第八章 無(wú)縫線路

1、.,第八章 無(wú) 縫 線 路,.,無(wú)縫線路也叫長(zhǎng)鋼軌線路。就是把若干根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌經(jīng)焊接成為10002000m而鋪設(shè)的鐵路線路。 通常是在焊軌廠將無(wú)孔標(biāo)準(zhǔn)軌焊接成200500m的軌條，再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)就地焊接后鋪設(shè)。,1、基本概念,.,隨著無(wú)縫線路一系列理論和技術(shù)問(wèn)題的解決，無(wú)縫線路于五十年代得以迅速發(fā)展。德國(guó)是無(wú)縫線路發(fā)展最早的國(guó)家，1926年就開(kāi)始試鋪，到50年代，已將無(wú)縫線路作為國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)線路。到60年代已開(kāi)始試驗(yàn)把無(wú)縫線路和道岔焊連在一起，至今大部分道岔已焊成無(wú)縫道岔。我國(guó)雖然從30年代開(kāi)始鋪設(shè)無(wú)縫線路，但進(jìn)展較緩慢，直到70年代才得以迅速發(fā)展，以年平均鋪設(shè)7590km的速度增長(zhǎng)，最多時(shí)年鋪

2、設(shè)達(dá)到10000km。到1979年底無(wú)縫線路已超過(guò)12萬(wàn)km，是目前全世界鋪設(shè)無(wú)縫線路最多的國(guó)家。,2、無(wú)縫線路發(fā)展歷程,.,日本于50年開(kāi)始鋪設(shè)無(wú)縫線路，現(xiàn)已鋪設(shè)5000余公里。近年來(lái)日本在新干線上采用了一次性鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)。 前蘇聯(lián)由于大部分地區(qū)溫度變化幅度較大，對(duì)無(wú)縫線路的發(fā)展有所影響，直到1956年才正式開(kāi)始鋪設(shè)。近十年發(fā)展較快，無(wú)縫線路已達(dá)5000余公里。,.,我國(guó)無(wú)縫線路從1957年開(kāi)始試鋪，開(kāi)始時(shí)采用電弧焊法，分別在北京、上海各試鋪了1km，以后逐步擴(kuò)大。后來(lái)在工廠采用氣壓焊或接觸焊將鋼軌焊成250500m的長(zhǎng)軌條，然后運(yùn)至鋪設(shè)地點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)用鋁熱焊或小型氣壓焊將其焊連成設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

3、一般情況下，一段無(wú)縫線路長(zhǎng)度為l 0002000m。每段之間鋪設(shè)24根調(diào)節(jié)軌，接頭采用高強(qiáng)度螺栓連接。 目前京廣、京滬、京沈、隴海等主要干線均已鋪設(shè)無(wú)縫線路。至今無(wú)縫線路已鋪設(shè)約2.46萬(wàn)km。90年代開(kāi)始又開(kāi)始了對(duì)超長(zhǎng)無(wú)縫線路的研究和試鋪工作，至今已在北京、上海、鄭州等路局鋪設(shè)了超長(zhǎng)無(wú)縫線路近千公里。,.,與普通線路相比，無(wú)縫線路在其長(zhǎng)鋼軌段內(nèi)消滅了軌縫，從而消除了車輪對(duì)鋼軌接頭的沖擊，使得列車運(yùn)行平穩(wěn)，旅客舒適，延長(zhǎng)了線路設(shè)備和機(jī)車車輛的使用壽命，減少了線路養(yǎng)護(hù)維修工作量，并能適應(yīng)高速行車的要求，是軌道現(xiàn)代化的發(fā)展方向。,3、無(wú)縫線路的基本特點(diǎn)及分類,1）特點(diǎn),.,2）分類 （1） 無(wú)縫線

4、路根據(jù)處理鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力方式的不同，可分為溫度應(yīng)力式和放散溫度應(yīng)力式兩種類型。,溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路是由一根焊接長(zhǎng)鋼軌及其兩端24根標(biāo)準(zhǔn)軌組成，并采用普通接頭的形式。,放散溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路，又分為自動(dòng)放散式和定期放散式兩種，適用于年軌溫差較大的地區(qū)。,.,（2）無(wú)縫線路根據(jù)鋼軌鋪設(shè)長(zhǎng)度劃分為：,普通無(wú)縫線路,全區(qū)間無(wú)縫線路,跨區(qū)間無(wú)縫線路,無(wú)縫線路,.,4、無(wú)縫線路阻力分析,線路阻力,縱向阻力,橫向阻力,豎向阻力,接頭阻力 扣件阻力 道床縱向阻力,道床橫向阻力 軌道框架水平剛度,道床豎向阻力 軌道框架垂直剛度,.,5、無(wú)縫線路縱向阻力 無(wú)縫線路縱向阻力包括接頭阻力、扣件阻力及道床縱向阻力。

