高速铁路跨区间无缝线路设计 23页

第二章!高速铁路跨区间无缝线路设计第一节!跨区间无缝线路设计概述所谓跨区间无缝线路!即轨条与轨条"轨条与道岔直接焊接!轨条之间直接传递纵向力和位移量#在$?$$!#*"%21&铁路线路术语’中称之为超长无缝线路(OYWBXTLG-(LGEFGYLY‘]B:CBC@8F:$X80,)#跨区间无缝线路的应用!最大限度减少了铁路轨道的钢轨接头!从而为高速列车提供安全"平稳的运行条件#上世纪最后"+年里!欧洲继日本修建新干线后!掀起了高速铁路热!一方面激起铁路系统自身的革新和创造能力!另方面也促进各种新材料"新工艺向铁路行业的渗透#电感式"音频式无绝缘轨道电路和高强度"高韧性钢轨胶接绝缘接头在高速铁路上应用!再加上钢轨焊接技术取得新突破!于是跨区间无缝线路的发展获得良好发展的契机#在法"德"意"西班牙等欧洲国家的高速铁路上!相邻轨道电路闭塞分区采用谐调单元构成电气隔离"不用机械绝缘接头!保证了区间无缝线路的连续性#可动心轨道岔的辙叉用6’(3+7轨或&P’<3+轨组合!可与区间长钢轨焊接!或者用铬基介质将锰钢制造的辙叉与碳钢轧制的钢轨焊联起来!道岔区的绝缘接头用胶接绝缘接头!从而实现真正意义上的连续焊接钢轨((]@)!仅在大跨度超静定连续梁桥或跨谷高架桥上设置伸缩调节器!而调节器的基本轨与尖轨仍然与长钢轨焊接!使无缝线路的轨条长度充分延长#法国巴黎%%%里昂!西班牙马德里%%%布拉莎托塔斯问!最长的轨条长度分别为!*+,.和!3*,.!英国最长一段无缝线路从尤斯敦至格拉斯哥31*,.#日本新干线为减少钢轨接头而大量铺设钢轨伸缩调节器!通常长!4*,.无缝线路设置一组!但在条件适宜的情况下也发展超长无缝线路!如*长*#4M#,.青函隧道"长!#4+!,.棒名隧道的无缝线路长度分别为*#4/M,.和!"42M!,.#我国从!22+年开始研究跨区间无缝线路相关关键技术!近几年来!干线铁路列车提速更促进跨区间无缝线路的发展#目前我国自主研究的(%23="$<#"="%$+)#&&&+(+(+*设初始弯曲矢长比Q?+%弹性初弯矢度(+*占总初弯矢度(+的比便为$%$Q&&+(+(+‘(+‘"(+QQ?+$&+(+"&+则""&$<10."#($"?+$<!";!"&’温度力*++D+)纵向力峰系数*F)纵向力分布系数&换算求得"B相当M>温度力&在公式#<"<"<2中考虑纵向力分布不均匀的影响后%则得!*F=*_=*.!!!!!+Q<"B#公式#<"<"温度力!把其换算为均匀分布纵向力"+!用公式#<"<"温度力!在稳定性计算公式#<"<"以内!由设计予以修正%对锁定温度变化的修正!直线与曲线区段采取不同处理办法%在直线及半径)#"++.曲线段上!为保证有充裕的养护维修作业时间!考虑高温季节也可安排必要的养护维修作业!因此在允许铺轨温差中!就修正锁定温度M>的差异%在半径)’"+++.的曲线区段上!锁定温度差异在作业安排的轨温差中加以修正!而允许铺轨温差不作修正!修正值仍为M>!因此在曲线上允许安排作业的轨温差比允许铺轨的轨温差低M>!也就是说!在曲线区段上!高温季节!当轨温超过铺轨允许温差减M>!全天不得安排养护维修作业%97与9(的乘积!则为稳定性实际安全系数9+!其值表征无缝线路实际安全储备+#’)+ 量!