粒体道床的 这些作用显得尤为重要。我国有砟道床标准的实验参数及物理力学指标都比较多，这 是根据我国铁路道砟生产量大、材质差而又无法在短期内废止石灰岩等性能较差的道 砟上的特定情况下提出的。根据新建

30、时速300350公里客运专线铁路设计暂行规 定，我国高速铁路有砟道床应满足以下技术要求：（1）应采用碎石道砟，道砟的物理力学性能应符合特级道砟材质指标的规定。正线单线道床顶面宽度3.6m，道床厚度35cm，道床边坡1： 1.75,砟肩堆高 15cm，双线道床顶面宽度应分别按单线设计，高速铁路单线有砟轨道道床横断面形 式见图2-3。铺设III型枕地段，道床顶面高度应与轨枕中部顶面齐平；岔枕等其它类型 轨枕地段的道床顶面应低于轨枕承轨面3cm。桥上道床标准应与路肩地段相同。通过居民区的桥梁宜于道砟下铺设厚度为 2.5cm的胶垫，砟肩至挡砟墙间以道砟填平。隧道内道床厚度应与隧道外道床厚度相同，砟肩至

31、边墙(或高侧水沟)间以道 砟填平。线路开通前，道床密实度不得小于1.75g/cm3,支承刚度不得小于120kN/mm， 纵向阻力不得小于14kN/枕，横向阻力不得小于12kN/枕。轨道电路道床电阻不应小于2 km。研究表明，我国的一级道砟不适用于高速铁路，必须采用特级道砟。特级道砟相 关技术和要求如下：道砟由开山块石破碎筛分而成，颗粒表面全部为破碎面。道砟颗粒形状和清洁度指标应符合下列要求：针状指数不应大于20%，片状指数不应大于20%；粒径0.5mm以下的颗粒含量的质量百分率不大于0.6%；粒径0.063以下的 粉末含量的质量百分率不大于0.5%；道砟出场前应用水清洗，且不含黏土团及其他杂质

32、。京沪高速铁路设计暂行规定要求基床表层应采用级配碎石或级配砂砾石材 料，其压实标准应符合下表的规定：表2-2采用级配碎石作基床表层时的压实标准填料厚度压实标准备注地基系数匕0(MPa/m)空隙率级配碎石0.70N19018%路堤级配碎石0.55N19018%中粗砂0.15N130表2-3采用级配砂砾石作基床表层时的压实标准填料厚度(m)压实标准地基系数匕0(MPa/m)空隙率级配砂砾石0.70N19018%图2-3单线路堤标准横断面示意图2.3曲线轨道外轨超高机车车辆在曲线上行驶时，由于惯性离心力作用，将机车车辆推向外股钢轨，加 大了外股钢轨的压力，使旅客产生不适，货物位移等。因此需要把曲线外

33、轨适当抬高， 使机车车辆的自身重力产生一个向心的水平分力，以抵消惯性离心力，达到内外两股 钢轨受力均匀和垂直磨耗均匀等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安全性。高 速客运专线轨道平面设计中，采用了较大的曲线半径，来满足高速列车的要求。外轨超过度是指曲线地段外轨顶面与内轨顶面水平高度之差。在设置外轨超过 时，主要有外轨提高法和线路中心高度不变法两种。外轨提高法是保持内轨标高不变 而只抬高外轨。线路中心高度不变时内外轨分别各降低和抬高超高值的一半而保证线 路中心标高不变。我国客运专线采用外轨提高法。外轨超高的计算由下式确定：(2-1)h 7.1 maxR式中，V max线路设计最高行车速度；T曲

34、线半径，本设计选用的曲线半径为10 000m。2.4无缝线路概况无缝线路是用标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，它既是轨道结构技术进 步的重要标志，也是高速重载轨道的最优选择。各国铁路竞相发展无缝线路，目前已 累计铺设8000多公里。在轨道结构强化方面，60kg/m钢轨已经成为各干线的主要类 型轨，轨下基础以II、III型混凝土轨枕为主，道床标准为特级硬质道砟轨道，尤其 是跨区间无缝线路和无砟轨道的发展，为高速重载运输的发展打下了坚实的基础。无缝线路按钢轨内部的温度应力处理方式不同，可分为温度应力式和放散温度应 力式两种类型。温度应力式无缝线路是指把钢轨焊接成长轨节铺在线路上，拧紧扣件锁定后，