5、5.1接頭阻力 鋼軌兩端接頭處由鋼軌夾板通過(guò)螺栓擰緊，產(chǎn)生阻止鋼軌縱向位移的阻力，稱接頭阻力。接頭阻力由鋼軌夾板間的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。為了安全，我國(guó)接頭阻力僅考慮鋼軌與夾板間的摩阻力。,.,夾板受力圖,.,5.2 扣件阻力 中間扣件和防爬設(shè)備抵抗鋼軌沿軌枕面縱向位移的阻力 ，稱扣件阻力。為了防止鋼軌爬行，要求扣件阻力必須大于 道床縱向阻力。 扣件阻力是由鋼軌與軌枕墊板面之間的摩阻力和扣壓件 與軌底扣著面之間的摩阻力所組成。摩阻力的大小、取決于 扣件扣壓力和摩擦系數(shù)的大小。,.,扣板受力圖,據(jù)鐵道科學(xué)研究院試驗(yàn)，如果混凝土軌枕下采用橡膠墊板，不論是扣板式扣件還是彈條式扣件，其摩擦系數(shù)為：

6、 1+20.8,.,5.3 道床縱向阻力 道床縱向阻力系指道床抵抗軌道框架縱向位移的阻 力。一般以每根軌枕的阻力值，或每延毫米分布阻力表 示。它是抵抗鋼軌伸縮，防止線路爬行的重要參數(shù)。 道床縱向阻力受道碴材質(zhì)、顆粒大小及級(jí)配、道床 斷面、搗固質(zhì)量、臟污程度、軌道框架重量等因素的影 響。,道床縱向阻力,軌枕與道床之間的摩阻力,枕木盒內(nèi)道碴抗推力,.,注意： 只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床抵抗軌枕縱向移動(dòng)的阻力，則無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌的溫度應(yīng)力和溫度應(yīng)變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。,.,道床縱向阻力與位移之間的關(guān)系,無(wú)縫線路設(shè)計(jì)中，采用軌枕位移為2mm時(shí)相應(yīng)的道床縱向阻力值。,

7、.,無(wú)縫線路的特點(diǎn)是軌條長(zhǎng)，當(dāng)軌溫變化時(shí)，鋼軌要發(fā)生伸縮，但由于有約束作用，不能自由伸縮，在鋼軌內(nèi)部要產(chǎn)生很大的軸向溫度力。為保證無(wú)縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定，需要了解長(zhǎng)軌條內(nèi)溫度力及其變化規(guī)律。為此首先要分析溫度力、伸縮位移與軌溫變化及阻力之間的關(guān)系。 一根長(zhǎng)度為可自由伸縮的鋼軌，當(dāng)軌溫變化 時(shí)，其伸縮量為,6、鋼軌溫度力與鎖定軌溫,.,如果鋼軌兩端完全被固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則將在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。根據(jù)虎克定律，溫度應(yīng)力 為： 式中 鋼的彈性模量，E2.1l05MPa； 則溫度應(yīng)力為： （MPa） 一根鋼軌所受的溫度力 為： 式中 鋼軌斷面積(mm2)。,.,即為無(wú)縫線路溫度應(yīng)力和溫

8、度力計(jì)算的基本公式。由此可得知：,1在兩端固定的鋼軌中所產(chǎn)生的溫度力，僅與軌溫變化幅度有關(guān)，而與鋼軌本身長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。因此，從理論上講，鋼軌可焊成任意長(zhǎng)，且對(duì)軌內(nèi)溫度力沒(méi)有影響。控制溫度力大小的關(guān)鍵是如何控制軌溫化幅度。 2對(duì)于不同類型的鋼軌，同一軌溫變化幅度產(chǎn)生的溫度力大小不同。對(duì)于75、60、50kg/m鋼軌，如軌溫變化l所產(chǎn)生的溫度力分別為23.6、19.2、16.3kN。 3無(wú)縫線路鋼軌伸長(zhǎng)量與軌溫變化幅度，軌長(zhǎng)有關(guān)，與鋼軌斷面積無(wú)關(guān)。,.,為降低長(zhǎng)軌條內(nèi)的溫度力，需選擇一個(gè)適宜的鎖定軌 溫，又稱零應(yīng)力狀態(tài)的軌溫。在鋪無(wú)縫線路中，將長(zhǎng)軌條 始終端落槽就位時(shí)的平均軌溫稱為施工鎖定軌溫。施工鎖