#4稳定性平衡状态曲线以秦沈客运专线跨区间无缝线路的结构标准及行车条件为洌"根据在我国既有线路上的调查#实测结果"稳定性计算采用以下参数$初始弯曲&"?"$Q+4*M##+Q/"+0.+Q!;!1扣件阻矩/Q"4"[!+"5%0.&0.-!!H"(型枕道床横向阻力!2Q’"#421"曲线"为无碴桥上无缝线路的S<(平衡状态曲线"因无碴桥上的长轨条在温度力作用下弯曲变形"横向抗力为扣件横向阻力"随温度压力增大"弯曲变形不断增大"不存在突然失稳的过程"曲线#为!M号无缝道岔的S<(平衡状态曲线"临界力B"临界温度差""!:Q!22*42,5:Q!+1>图#<"<"<"!S<(稳定性平衡状态计算曲线计算求得三种不同线路区段的稳定性临界温差""#允许温差)""*#实际安全系数::#+如表#<"<""!+MI*!+MI*!+1#"(#$!>"*3*M*3*+:+!I21$"4++!I21"I+M二!强度检算无缝线路强度检算%以最低轨温下列车高速运行%钢轨应力也不超出容许值为前提&目前最常用的检算轨道强度的方法是准静态计算方法%则把轨道结构对机车车辆的动力响应%简化为轮载’钢轨挠度’弯矩等的动力增值而纳入计算&计算理论可采用弹性支座上的等截面连续长梁模型’或有限元法%本文采用$?"+#1(铁路轨道强度检算方法)对钢轨应力进行检算%计算参数的选用则考虑无缝线路的运营情况&!4弯矩计算2计算假定84钢轨为连续弹性支座上的等截面无限长梁%梁的下沉和基础反力之间成线性关系*94用一个当量静荷载来描述车轮对轨道的作用%作用于轨道上的荷载系符合力的独立作用原理*04机车车辆对轨道的动力影响%采用荷载系数+’(’&来表示&3静弯矩计算将钢轨视为弹性点支座上的等截面连续长梁时%其计算模型如图#<"<"<#所示&图#<"<"<#!弹性点支座上的等截向连续长梁力学模型在静载作用下%钢轨弯矩V的计算公式如下++!!!!/+Q+-++?,$?!公式#<"<"#+!钢轨钢的线胀系数"+Q!4!M[!+%-&!钢轨钢的允许应力’‘-‘%-&Q‘9式中!9!安全系数"考虑钢轨焊接头"9采用!4#*(-‘!钢轨钢的屈服极限)VS8*’秦沈客运专线钢轨焊接采用闪光焊和铝热焊"高速铁路也拟采用这两种钢轨焊接方式’钢轨的屈服极限-应采用铝热焊接头的屈服极限’‘14锁定轨温计算无缝线路设计锁定轨温又称为中和温度’已知允许温升%""&+允许温降%""&以及YC当地近#+年来最高+最低轨温"+""可由图#<"<"<1推导出中和温度计算公式"即.8g.FG图#<"<"<1!中和温度计算图中和温度#".8g=".FG%""C&<%""Y&!!!"BQ=R"",)公式#<"<"对于高速铁路"取锁定轨温上限")*<3>*(.Q"B=锁定轨温下限")*!3>*’GQ"B<求得"+"值必须满足以下条件#.G".8g<"G’%""Y&(!!".<".FG’%""C&’三!$HO软件无缝线路锁定轨温设计软件!!!$HO)+*是铁道科学研究院专门为计算无缝线路强度和稳定性而开发的可视化软件"$HO计算器按上述计算原理编制"$HO运行在]FGCL‘2*$2M下’$HO#4+内置了大量的设计数据"采用图形和计算报告文件的形式输出结果"其中的界面如图#<"<"<*所示’,#(%, 图#<"<"<*第三节!