35、由 于各种线路阻力约束长轨节不能自由伸缩，一年四季随钢轨温度变化，长轨节内承受 着不断变化的温度拉力或压力。长轨节端部之间的连接大多采用接头夹板及螺栓，其 特点是结构简单，铺设维修方便。放散温度应力式无缝线路目前一般已经不使用。我国无缝线路从1957年开始铺设，目前，京广、京沪、京沈等主要干线均已铺 设无缝线路，并且客运专线应铺设跨区间无缝线路。第3章 轨道各部分强度检算3.1按中速韶山9电力机车检算轨道各部件强度钢轨强度检算韶山9电力机车前后有两个转向 架，并且两个转向架之间距离较大，彼 此影响很小，因此可任选一个转向架作 为计算架来寻找最不利轮位。韶山9电 力机车设计最高运行速度为170k

36、m/h， 其轮重及轮距如图3-1。检算所需公式及说明2.15m7.27m2.15m图3-1韶山9电力机车轮重及轮距(3-1)(1)钢轨基础弹性模量u，其定义为钢轨基础产生单位弹性下沉时，施加于单位 长度钢轨上的压力，计算公式为：D u a式中，u 钢轨基础弹性模量(N/cm2或MPa)；D轨道刚度(N/cm)，计算钢轨应力时取为33 X 104N/cm，计算轨下基础应力时取为140 X 104 N/cm；a轨枕间距，其值为60cm。刚比系数k，钢轨基础弹性模量与钢轨抗弯刚度的相对比值称为刚比系数， 用k表示，计算刚比系数k的公式为：(3-2)钢轨的弹性模量，值为2.1 X 105MPa=2.1

37、 X 107N/cm2；J60kg/m钢轨断面对水平轴的惯性矩，值为3217cm4。(3)钢轨静弯矩M j计算公式：式中，E1 - 一M =Z P Rj 4k(3-3)(4)钢轨动弯矩M d计算公式:Mj(1 + a 顼)fMd = M (1 + a)(1 + a ) + 仞 fj1M (1 + a)(1 + a )(1 + a ) + 仞 f j- 11 -(v 200km/h ) (120km/hv 160km/h ) (160km/hv 800m的曲线上取为1.45。钢轨动弯应力气和气2的计算公式： dlM b =* d1 W b = ML(3-5)b =7d2 W2 J式中，W1 钢轨

38、底部断面系数，60kg/m钢轨的W1 = 396cm3 ；W 钢轨头部断面系数，60kg/m钢轨的W = 339cm3。检算过程计算钢轨基础弹性模量，根据式(3-1)有，D 330000u = = 5500N/cm2a 60 计算刚比系数k，根据式(3-2)有，u5500k = 4= 4= 0.01194cm-14EJ 4 x 2.1x 107 x 3217分别以1、2轮为计算轮，计算ZP(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的弯 矩，计算结果见表3-1。表3-1韶山9电力机车当量荷载踏计算表计算轮项目轮位*MN)动1动2动3P(N)102900102900102900 x(cm)0215942动

39、1k x02.56711.24791973.61-0.10621.588X10-5PMN)102900-109281.63P(N)102900102900102900 x(cm)2150727动2k x2.56708.68091951.4-0.10621-0.0002PMN)-10928102900-20.58由表3-1可知动1轮的当量荷载91973.6N为其中的最大值，用该值计算的钢轨弯矩作为检算钢轨强度的依据。计算钢轨静弯矩m j，根据式(3-3)得，M = Pr =x 91973.6 = 1925745N - cm4k4 x 0.01194计算钢轨动弯矩Md表3-2速度系数a速度系速度k

40、m/h电力牵引内燃牵引电力牵引内燃牵引数计算轨底弯曲应力计算钢轨下沉及轨下基础部件用a此1200.6W1000.4W1000.45W1000.3v/100a1120此1600.3牌1000.2叩1000.23牌1000.15*100a2160此2000.1av2/1000.07av2/1000.08弟/1000.05弭/100av20011.50.751.2根据表3-2计算电力机车轨底弯曲应力的速度系数:0.6 x 120以=0.721000.3 x (160-120)100气=尝3=0.01100则根据式(3-4)，计算钢轨动弯矩Md，M = M (1+以)(1+以)(1+以)+ pf=19