9、 定軌溫應(yīng)在設(shè)計(jì)鎖定軌溫允許變化范圍之內(nèi)。鎖定軌溫是 決定鋼軌溫度力水平的基準(zhǔn)，因此根據(jù)強(qiáng)度、穩(wěn)定條件確 定鎖定軌溫是無(wú)縫線路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。,鋪設(shè)無(wú)縫線路的關(guān)鍵是設(shè)法克服長(zhǎng)鋼軌因軌溫變化而產(chǎn)生的溫度力問(wèn)題。為此，無(wú)縫線路上長(zhǎng)鋼軌的兩端是用鋼軌聯(lián)結(jié)零件和防爬設(shè)備加以強(qiáng)制性固定的，其他部分也是采用強(qiáng)度大的中間聯(lián)結(jié)零件和防爬設(shè)備使之緊扣于鋼筋混凝土軌枕之上，稱為鎖定線路。,鎖定時(shí)(即鋪設(shè)或維修時(shí))的鋼軌溫度稱為鎖定軌溫。,.,6、溫度力圖面積與鋼軌伸縮量,1）溫度力圖面積與被約束伸縮量,任何溫度力圖都是對(duì)應(yīng)于一定的t?，F(xiàn)在任取一段鋼軌的溫度力圖進(jìn)行分析，如圖所示。此處溫度力圖為曲線，代表了道床縱向

10、阻力梯度取為變量的更一般的情況。,由于受有縱向力，則該段鋼軌L必存在有受到約束的，或說(shuō)未能實(shí)現(xiàn)的伸縮量Lr 。,.,而對(duì)于單位長(zhǎng)度的鋼軌來(lái)說(shuō)，必然存在相應(yīng)的受到約束而未能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變t(x)。對(duì)于長(zhǎng)度為dx的鋼軌，其受約束的伸縮量應(yīng)為t(x) dx，因此，該L段鋼軌被約束的總伸縮量為：,文字表述： L段鋼軌被約束的伸縮量等于該段鋼軌溫度力圖面積除以EF。,.,2）標(biāo)準(zhǔn)溫度力圖面積與全約束伸縮量 如一段鋼軌自其被鎖定之后未曾產(chǎn)生過(guò)任何伸縮位移，則其 溫度力圖為矩形，如圖所示：,.,此時(shí)，該L段鋼軌被約束的總伸縮量為L(zhǎng)t，即：,全約束伸縮量Lt的意思是：該段鋼軌自鎖定后，被完全約束住，未產(chǎn)生任何伸縮

11、變形，在溫度變化幅度為t時(shí)的伸縮量，它僅是t的函數(shù)。,溫度力為：,相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)椋?.,3）溫度力圖面積差及實(shí)現(xiàn)的伸縮量,任何一段鋼軌的兩個(gè)溫度力圖面積差都反映了該段鋼軌在兩種工況下被約束伸縮量的變化量，亦即實(shí)現(xiàn)了的伸縮量。,冬季斷軌時(shí)的溫度力圖,.,7、長(zhǎng)鋼軌溫度力圖分布規(guī)律 溫度力沿長(zhǎng)鋼軌的縱向分布，常用溫度力圖來(lái)表示 ，故溫度力圖實(shí)質(zhì)是鋼軌內(nèi)力圖。溫度力圖的橫坐標(biāo)軸 表示鋼軌長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)軸表示鋼軌的溫度力(拉力為正， 壓力為負(fù))。鋼軌內(nèi)部溫度力和鋼軌外部阻力隨時(shí)保持平 衡是溫度力縱向分布的基本條件。一根焊接長(zhǎng)鋼軌沿其 縱向的溫度力分布并不是均勻的，它不僅與阻力和軌溫 變化幅度等因素有關(guān)，而

