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1、第六章第六章 无缝线路无缝线路第一节第一节 概述概述第二节第二节 长钢轨轴向温度力长钢轨轴向温度力第三节第三节 无缝线路稳定性无缝线路稳定性第四节第四节 路基上的无缝线路轨道设计路基上的无缝线路轨道设计第五节第五节 桥上无缝线路桥上无缝线路6.1 6.1 铁路无缝线路概述铁路无缝线路概述l无缝线路定义无缝线路定义l无缝线路优点无缝线路优点l无缝线路发展概况无缝线路发展概况l无缝线路结构型式无缝线路结构型式l无缝线路铺设范围无缝线路铺设范围无缝线路定义无缝线路定义l用具有相当长度的焊接长度长钢轨代替普用具有相当长度的焊接长度长钢轨代替普通标准钢轨的轨道称为无缝线路。通标准钢轨的轨道称为无缝线路。
2、无缝线路优点无缝线路优点l无缝线路可减少养护维修劳力和材料。无缝线路可减少养护维修劳力和材料。l无缝线路可减少列车运行能耗。无缝线路可减少列车运行能耗。l无缝线路可以提高旅客的舒适度。无缝线路可以提高旅客的舒适度。l无缝线路可以降低线路的噪音。无缝线路可以降低线路的噪音。无缝线路结构型式无缝线路结构型式l温度应力式。在运营过程中，随着轨温的变化，每温度应力式。在运营过程中，随着轨温的变化，每段无缝线路除两端的伸缩区放散部分温度应力外，段无缝线路除两端的伸缩区放散部分温度应力外，通常不放散温度应力，它有固定的锁定轨温；通常不放散温度应力，它有固定的锁定轨温；l定期放散应力式。为减小无缝线路的最大
3、温度应力定期放散应力式。为减小无缝线路的最大温度应力值，定期进行应力放散，通常每年春、秋季各放散值，定期进行应力放散，通常每年春、秋季各放散一次，它有两个锁定轨温；一次，它有两个锁定轨温；l自动放散应力式。在无缝线路的中部或端部锁定一自动放散应力式。在无缝线路的中部或端部锁定一定长度，其余部分采用特制扣件，允许长轨条随着定长度，其余部分采用特制扣件，允许长轨条随着轨温变化而伸缩，从而放散温度应力，它无固定的轨温变化而伸缩，从而放散温度应力，它无固定的锁定轨温。锁定轨温。图图l温度应力式无缝线路的发展经历了三个阶段：温度应力式无缝线路的发展经历了三个阶段：l普通无缝线路普通无缝线路：无缝线路的轨
4、条长度不长，考虑：无缝线路的轨条长度不长，考虑自动闭塞区段绝缘接头的设置、桥梁、隧道、道自动闭塞区段绝缘接头的设置、桥梁、隧道、道岔衔接及施工养护维修的方便，其长轨长度一般岔衔接及施工养护维修的方便，其长轨长度一般为为1-2km，两端铺，两端铺2-4对标准轨组成的对标准轨组成的“缓冲区缓冲区”。l区间无缝线路区间无缝线路：随着胶接绝缘接头技术的推广应：随着胶接绝缘接头技术的推广应用及无缝线路施工技术的完善，为满足列车提速用及无缝线路施工技术的完善，为满足列车提速的需要，尽量减少钢轨接头的存在，把原来长的需要，尽量减少钢轨接头的存在，把原来长1-2km的长轨条延长，使长轨长度达到或接近两个的长轨