41、25745 x (1+ 0.72)(1+ 0.12)(1+ 0.01) + 0 x 1.25直线上:=4684374.7N - cm = 4684.4kN - cm曲线上:M = M (1+以)(1+以)(1+以)+ pf=1925745 x (1+ 0.72)(1+ 0.12)(1+ 0.01) + 0.15x 1.45=5852724N - cm = 5852.7kN - cm(6)计算钢轨的动弯应力气1和气2，由式(3-5)得，直线上:M 4684.4b = d =11.83kN/cm2=118.3MPad1 W 396M 4684.4 b = & =13.82kN/cm2=138.2M

42、Pad2 W 339 2 曲线上:2M5852一7b = d =14.78kN/cm2=147.8MPad1 W 396 1M5852一7b = d =17.26kN/cm2=172.6MPad2 W 339以=0.1260kg/m钢轨的温度应力q t= 51MPa,屈服极限。=457MPa，钢轨安全系数K=1.3，其允许应力为：S= % = 451=351.5 MPaK 1.3直线上轨底应力：Q +Q = 118.3 + 51 = 169.3MPa轨头应力：Q +Q = 138.2 + 51 = 189.2MPa曲线上轨底应力：Q +Q = 147.8 + 51 = 198.8MPa轨头应力

43、：Q +Q = 172.6 + 51 = 223.6MPa可见，无论直线还是曲线上，上述钢轨轨头和轨底的基本应力均小于允许应力 q，满足钢轨的强度条件。轨枕弯矩检算Pn (kx)(3-6)(v 200km/h) (120km/hv v 160km/h) (160km/hvv 200km/h， 则由表3-2知只考虑速度系数a，a =11.5，本设计取a =1.3，根据式(3-4)得，直线上：M = M (1+a) + P f=诙2657 x (1+1.3) + 0 x1.25=5642638.88N - cm = 5642.64kN - cm曲线上：M = M (1+a) + P f=19626

44、57 x (1+1.3) + 0.15 x 1.45=6972338.99N - cm = 6972.34kN - cm(6)计算钢轨的动弯应力气和气2，根据式(3-5)得，直线上:dl5642.64396=14.25kN/cm2=142.5MPad25642.64339=16.65kN/cm2=166.5MPa曲线上:d16972.34396=17.61kN/cm2=176.1MPad26972.34339=20.57kN/cm2 =205.7MPa直线上轨底应力：b +b =142.5 + 51 = 193.5MPa轨头应力：b +b = 166.5 + 51 = 217.5MPa曲线上轨

45、底应力：b +b = 176.1 + 51 = 227.1MPa轨头应力：b +b = 205.7 + 51 = 256.7MPa d2 t无论直线还是曲线上，上述钢轨轨头和轨底的基本应力均小于允许应力。，满 足钢轨的强度条件。轨枕弯矩检算计算轨下基础弹性模量，根据式(3-1)得，=23333.3MPaD 1400000 u =a 6023333.3计算轨下基础刚比系数k，根据式(3-2)得，k = 4= 4= 0.0171cm-14EJ 4 x 2.1x 107 x 3217分别以1、2轮为计算轮，计算 P门(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的 弯矩，计算结果见表3-5。由表3-5可知计算轮

46、动2轮的当量荷载93347.3N为其中的最大值，该值用以计 算轨枕静弯矩。计算轨枕上静压力夫0，根据式(3-6)得，R = P（k）= 0X933473 = 40326.03N=40.33kN石家庄铁道学院毕业设计表3-5zgs高速列车当量荷载 pn (n)计算表计算轮项目轮位V 口 Pn (N)动动2动3P(N) x(cm) 动kx1门9500095000950000300114605.1319.6093340.21-0.0174-0.14X10-5Pn (N)95000-1653-6.8P(N) x(cm) kx 动2n95000950009500030008465.13014.47933

47、47.3-0.017413.2X10-5Pn (N)-1653950000.3(5)计算轨枕上动压力Rd，先计算速度系数a，由于ZGS高速列车设计行驶速 度为300km/h200km/h，则由表3-2知只考虑速度系数a , a =11.2,本设计取a =1.2, 根据式(3-7)得，直线上：气=(1 + a)+ R0 = (1 +1.2)+ 0 x 40.33=92.76kN曲线上：R =(1+a)+ RdL0= (1 +1.2)+ 0.15x 40.33=98.81kN(6)轨枕下截面正弯矩心计算，根据式(3-8)得，直线上：gM =f 土 -纠 Rg 2e 8 J d= - -15 lx