桥上无缝线路一!设计原则!4应考虑梁轨间的附加纵向力!使之满足下列1项要求"第一!控制长钢轨纵向压力值!以防桥上无缝线路胀轨跑道#第二!控制长钢轨纵向拉力值!以满足钢轨强度#第三!控制钢轨折断时断缝的拉开值!使之在允许值范围内!以确保行车安全#第四!控制桥梁墩台的纵向水平力值!以确保桥梁的安全使用$"4合理选择轨道部件参数!尽量延长轨节长度$#4在长大桥上考虑铺设钢轨伸缩调节器时!应确保调节器的功能正常$14尽量使桥上无缝线路锁定轨温与路基无缝线路锁定轨温一致$%#(&% 二!梁轨纵向相互作用机理桥上铺设无缝线路后!由于温差影响梁体伸缩!或由于列车垂直荷载作用梁体挠曲而产生上翼缘平移!或由于桥梁支座"纵向或垂向#位移带动梁体平移!或列车起动牵引$制动引起轨面平移!或冬季长钢轨折断钢轨自断缝向两端收缩!梁轨间在纵向上产生相对位移%又由于存在轨道阻力!梁轨间的纵向相对位移受到约束!因此梁轨间在纵向上产生大小相等$方向相反的相互作用力%梁轨间的相互作用力一方面作用于钢轨截面!同时一方面通过梁体传递至支座!桥梁和钢轨组成相互作用$相互约束的力学平衡体系%由此可知!梁轨间产生纵向相互作用力的必要充分条件是&2梁轨纵向相对位移’3轨道阻力%对于无碴轨道!轨道阻力即为纵向扣件阻力%桥上无缝线路纵向力包含1项!即2伸缩力(((由于梁体温差影响伸缩而产生的梁轨间纵向力%作用于一孔或一联梁内的!股钢轨伸缩力用M表示!并按主力检算%!3挠曲力(((由于列车垂直荷载作用使梁体挠曲而产生的梁轨间纵向力%作用于一孔或一联梁内的!股钢轨挠曲力用M表示!并按主力检算%"4断轨力(((由于钢轨折断而产生的梁轨间纵向力%作用于一孔或一联梁内的!股钢轨断轨力用M表示%在无缝线路伸缩区不考虑M!并特殊荷载检算%##5制动力(((由于列车制动而产生的梁轨问纵向力%作用于支座的一线列车制动力用M表示%由于目前缺少列车制动过程中的实测资料!M按现行桥涵设计规范办理!并11按附加力检算%三!计算模型由梁轨相互作用机理可以建立具有普遍性的梁轨相互作用的计算模型!如图#<"<#钢梁!!!!!!""")QR"*>"4梁轨间纵向位移阻力系数:影响梁轨问纵向相互作用力大小的重要因素之一!就是梁轨问纵向位移阻力系数:":的定义是#单位长度轨道上使梁轨间产生单位的相对位移时!梁轨之间所需施加的的纵C向力":反映了约束桥梁和轨道之间相对位移的能力即扣件阻力!其量纲为%"&计算式!为#+:!!!!:Q’公式#<"<#个有限单元!任取单元长度为Cg的钢轨!分析其受力!如图#<"<#<#所示!可得$图#<"<#<#!微段钢轨受力图C5Q&@,个钢轨有限单元中!相连单元之间的纵向力和位移相等!因此由公式#<"<#<*’公式#<"<#<3可联立组成">[">的方程组#引入以下边界条件%在无缝线路的起迄点!7Q+!在)N处!7Q)N伸缩阻力!钢轨折断处!7Q+!可解得钢轨单元截面的位移%和纵向力5#这一计算过程若采用解析法则难度相)当大!应采用数值解法#由一孔或一联梁纵向上力的平衡条件!可得!股钢轨梁轨纵向力传递至梁内支座的量值$%!!!$Q5@<5T=h9‘Y.&公式#<"<#[">的方阮组!引入边界条件后!又可解得%)%5%$!这样迭代下去9直至满足精度$迭代过程中!公式#<"<#