5、条延长，使长轨长度达到或接近两个车站之间的长度。车站之间的长度。l跨区间无缝线路跨区间无缝线路:为了最大限度减少钢轨接头，为了最大限度减少钢轨接头，延长轨条长度，把区间无缝线路的长轨条延长延长轨条长度，把区间无缝线路的长轨条延长与车站道岔焊接在一起，成为跨区间无缝线路，与车站道岔焊接在一起，成为跨区间无缝线路，是当今无缝线路的发展方向。目前，我国无缝是当今无缝线路的发展方向。目前，我国无缝线路在京广线上最长一段线路在京广线上最长一段140km，京沪上最长，京沪上最长一段一段104km，此外长，此外长2060km的无缝线路数量的无缝线路数量更多，据统计我国现有跨区间无缝线路的数量更多，据统计我国
6、现有跨区间无缝线路的数量约约7000km。l跨区间无缝线路取消了缓冲轨，区间内的绝缘跨区间无缝线路取消了缓冲轨，区间内的绝缘接头承受巨大纵向力，因此研究与生产高强度、接头承受巨大纵向力，因此研究与生产高强度、高韧性的胶接绝缘接头成为推广应用超长无缝高韧性的胶接绝缘接头成为推广应用超长无缝线路关键技术之一。线路关键技术之一。l无缝线路结构按照连接方式可分为两类：无缝线路结构按照连接方式可分为两类：用缓冲用缓冲轨连接轨连接及及用钢轨伸缩调节器连接用钢轨伸缩调节器连接。l日本新干线上铺设的无缝线路，每隔日本新干线上铺设的无缝线路，每隔1.5km设置设置一组钢轨伸缩调节器，我国沈阳、哈尔滨铁路局一组钢
7、轨伸缩调节器，我国沈阳、哈尔滨铁路局曾有曾有40km无缝线路采用钢轨伸缩调节器连接，无缝线路采用钢轨伸缩调节器连接，其优点是必要时放散应力及处理故障方便，但因其优点是必要时放散应力及处理故障方便，但因设备投资费用较高，在我国一般线路上不再大量设备投资费用较高，在我国一般线路上不再大量使用，但大桥上铺设无缝线路仍然广泛应用。使用，但大桥上铺设无缝线路仍然广泛应用。长轨条长轨条标准长度钢轨标准长度钢轨长轨条长轨条缓冲区缓冲区无缝线路的铺设范围无缝线路的铺设范围l由由于于无无缝缝线线路路在在严严寒寒酷酷暑暑季季节节具具有有巨巨大大的的温温度度拉拉力力和和压压力力，因因而而在在某某些些地地区区和和某某
8、些些特特殊殊地地段段的的应应用用受受到到限限制制，如如最最大大轨轨温温差差、最最小小曲曲线线半半径径、最最大坡道大坡道。l目前世界各国投入大量人力和物力从事研究，突目前世界各国投入大量人力和物力从事研究，突破已有的限制，扩大铺设范围。破已有的限制，扩大铺设范围。采用加强轨道结构的特殊措施采用加强轨道结构的特殊措施l采用加强轨道结构的特殊措施可在更小采用加强轨道结构的特殊措施可在更小半径曲线上铺设无缝线路，奥地利采用半径曲线上铺设无缝线路，奥地利采用翼形轨枕；我国采用了防胀挡板。翼形轨枕；我国采用了防胀挡板。奥地利采用翼形轨枕奥地利采用翼形轨枕我国在大温差、小半径曲线上应用的防胀挡板我国在大温差
9、、小半径曲线上应用的防胀挡板6.2 6.2 长钢轨轴向温度力长钢轨轴向温度力 6.2.1 完全约束的长钢轨温度力完全约束的长钢轨温度力6.2.2 设有缓冲区的长钢轨温度力设有缓冲区的长钢轨温度力6.2.1 6.2.1 完全约束的长钢轨温度力完全约束的长钢轨温度力 LPPTs-钢轨锁定轨温，又称零应力轨温（钢轨锁定轨温，又称零应力轨温（）T-钢轨计算温度（钢轨计算温度（）；高温时，取当地气温加）；高温时，取当地气温加20，低温时取当地气温。长隧道内，最高轨温，低温时取当地气温。长隧道内，最高轨温可按当地最高气温计。可按当地最高气温计。l钢轨伴随轨温变化的伸缩变形完全受到约束时，钢轨伴随轨温变化的