48、92.762x110 8 J=881.43kN - cm = 8.81kN - m曲线上:X 98.81一2X110 8)937.61kN - cm = 9.38kN - m轨枕中间截面负动弯矩Mc计算，根据式(3-8)得， 直线上:曲线上:3L + 4e2 - 8ie - 12a L114(3L + 2e)3 x 2602 + 4 X1102 - 8 x 50 X110 -12 x 50 x 2604 x (3 x 260 + 2 X110)=-666.94kN - cm = -6.67kN - mx 92.763L + 4e 2 8a e - 12a L114(3L + 2e)3 x 26

49、02 + 4 X1102 - 8 x 50 x110 -12 x 50 x 2604 x (3 x 260 + 2 x110)=-710.44kN - cm = -7.10kN - mIII型混凝土轨枕的允许弯矩M 一L g=19.05kN - mx 98.81枕弯矩检算合格。，m = -17.30kN - m， c所以轨道床顶面应力计算道床顶面应力检算，根据式(3-9)得，直线上:max bzR=d m = be92一76x1.6 = 0.000396kN/mm2 = 0.40MPa 300 x1250曲线上:R =m = be 300 X12509881 x 1.6 = 0.000422k

50、N/mm2 = 0.42MPa特级碎石道床允许应力。z = 0.5MPa，因此道床强度满足要求。路基道床压应力计算根据式(3-10)得，b=cot 中2e300cot 37 = 200mm2h = cot 中=1250cot 37 = 833.3mm2由已知条件，道床的计算厚度h = 35cm，所以计算厚度在和h2之间，根据式(3-11)计算该区域道床应力，12直线上：b = R =9276= 0.0001413kN/mm2 = 0.141MPar 2he tan 中2 x 350 x 1250 x tan 37曲线上：b =曳=9881= 0.0001456kN/mm2 = 0.146MPa

51、r 2he tan 中 2 x 350 x 1250 x tan 37新建砂粘土路基允许应力。=0.15MPa，因此路基强度满足要求。第4章 路基上无缝线路设计4.1无缝线路设计相关资料本设计选择在济南地区铺设无缝线路，已知济南最高轨温T = 62.5C、最低轨 温为T . = -19.7C，高速列车为中国ZGS动车组。钢轨支承刚度D=33kN/mm，轨下 基础刚度D=140kN/mmo表4-1区段线路条件平面曲线半径R(m)钢轨类型(kg/m)轨枕种类配置(根/km)道床厚度打(cm)基础弹性系 数10 00060III型混凝土枕1667354.2钢轨强度检算检算目的无缝线路钢轨应有足够的强

52、度，以保证在动弯应力、温度应力及其他附加应力共 同作用下不被破坏，仍能正常工作。此时，要求钢轨所承受的各种应力的总和不超过 规定的容许值，并据此钢轨强度条件确定容许的轨温变化幅度。钢轨强度条件普通地段无缝线路的钢轨强度，按受拉和受压条件分别为：b +b +b 0夕2 42=2C.1712- 1 0 N mm根据式(4-5)得，,1 p EI 兀 2，p EI 兀 2 Y 兀 3 心 TV?l2 = kFk + P EI 兀 2 (f + f )QQ R K R) k 4 oex 2.172x 1011 x 1.5x 10-5 + J(2.172x1011 x1.5x10-5少 + 2.172x

53、1011 x23(0.2 + 0.3)x84.3V4=1.45 8 x 105 cm20 30冬=0.27cm，再将运算结果代入式(4-5)，再次试算l，得 4002所以l = 382cm，计算得到的l与原假定l = 400cm不符。再设l = 382cm代入公 式：f f = l02 -00- = 3822 x12 = 1.4295x105cm2，所以l = 378cm。该l与第二次设的l = 382cm不符，再设 0l0 = 378cm 计算f。；，得f = 12 X = 3782 x 027 = 0.264cm oe 0 38223822代入式(4-5)，再求12、ll = 377cm作

54、为变形曲线长度，得到l = 377cm，基本与原l = 378cm 一致，因此取 foe = 0.264cm作为原始弹性初弯矢度。计算温度压力值P，根据式(4-6)得，N0.2 + 0.26442.172 x1011 x+ x 84.3 x 3772p _3772 兀 3N4 0.2 + 0.264 +x1.5 x10-5 x 3772兀3=4.23 x106N计算长钢轨容许温度压力p ，根据式(4-8)得，P = PN =叩=3-4 x 106N曲线上:假定l0 = 377cm，塑性初弯矢度f = 0.3cm，弹性初弯矢度f = 0.264cm，根据 式(4-7)得，opoe1 +1 = 土