12、且還與軌溫變化的過(guò)程有關(guān)。,.,7.1 約束條件 7.1.1接頭阻力的約束 為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常假定接頭阻力 為常量，見(jiàn)表8 1。無(wú)縫線路長(zhǎng)軌條鎖定后，當(dāng)軌溫發(fā)生變化，由于有接 頭的約束，長(zhǎng)軌條不產(chǎn)生伸縮，只在鋼軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生 溫度力 ，這時(shí)有多大溫度力作用于接頭上，接頭就提供 相等的阻力與之平衡。當(dāng)溫度力 大于接頭阻力 時(shí)，鋼 軌才能開(kāi)始伸縮。因此在克服接頭阻力階段，溫度力的大 小等于接頭阻力，即 =2.5 F = 式中 接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度()； 接頭阻力(N)； 鋼軌斷面面積(mm2)。,=,.,7.1.2道床縱向阻力的約束 接頭阻力被克服后，當(dāng)軌溫繼續(xù)變化時(shí)，道床縱向 阻

13、力開(kāi)始阻止鋼軌伸縮。但道床縱向阻力的產(chǎn)生是體現(xiàn) 在道床對(duì)軌枕的位移阻力，隨著軌枕位移的根數(shù)的增加 ，相應(yīng)的阻力也增加。為計(jì)算方便，常將單根軌枕的阻 力換算為鋼軌單位長(zhǎng)度上的阻力 ，并取為常量，由上 述特征可見(jiàn)，道床縱向阻力是以阻力梯度 的形式分布 。故在克服道床縱向阻力階段，鋼軌有少量伸縮，鋼軌 內(nèi)部分溫度力以位移的形式得到部分放散，因而發(fā)生位 移的鋼軌各截面的溫度力并不相等，以斜率 分布。 7.2基本溫度力圖 無(wú)縫線路鎖定以后，軌溫單向變化時(shí)，溫度力沿鋼 軌縱向分布的規(guī)律，稱為基本溫度力圖?，F(xiàn)以降溫為例 說(shuō)明，圖84即為基本溫度力圖。,.,.,當(dāng)軌溫 等于鎖定軌溫 時(shí)，鋼軌內(nèi)部無(wú)溫度力 ，即

14、 =0，如圖中AA線。 1當(dāng) 時(shí)，軌端無(wú)位移，溫度力在 整個(gè)長(zhǎng)軌條內(nèi)均勻分布， 2.5 。 2當(dāng) 時(shí)，軌端無(wú)位移，溫度力在整個(gè)長(zhǎng)軌 條內(nèi)均勻分布， ，圖中BB線。 3當(dāng) 時(shí)，道床縱向阻力開(kāi)始發(fā)揮作用，軌 端開(kāi)始產(chǎn)生收縮位移，在鋼軌發(fā)生縱向位移的長(zhǎng)度范圍 內(nèi)放散部分溫度力，圖中BC，BC范圍內(nèi)任意截面的 溫度力 +,.,式中 發(fā)生位移的鋼軌任一截面的溫度力(N)； 接頭阻力(N)； 單位道床縱向阻力(N/mm)； 軌端至發(fā)生縱向位移的鋼軌任一斷面之間 的距離(mm)。 長(zhǎng)軌條中部未發(fā)生縱向位移的鋼軌內(nèi)部溫度力為 4當(dāng) 降到最低軌溫 時(shí)，鋼軌內(nèi)產(chǎn)生最大溫度 拉力 ，如圖中DD線。這時(shí)發(fā)生縱向位移的

15、鋼軌長(zhǎng)度達(dá)到最大值 ，即為伸縮區(qū)長(zhǎng)度。此時(shí) 和 可按下式計(jì)算,.,式中 鋼軌最大溫度拉力(N)； 伸縮區(qū)長(zhǎng)度(mm)； 鋼軌最大降溫幅度()， 。 同理，當(dāng)軌溫從鎖定軌溫 變化到最高軌溫時(shí)，長(zhǎng) 軌內(nèi)溫度力的分布與圖84相仿，不同的是軌溫升高時(shí) ，鋼軌內(nèi)將產(chǎn)生溫度壓力，其最大值為,.,8、軌端伸縮量計(jì)算 從溫度力圖中可知，無(wú)縫線路長(zhǎng)軌條中部承受大小 相等的溫度力，鋼軌不能伸縮，稱為固定區(qū)。在兩端， 溫度力是變化的，在克服道床縱向阻力階段，鋼軌有少 量的伸縮，稱為伸縮區(qū)。伸縮區(qū)兩端的調(diào)節(jié)軌，稱為緩 沖區(qū)。在設(shè)計(jì)中要對(duì)緩沖區(qū)的軌縫進(jìn)行計(jì)算，因此需對(duì) 長(zhǎng)軌及標(biāo)準(zhǔn)軌端的伸縮量進(jìn)行計(jì)算。 1）長(zhǎng)軌一端的伸