10、伸缩变形完全受到约束时，其温度应力仅仅与其轨温变化幅度呈线性关系，其温度应力仅仅与其轨温变化幅度呈线性关系，而与钢轨的长度无关。而与钢轨的长度无关。l只要能够实现钢轨的完全约束，无缝线路可以只要能够实现钢轨的完全约束，无缝线路可以任意的增加长度而不会增加钢轨应力。任意的增加长度而不会增加钢轨应力。例例6.16.1 l郑州地区郑州地区Tmax=63，Tmin=17.9，锁定轨温设计值，锁定轨温设计值Ts=25，锁定轨温变化范围取，锁定轨温变化范围取255，即，即2030，计，计算算60kg/m钢轨最大温度压力和拉力。钢轨最大温度压力和拉力。解：解：最大温升幅度最大温升幅度maxT1=63.020
11、.0=43.0 最大温降幅度最大温降幅度maxT2=30.0（17.9）=47.9 对于对于60kg/m钢轨，最大温度压力：钢轨，最大温度压力：maxPt1=Emax T1F =2.110711.810-64377.45826260.73N 最大温度拉力：最大温度拉力：maxPt2=EmaxT2F =2.110711.810-647.977.45919302.07N6.3 6.3 无缝线路轨道稳定性无缝线路轨道稳定性l6.3.1 无缝线路轨道稳定性概念无缝线路轨道稳定性概念l6.3.2 影响无缝线路稳定性的因素影响无缝线路稳定性的因素l6.3.3 计算模型及其求解计算模型及其求解l6.3.4
12、无缝线路轨道稳定性计算例题无缝线路轨道稳定性计算例题l处于高温条件下的无缝线路轨道易于发生横向位处于高温条件下的无缝线路轨道易于发生横向位移，形成线路移，形成线路方向不良方向不良，影响列车行驶的平稳性，影响列车行驶的平稳性，甚至甚至胀轨跑道胀轨跑道，引发列车脱轨事故。因此，无缝，引发列车脱轨事故。因此，无缝线路轨道稳定性成为铁路运输业普遍关注的问题线路轨道稳定性成为铁路运输业普遍关注的问题之一。之一。6.3.1 6.3.1 无缝线路轨道稳定性概念无缝线路轨道稳定性概念 l无缝线路轨道稳定性主要研究无缝线路轨道稳定性主要研究高温条件下轨道高温条件下轨道横向位移与钢轨温度力的变化规律，并针对轨横向
13、位移与钢轨温度力的变化规律，并针对轨道及其运营环境条件，确定相应的轨温变化幅道及其运营环境条件，确定相应的轨温变化幅度及横向变形位移容许值，制定相应的轨道设度及横向变形位移容许值，制定相应的轨道设计标准及线路维修标准。计标准及线路维修标准。l无缝线路轨道在横向受到道床的约束，由于钢无缝线路轨道在横向受到道床的约束，由于钢轨制造及列车运行等原因，导致轨道方向不良，轨制造及列车运行等原因，导致轨道方向不良，即存在所谓的即存在所谓的“轨道原始弯曲轨道原始弯曲”。在上述条件。在上述条件下，无缝线路轨道的横向位移下，无缝线路轨道的横向位移f与钢轨温升幅度与钢轨温升幅度T之间存在着如之间存在着如图图6-8
