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1、普通铁路路基设计必须要考虑荷载的影响时，计算中常把静荷载和动荷载一并简化作为静荷载处理，即通常的换算土柱法 高速铁路的路基设计必须进行动态分析，此时须要计算列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力的大小及分布规律 第1页/共42页二二 路基承受的静荷载及其计算方法路基承受的静荷载及其计算方法轨道荷载和停留在轨道上的机车车辆荷载为静荷载。路基标准活载的计算如图所示，该活载通过轨道传播到路基面上第2页/共42页中-活载图式 第3页/共42页在横断面上的分布宽度自轨枕底两端向下在横断面上的分布宽度自轨枕底两端向下按按45450 0扩散角计算扩散角计算 换算土柱图式 第4页/共42页新建时速200250
2、公里客运专线的列车荷载采用ZK荷载，即0.8UIC荷载 其中时速200公里时，道床厚度按30cm，道碴重度20kN/m3，钢轨重量0.6064kN/m，轨枕长2.6m，轨枕及扣件重量3.7kN/根。钢轨重量：道碴重量：轨道荷载：列车活载：，换算土柱高：第5页/共42页三路基面动应力的一般规律三路基面动应力的一般规律荷载分担作用及钢轨挠曲变形曲线 第6页/共42页枕面支承力的分配比例 第7页/共42页轨枕顶面的支承力通过轨枕和道床向下往路基中传播。图表示单根轨枕在线路纵向即轨枕断面方向上的传播情况1 一般规律第8页/共42页单根轨枕下的压力分布（德国资料）第9页/共42页 图表示邻枕对压力分布的
3、影响。从图中可见，当深度达到轨枕宽度的3倍，即距枕底70 cm左右时，沿线路纵向的压力分布就比较均匀了 第10页/共42页路基上一点第11页/共42页沿轨道纵向第12页/共42页图34 郑武线测定段路基面横向动应力分布2 动应力的横向分布规律第13页/共42页图35 秦沈线实测基床表面动应力的分布第14页/共42页路基横断面第15页/共42页 路基面动应力沿横向呈马鞍型，钢轨下最大，轨枕端头次之，道心处最小；轨枕端头的动应力约为钢轨下动应力的4550，道心的动应力约为钢轨下的3537。综合国内外的实测数据表明，路基面动应力幅值的集中域一般在5070kPa左右，最大值可达110kPa第16页/共
4、42页3 3 路基面上的动应力沿深度的衰减路基面上的动应力沿深度的衰减一般地说，路基面以下0.6m范围内（距枕底约1m）动应力衰减最急剧。日本资料认为基面下3.0m处的动应力约为自重应力的10%，它对路堤变形的影响也已忽略不计，因此日本把3.0m范围定为基床厚度。路基面动应力的大小及其沿深度的衰减可按半空间弹性理论公式计算(Bousinesq)。第17页/共42页第18页/共42页三 路基面动应力的影响因素路基面动应力与机车车辆的类型、轴重、动态特性及轨道结构、轨道不平顺和列车速度、道床厚度及路基本身的刚度等多种因素有关。第19页/共42页1 轴重的影响 动应力与轴重也呈线性关系 第20页/共
5、42页2 列车速度的影响 路基面动应力总体上随列车速度的增加而增大，并且呈现出较为明显的线性关系，但其增大的斜率与线路状况、机车车辆性能有关。第21页/共42页 路基面动应力与列车速度的关系曲线（日本）第22页/共42页3轨道平顺性的影响 轨道不平顺实际上是轨道结构和路基状态的综合反映，线路平顺性愈好，路基承受的动应力愈小，变化范围也愈均匀。列车前方有一凹糟第23页/共42页4道床厚度的影响 钢轨、轨枕传递下来的列车荷载通过道床的扩散作用传递到路基面，因此道床越厚，传递到路基面上的应力越小。同济大学曾利用动力有限元分析了道床厚度对路基面应力的影响，结果发现在一定厚度以内，随道床厚度的提高路基面
6、竖向动应力显著减小，但当道床厚度超过一定值后，路基面的动应力虽随道床厚度的提高而减小，但减小的幅度不大。第24页/共42页5路基刚度的影响 试验及理论分析结果均表明，路基刚度也将影响路基面的应力。减小路基刚度，可使路基面的最大动应力减小；但同时，长期行车引起的路基面塑性变形增加。第25页/共42页四四 路基面动应力简化计算法路基面动应力简化计算法路基面平均动应力简化计算图式（日本道床厚度25cm）日本在设计东海道新干线时，采用了图所示的计算图式。并且假设传播到路基面上的动应力在全部受荷面积上为均布 第26页/共42页单轮载作用下路基面上的动应力分布 沿线路纵向的动应力分布如图所示，简化成了5个
7、均布的矩形荷载，每个矩形荷载的平均动应力值可按下式计算：第27页/共42页按此图式计算出的是路基面上的平均动应力。轮载力P是按动轮载计算的，即 普通线路 无缝线路 式中，Pd为动轮载；Ps为静轮载；v为时速（km/h)。若v300，仍按300计。式中括号内第二项的系数0.5及0.3代表与速度相关的动力冲击系数，或称速度影响系数。第28页/共42页参考以上日本的简化计算法，我国铁科院建议按下图的计算图式计算路基面动应力的最大值，并以此作为高速铁路路基的设计荷载 路基面动应力的最大值 第29页/共42页 第30页/共42页五多层系统中的应力计算五多层系统中的应力计算荷载通过道床的扩散传播可用土力学
8、教科书介绍的半空间弹性理论来计算条形荷载，作用在道床顶面1.Odemark当量理论第31页/共42页第32页/共42页对于三层系统（道床和路基之间有一层2530cm的垫层或称路基保护层），可按Odemark理论进行简化，如图所示用一个当量半空间来换算。第33页/共42页Odemark当量理论计算多层系统中的应力(Eisenmann)第34页/共42页2 2 二层系统计算公式二层系统计算公式当计算矩形均布荷载中心点下方的应力和中心点的变形时可直接采用下面两式计算 第35页/共42页第36页/共42页E1-基床表层的变形模量；E2-基床下层的变形模量；第37页/共42页3 3 多层系统换算法多层系统换算法该法仍以三层系统为基础，把多层系统换算成三层系统计算。以底层为基本层不变，其上各层当量厚度为 第38页/共42页换算系数换算系数值与值与m m值值 表中E0为基本层，Ei为换算层第39页/共42页第40页/共42页多层系统换算成三层系统 计算多层系统时，如图所示，基本层的En不动，第一层的E1、h1也保持不动，而把第一层和基本层之间的其余各层均化为具有E2的当量层，再连同原来的h2相加成新的中间层H，组成当量的三层系统，H的换算公式为：第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页