16、縮量 由溫度力圖86可見(jiàn)，其中陰影線部分為克服道床 縱向阻力階段釋放的溫度力，從而實(shí)現(xiàn)了鋼軌伸縮。由 材料力學(xué)可知，軌端伸縮量長(zhǎng)與陰影線部分面積的關(guān)系 為：,.,.,2）標(biāo)準(zhǔn)軌一端的伸縮量 標(biāo)準(zhǔn)軌軌端伸縮量 計(jì)算方法與 基本相同。標(biāo) 準(zhǔn)軌的溫度力圖如圖87所示。由于標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度短，隨 著軌溫的變化，在克服完接頭阻力后，在克服道床縱向 阻力時(shí)，由于軌枕根數(shù)有限，很快被全部克服，以后， 鋼軌可以自由伸縮，溫度力得到釋放。在標(biāo)準(zhǔn)軌內(nèi)最大 的溫度力只有 ( 為標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度)。標(biāo)淮軌 一端溫度力釋放的面積為陰影線部分BCGH。 同理，可得到軌端伸縮量 計(jì)算公式： 式中, 為從鎖定軌溫到最低或最高軌溫時(shí)所產(chǎn)生

17、的溫 度力。,.,某地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫線路，已知該地區(qū)年最高軌溫為65.2，最低軌溫為-20.6，道床阻力梯度為9.1N/mm，接頭阻力為490KN，60kg/m鋼軌斷面面積為7745mm2，當(dāng)鎖定軌溫為當(dāng)?shù)刂虚g軌溫加5時(shí)，試計(jì)算 (1)克服接頭阻力所需升降的軌溫； (2)固定區(qū)最大拉、壓溫度力； (3)伸縮區(qū)長(zhǎng)度； (4)繪制軌溫從鎖定軌溫單向變化到最高、最低溫度時(shí)的溫度力圖，并標(biāo)注有關(guān)數(shù)據(jù)。,算例：,.,.,9、無(wú)縫線路穩(wěn)定,（1）穩(wěn)定性概念 無(wú)縫線路作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)，其最大特點(diǎn)是在 夏季高溫季節(jié)在鋼軌內(nèi)部存在巨大的溫度壓力，容易引 起軌道橫向變形。在列車動(dòng)力或人工作業(yè)等干擾下，軌 道彎曲變

18、形有時(shí)會(huì)突然增大，這一現(xiàn)象常稱為脹軌跑道 ，在理論上稱為喪失穩(wěn)定。這將嚴(yán)重危及行車安全。 無(wú)縫線路穩(wěn)定性計(jì)算的主要目的是研究軌道脹軌跑 道的發(fā)生規(guī)律，分析其產(chǎn)生的力學(xué)條件及主要影響因素 的作用，計(jì)算出保證線路穩(wěn)定的允許溫度壓力。因此， 穩(wěn)定性分析對(duì)無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)，鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修具有重 要的理論和實(shí)踐意義。,.,從大量的室內(nèi)模型軌道和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軌道的穩(wěn)定試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)事故觀察分析，軌道脹軌跑道的發(fā)展過(guò)程基本上可分為三個(gè)階段，即持穩(wěn)階段、脹軌階段和跑道階段,如圖88所示。圖中縱坐標(biāo)為鋼軌溫度壓力，橫坐標(biāo)為軌道彎曲變形矢度 + ， 為初始彎曲矢度。脹軌跑道總是從軌道的薄弱地段(即具有原始彎曲的不平順)開(kāi)始。在持穩(wěn)階段(AB)，軌溫升高，溫度壓力增大，但軌道不變形。脹軌階段(BK)，隨著軌溫的增加，溫度壓力也隨之增加，此時(shí)軌道開(kāi)始出現(xiàn)微小變形，此后，溫度壓力的增加與橫向變形之間呈非線性關(guān)系。當(dāng)溫度壓力達(dá)到臨界值 時(shí)，這時(shí)軌溫稍有升