1、 第五章第五章 无缝线路无缝线路 第一节概述第一节概述1.无缝线路概念无缝线路概念 2无缝线路涉及主要问题无缝线路涉及主要问题1）接头焊接质量问题；）接头焊接质量问题；2）长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定；）长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定；3）无缝线路设计）无缝线路设计4）长轨运输）长轨运输5）铺设施工）铺设施工6）养护维修等）养护维修等高寒地区无缝线路高寒地区无缝线路曲线地段无缝线路曲线地段无缝线路 3无缝线路的基本特点及分类无缝线路的基本特点及分类 (1)(1)特点特点 与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了轨缝，
2、从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车轨缝，从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高使用寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。(2(2）分类）分类 1)无缝线路根据处理钢轨内部温度应力方式的不同，无缝线路根据处理钢轨内部温度应力方式的不同，可分为温度应力式和放散温度应力式两种类型。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由一根焊接长钢轨及其两温度应力式无缝
3、线路是由一根焊接长钢轨及其两端端24根标准轨组成，并采用普通接头的形式。根标准轨组成，并采用普通接头的形式。放散温度应力式无缝线路，又分为自动放散式和放散温度应力式无缝线路，又分为自动放散式和定期放散式两种，适用于年轨温差较大的地区。定期放散式两种，适用于年轨温差较大的地区。采用伸缩接头采用伸缩接头的放散温度应的放散温度应力式无缝线路力式无缝线路 2)无缝线路根据钢轨铺设长度划分为：无缝线路根据钢轨铺设长度划分为：普通无缝线路普通无缝线路全区间无缝线路全区间无缝线路跨区间无缝线路跨区间无缝线路施工中的无缝线路施工中的无缝线路连接车站的无缝线路连接车站的无缝线路第二节第二节 无缝线路纵向受力分析
4、无缝线路纵向受力分析线路阻力线路阻力纵向阻力纵向阻力横向阻力横向阻力竖向阻力竖向阻力接头阻力接头阻力扣件阻力扣件阻力道床纵向阻力道床纵向阻力道床横向阻力道床横向阻力轨道框架水平刚度轨道框架水平刚度道床竖向阻力道床竖向阻力轨道框架垂直刚度轨道框架垂直刚度HPSnPH 一、无缝线路纵向阻力一、无缝线路纵向阻力 无缝线路纵向阻力包括接头阻力、扣件阻力及无缝线路纵向阻力包括接头阻力、扣件阻力及道床纵向阻力。道床纵向阻力。1接头阻力接头阻力 钢轨两端接头处由钢轨夹板通过螺栓拧紧，产钢轨两端接头处由钢轨夹板通过螺栓拧紧，产生阻止钢轨纵向位移的阻力，称接头阻力。接头生阻止钢轨纵向位移的阻力，称接头阻力。接头
5、阻力由钢轨夹板间的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。阻力由钢轨夹板间的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。为了安全，我国接头阻力仅考虑钢轨与夹板间的为了安全，我国接头阻力仅考虑钢轨与夹板间的摩阻力。摩阻力。夹板受力图夹板受力图接头阻力接头阻力：PH=nS 摩阻力的大小主要取决于螺栓摩阻力的大小主要取决于螺栓拧紧后的张拉力和钢轨与夹板之拧紧后的张拉力和钢轨与夹板之间的摩擦系数间的摩擦系数f。接头螺栓拧紧接头螺栓拧紧后产生的拉力在夹板的上、下接后产生的拉力在夹板的上、下接触面上将产生分力。图中触面上将产生分力。图中T为水为水平分力；平分力；N为法向分力，它垂直为法向分力，它垂直于夹板的接触面；于夹板的接触面；R为为
6、N与与T的合的合力，它与的夹角等于摩擦角力，它与的夹角等于摩擦角，其中其中T=P/2，则有：，则有：)sin(cos 22PPR)sin(cos 22PPR式中式中 P一枚螺栓拧紧后的拉力一枚螺栓拧紧后的拉力(kN)；夹板接触面的倾角，夹板接触面的倾角，tani；i为为轨底顶轨底顶面接触面斜率，面接触面斜率，50、75kg/m钢轨：钢轨：i 1/4；43、60kg/m钢轨：钢轨：i 1/3。当钢轨发生位移时，夹板与钢轨接触面之间将产生当钢轨发生位移时，夹板与钢轨接触面之间将产生摩阻力摩阻力F，F将阻止钢轨的位移。将阻止钢轨的位移。fPfRNfF cossincos2 一枚螺栓对应有四个接触面，
7、其上所产生的摩阻力一枚螺栓对应有四个接触面，其上所产生的摩阻力之和之和S为：为：因为接头一端有三枚螺栓，因此接头阻力因为接头一端有三枚螺栓，因此接头阻力PH为：为：钢的摩擦系数一般为钢的摩擦系数一般为0.25，而，而f=tan，则有，则有arctan0.25；又有；又有arctani。相应值代入得到：相应值代入得到：70、50kg/m钢轨：钢轨：S1.03P；60、43kg/m钢轨：钢轨：S0.90P。fPFS cossin24 PfSPH sincos63 由以上分析表明：一枚螺栓的拉力接近它所产生的接由以上分析表明：一枚螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力。接头阻力的表达式，可写成：头阻力。接