14、的关系。的关系。lf0表示轨道存在的原始弯曲矢度，依横向位移随表示轨道存在的原始弯曲矢度，依横向位移随钢轨温升的变化特征，曲线变化可分为三个阶段钢轨温升的变化特征，曲线变化可分为三个阶段:l第一阶段第一阶段:OA：轨温上升，因轨道横向位移受：轨温上升，因轨道横向位移受到道床的约束，轨道保持原始弯曲的状态，横向到道床的约束，轨道保持原始弯曲的状态，横向位移不发生增长。位移不发生增长。l第二阶段第二阶段:AB：轨道随钢轨温升发生横向位移，：轨道随钢轨温升发生横向位移，轨道的弯曲矢度进一步扩大，习惯称为轨道的弯曲矢度进一步扩大，习惯称为胀轨胀轨阶段。阶段。l第三阶段第三阶段:BC（经过（经过S点）：
15、钢轨温升超过点）：钢轨温升超过TB之后，轨道将发生突发性横移，即位移骤然之后，轨道将发生突发性横移，即位移骤然扩大，并可能伴随有轻微响声，习惯称为扩大，并可能伴随有轻微响声，习惯称为跑道跑道。图图6-8l在普遍的力学原理中，对于存在原始弯曲（初始在普遍的力学原理中，对于存在原始弯曲（初始缺陷）的受压杆件，其受力平衡状态曲线有如缺陷）的受压杆件，其受力平衡状态曲线有如图图6-96-9所示的形状，极值点所示的形状，极值点B B对应着压杆失稳。从实对应着压杆失稳。从实用的观点出发，各国铁路工程界趋向于采取以下用的观点出发，各国铁路工程界趋向于采取以下两个稳定性判别准则来处理无缝线路稳定性问题两个稳定
16、性判别准则来处理无缝线路稳定性问题:安全温升法安全温升法、极限状态法极限状态法（1 1）安全温升法）安全温升法l前苏联米辛柯（前苏联米辛柯（MeHko）美国柯尔（美国柯尔（Kerr）等）等人主张采用值作为控制无缝线路稳定性设计的取人主张采用值作为控制无缝线路稳定性设计的取值，值，TS称为安全温升，如称为安全温升，如图图6-9所示。以安全所示。以安全温升判别无缝线路稳定性，温升判别无缝线路稳定性，其主要出发点是：其主要出发点是：当当钢轨温升幅值小于钢轨温升幅值小于TS 时，无论轨道的原始弯时，无论轨道的原始弯曲以及外力作用所引起的横向变形积累扩展到何曲以及外力作用所引起的横向变形积累扩展到何等程
17、度，其轴向温度压力不会超过等程度，其轴向温度压力不会超过B点，线路也点，线路也不会发生胀轨跑道。不会发生胀轨跑道。（2）极限状态法）极限状态法 l我国铁道部颁布的统一无缝线路稳定性计算公式我国铁道部颁布的统一无缝线路稳定性计算公式规定，由钢轨温升所引起的轨道横向位移最大值规定，由钢轨温升所引起的轨道横向位移最大值不得超过不得超过2mm，该值所对应的钢轨温升幅度为容，该值所对应的钢轨温升幅度为容许温升幅度许温升幅度TN，如，如图图6-9所示。所示。其主要出发点其主要出发点是：是：轨道横向位移超过轨道横向位移超过2mm时，将易于形成轨道时，将易于形成轨道横向变形积累，增大钢轨弯曲矢度，逐渐降低无横
18、向变形积累，增大钢轨弯曲矢度，逐渐降低无缝线路的稳定性，最后导致无缝线路胀轨跑道。缝线路的稳定性，最后导致无缝线路胀轨跑道。道床道床横向阻力横向阻力无缝线路胀轨跑道后的轨道状态无缝线路胀轨跑道后的轨道状态 TTATBTSf+f0f0图图6-8 6-8 轨道横向位移与钢轨温升幅度关系曲线轨道横向位移与钢轨温升幅度关系曲线图图6-9 6-9 受压杆件受力平衡状态曲线受压杆件受力平衡状态曲线6.3.2 6.3.2 影响无缝线路稳定性的因素影响无缝线路稳定性的因素 l试验研究及运营经验表明，影响无缝线路稳定试验研究及运营经验表明，影响无缝线路稳定性的主要因素有：性的主要因素有：钢轨的温升幅度钢轨的温升