55、 +1 =竺竺 + 二=1.7 x10-5cm-1 R R R l02 R 37721x106P EIk兀 2 = 2 x 2.1 x 107 x 524 x 兀 2 = 2.172 x 1011N mm2根据式(4-5)得，1 P EI(P EI 兀 2kR /、2_ -,、+P W 7(f + foe)Qx84.32.172x10ii x1.7 x10-5 +.172 x1011 x1.7 x10 -5) + 2.172 x1011 x兰(0.2 + 0.264 )x 84.34=1.49562 x105cm2所以l = 386.7cm，计算得到的i与原假定10 = 377cm不符。再设1

56、0 = 386.7cm代 =12- = 386.72 x 0264 = 0.247cm，再将运算结果代入式(4-5)，再次试 0 40024002入公式：foe算l，求得:12 = 1.47944 x 105cm2l = 385.6cm该l与第二次设的l0 = 386.7cm相差不大，因此取l = 385.6cm作为变形曲线长度， 匚=0.247cm作为原始弹性初弯矢度。Oe计算温度压力值气，根据式(4-6)得，0.2 + 0.24742.172 x1011 x 3856+一 x 84.3 x 385.62n40.2 + 0.247 + - x 1.7 x 10-5 x 385.62=2.94

57、 x106N计算长钢轨容许温度压力p,根据式(4-8)得，心 Pn 二官二 2.26x 106N稳定条件容许的最大轨温升高幅度由式(4-9)得， 直线上:3.254 x 106 - 2 x 0 At = 84.7Cc 2 x 248 x 77.45曲线上:2.94 x 106 - 2 x 0 At = 76.5Cc 2 x 248 x 77.454.4结构选择设计与相关计算温度应力式无缝线路铺设条件检验将由强度条件和稳定条件计算得的最大轨温升降幅度列于表4-3。表4-3最大轨温升降幅度(单位：C)线路条件At sAt cT - TmaxminAt锁直线80.284.7810曲线(R=10 00

58、0m)66.776.582.2检验该区域是否可以铺设温度应力式无缝线路的条件是:0 +叫气ax - JI锁80.2 + 84.7 = 164.982.2 + At锁66.7 + 76.5 = 143.282.2 + At锁因此，在该区段直线和曲线上，均可铺设温度应力式无缝线路。锁定轨温计算为了与施工时的锁定轨温相区别，这里将设计锁定轨温称为中和轨温。对于温度应力式无缝线路来说，钢轨锁定后，轨温升高或下降的幅度直接影响钢 轨内部温度力的变化，如何根据当地气象条件选择铺轨时的锁定轨温，以保证夏季高 温时不跑道，冬季低温时钢轨不折断是无缝线路设计的核心问题。中和轨温就是根据 当地最高、最低轨温和无缝

59、线路允许温升、允许温降，计算所得的无缝线路设计锁定 轨温。实际施工时，应根据该设计锁定轨温，即中和轨温对线路进行锁定。(1)计算容许铺轨轨温的上下限直线上：t = T . +At =9.7 + 80.2=60SC)=tax - Atc =62.5 - 84.7=-22 2C曲线上(R=10 000m)：t = T . +At = -19.7 + 66.7=47C)=Tmax -Atc =62.5 - 76.5=-14C设计锁定轨温(中和轨温)计算公式T + TAt -At (4-10)T = -maxmin-+ s_2j + AT式中，T 设计锁定轨温；tJ当地历年最高轨温；当地历年最低轨温；

60、AT设计锁定轨温修正值，一般可取05C。根据式(4-10)得，直线上：T = 62.5 -19.7 + 80.2 - 84.7 + 5e 22-= (19.2 土 5 )c曲线上：.62.6 - 22.8 66.7 - 71.8 *t = 2+25=(17.4 5 )C根据以上计算可知直线上和曲线上都可用的中和轨温范围为14.2C24.2。，本 设计暂取中和轨温为T = 20C。e锁定轨温计算图(如图4-1)图4-1锁定轨温计算图在计算出锁定轨温T后，可给出设计锁定轨温的上、下限，即: e设计锁定轨温上限：T = T + (35)C = 2325C取T =25C 设计锁定轨温下限：T = T