19、幅度、轨道原始轨道原始不平顺不平顺、道床横向阻力道床横向阻力以及以及轨道框架刚度轨道框架刚度等。等。前两项是促使无缝线路轨道失稳的因素，后两前两项是促使无缝线路轨道失稳的因素，后两项是保持稳定性的因素。另外，道床纵向阻力项是保持稳定性的因素。另外，道床纵向阻力和中间扣件的抗扭转作用对无缝线路轨道稳定和中间扣件的抗扭转作用对无缝线路轨道稳定性影响较小。性影响较小。一、钢轨的温升幅度一、钢轨的温升幅度 l钢轨的温升幅度钢轨的温升幅度是钢轨相对于锁定温度的轨温升是钢轨相对于锁定温度的轨温升高值。已如上述，随着轨温的升高，长钢轨不断高值。已如上述，随着轨温的升高，长钢轨不断积累的温度压力超过某个极限值
20、后，轨道将丧失积累的温度压力超过某个极限值后，轨道将丧失稳定，横向变形迅速增长，形成轨道方向不良，稳定，横向变形迅速增长，形成轨道方向不良，危及行车安全。钢轨温升幅度的增长是无缝线路危及行车安全。钢轨温升幅度的增长是无缝线路丧失稳定的最关键因素。丧失稳定的最关键因素。二、轨道原始弯曲二、轨道原始弯曲 l轨道原始弯曲轨道原始弯曲是指无缝线路轨道在钢轨零应力是指无缝线路轨道在钢轨零应力状态下固有的方向不平顺。钢轨的焊接、制造、状态下固有的方向不平顺。钢轨的焊接、制造、运输以及养护维修等作业过程中的不良后果，运输以及养护维修等作业过程中的不良后果，都可导致轨道的原始弯曲。轨道原始弯曲通常都可导致轨道
21、的原始弯曲。轨道原始弯曲通常包括包括塑性原始弯曲塑性原始弯曲和和弹性原始弯曲弹性原始弯曲。塑性原始。塑性原始弯曲是钢轨在轧制、运输、焊接和铺设过程中弯曲是钢轨在轧制、运输、焊接和铺设过程中形成的塑性变形，呈现钢轨轴线不平直。弹性形成的塑性变形，呈现钢轨轴线不平直。弹性原始弯曲是在温度力和列车横向力的反复作用原始弯曲是在温度力和列车横向力的反复作用下产生的，钢轨弹性原始弯曲的特点是积蓄有下产生的，钢轨弹性原始弯曲的特点是积蓄有弹性形变位能。弹性形变位能。三、道床横向阻力三、道床横向阻力 l道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称为道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称为道床横向道床横向阻力阻力，它是防止无缝线
22、路胀轨跑道，保证无缝线，它是防止无缝线路胀轨跑道，保证无缝线路稳定性的主要因素。铁路工程经验表明，在稳路稳定性的主要因素。铁路工程经验表明，在稳定轨道框架的因素中，道床的贡献约为定轨道框架的因素中，道床的贡献约为65%，钢，钢轨约为轨约为25%，扣件约为，扣件约为10%。l道床横向阻力的构成道床横向阻力的构成是：道床肩部的阻力占是：道床肩部的阻力占2030%，轨枕两侧占，轨枕两侧占2030%，轨枕底部占，轨枕底部占50%。为使道床横向阻力达到设计要求，不仅要求道床为使道床横向阻力达到设计要求，不仅要求道床断面符合标准尺寸，还应捣固紧密，其断面符合标准尺寸，还应捣固紧密，其道床密实道床密实度度应
23、达到应达到1700kg/m3。四、四、轨道框架刚度轨道框架刚度 l轨道框架刚度轨道框架刚度反映轨道框架抵抗横向弯曲的能力。反映轨道框架抵抗横向弯曲的能力。轨道框架刚度越大，抵抗横向弯曲变形的能力就越轨道框架刚度越大，抵抗横向弯曲变形的能力就越强。强。轨道框架刚度轨道框架刚度是两股钢轨的横向水平刚度及钢是两股钢轨的横向水平刚度及钢轨与轨枕节点间的阻矩抵抗横向弯曲能力的总和。轨与轨枕节点间的阻矩抵抗横向弯曲能力的总和。l轨道框架的水平刚度可取为：轨道框架的水平刚度可取为：l6.5.1 6.5.1 桥上无缝线路概况桥上无缝线路概况l6.5.2 6.5.2 桥上无缝线路的附加力桥上无缝线路的附加力l6
24、.5.3 6.5.3 伸缩力、挠曲力计算方法伸缩力、挠曲力计算方法l6.5.4 6.5.4 桥上无缝线路设计桥上无缝线路设计6.5 桥上无缝线路桥上无缝线路 6.5.2 6.5.2 桥上无缝线路的附加力桥上无缝线路的附加力 l桥上无缝线路设计除计算长钢轨的温度力桥上无缝线路设计除计算长钢轨的温度力作用之外，还应计算桥上纵向附加力作用，作用之外，还应计算桥上纵向附加力作用，包括：包括：伸缩力伸缩力、挠曲力挠曲力、制动力制动力及及断轨力断轨力。一、伸缩力一、伸缩力 l梁跨结构因温度变化而梁跨结构因温度变化而伸缩伸缩。在明桥面上，梁跨。在明桥面上，梁跨结构翼缘的这种纵向变形（即伸缩位移），受到结构翼
25、缘的这种纵向变形（即伸缩位移），受到梁轨间联结的约束，使钢轨产生纵向附加力的作梁轨间联结的约束，使钢轨产生纵向附加力的作用。在有碴桥上，道床也对梁、轨间的相对位移用。在有碴桥上，道床也对梁、轨间的相对位移产生约束阻力，使钢轨形成附加纵向力。产生约束阻力，使钢轨形成附加纵向力。伴随温伴随温度变化，因梁轨相对位移而产生的钢轨纵向附加度变化，因梁轨相对位移而产生的钢轨纵向附加力称之为力称之为伸缩力伸缩力。梁位移梁位移钢轨钢轨位移位移温度力作用下梁、轨位移温度力作用下梁、轨位移二、挠曲力二、挠曲力 l在列车荷载作用下，梁跨结构因挠曲引在列车荷载作用下，梁跨结构因挠曲引起梁轨起梁轨相对位移相对位移而产生
26、的钢轨纵向附加而产生的钢轨纵向附加力称之为力称之为挠曲力挠曲力。/2/2h1h2lx三、制动力三、制动力 l如果列车在如果列车在桥上制动桥上制动，列车制动引起钢，列车制动引起钢轨伸缩而产生的纵向附加力称为轨伸缩而产生的纵向附加力称为制动附制动附加力加力。l以上钢轨纵向附加力通过梁轨相互作用以上钢轨纵向附加力通过梁轨相互作用而传递于梁跨结构和固定支座，致使桥而传递于梁跨结构和固定支座，致使桥梁墩台承受附加水平力作用并产生弹性梁墩台承受附加水平力作用并产生弹性变形，发生墩顶纵向位移变形，发生墩顶纵向位移。四、断轨力四、断轨力 l因桥上长钢轨因桥上长钢轨折断折断，引起桥跨结构与长，引起桥跨结构与长钢轨相对纵向位移而产生的纵向力称为钢轨相对纵向位移而产生的纵向力称为断轨力断轨力。断轨力通过梁、轨间的约束传。断轨力通过梁、轨间的约束传递于墩台的固定支座递于墩台的固定支座。钢轨拉断钢轨拉断习题l1 什么是无缝线路？l2无缝线路结构按照连接方式可分为那两类？l3 无缝线路常用结构型式是？l4无缝线路稳定性的影响因素？l5 如何提高无缝线路稳定性？l6 什么是桥上无缝线路？