8、头阻力的表达式，可写成：PH=nP 接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有关。在其他条件均相同的情况下，螺栓的拧紧程度就是关。在其他条件均相同的情况下，螺栓的拧紧程度就是保持接头阻力的关键。扭力矩保持接头阻力的关键。扭力矩T与螺栓拉力与螺栓拉力P的关系可用的关系可用经验公式表示：经验公式表示：T=K D P式中式中T 拧紧螺帽时的扭力矩拧紧螺帽时的扭力矩(Nm)；K扭矩系数，扭矩系数，K0.180.24；P螺栓拉力螺栓拉力(kN)；D螺栓直径螺栓直径(mm)。列车通过钢轨接头时产生的振动，会使扭力矩下降，列车通过钢轨接头时产生的振动，会使扭
9、力矩下降，接头阻力值降低。据国内外资料，可降低到静力测定值接头阻力值降低。据国内外资料，可降低到静力测定值的的4050。所以，定期检查扭力矩，重新拧紧螺。所以，定期检查扭力矩，重新拧紧螺帽，保证接头阻力值在长期运营过程中保持不变，是一帽，保证接头阻力值在长期运营过程中保持不变，是一项十分重要的措施。修理规则规定无缝线路钢轨接头必项十分重要的措施。修理规则规定无缝线路钢轨接头必须采用须采用10.9级螺栓，扭矩应保持在级螺栓，扭矩应保持在700900Nm。表。表81所示为计算时采用的接头阻力值。所示为计算时采用的接头阻力值。2扣件阻力扣件阻力 中间扣件和防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面纵向位移的中间扣件和
10、防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面纵向位移的阻力，称扣件阻力。为了防止钢轨爬行，要求扣件阻阻力，称扣件阻力。为了防止钢轨爬行，要求扣件阻力必须大于道床纵向阻力。力必须大于道床纵向阻力。扣件阻力是由钢轨与轨枕垫板面之间的摩阻力和扣扣件阻力是由钢轨与轨枕垫板面之间的摩阻力和扣压件与轨底扣着面之间的压件与轨底扣着面之间的摩阻力所组成。摩阻力的摩阻力所组成。摩阻力的大小、取决于扣件扣压力大小、取决于扣件扣压力和摩擦系数的大小。和摩擦系数的大小。一组一组扣件的阻力扣件的阻力F为：为：F=2(1+2)P。扣板受力图扣板受力图 据铁道科学研究院试验，如果混凝土轨枕下采用橡据铁道科学研究院试验，如果混凝土轨枕下采用橡胶
11、垫板，不论是扣板式扣件还是弹条式扣件，其摩擦胶垫板，不论是扣板式扣件还是弹条式扣件，其摩擦系数为：系数为：1+2=0.8。扣压力扣压力P的大小与螺栓所的大小与螺栓所受拉力的大小有关。以扣板受拉力的大小有关。以扣板式扣件为例：式扣件为例：式中式中P拉拉扣板螺栓拉力，扣板螺栓拉力，与螺帽扭矩有关；与螺帽扭矩有关；a、b扣板着力点至扣板着力点至螺栓中心的距离。螺栓中心的距离。拉拉PbabP 扣件摩阻力扣件摩阻力F的表达式为：的表达式为：实测资料指出，在一定的扭矩下，扣件阻力随钢轨实测资料指出，在一定的扭矩下，扣件阻力随钢轨位移的增加而增大。当钢轨位移达到某一定值之后，位移的增加而增大。当钢轨位移达到
12、某一定值之后，钢轨产生滑移，阻力不再增加。钢轨产生滑移，阻力不再增加。垫板压缩和扣件局部磨损，将导致扣件阻力下降，垫板压缩和扣件局部磨损，将导致扣件阻力下降，通常垫板的压缩与扣件的磨损按通常垫板的压缩与扣件的磨损按1mm估计。估计。此外，列车通过时的振动，会使螺帽松动，扭矩下此外，列车通过时的振动，会使螺帽松动，扭矩下降，导致扣件阻力下降。为此规定：扣板扣件扭矩应降，导致扣件阻力下降。为此规定：扣板扣件扭矩应保持在保持在80120Nm；弹条扣件为；弹条扣件为100150Nm。拉拉PbabF )(212 道床纵向阻力道床纵向阻力轨枕与道床之间的摩阻力轨枕与道床之间的摩阻力枕木盒内道碴抗推力枕木盒
13、内道碴抗推力 3道床纵向阻力道床纵向阻力 道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力。道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力。一般以每根轨枕的阻力值，或每延毫米分布阻力表示。一般以每根轨枕的阻力值，或每延毫米分布阻力表示。它是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。它是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。道床纵向阻力受道碴材质、颗粒大小及级配、道床断道床纵向阻力受道碴材质、颗粒大小及级配、道床断面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。注意：注意：只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床
14、抵抗轨枕纵向移动的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度向移动的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻力确定。力确定。可以看出：道床纵向阻可以看出：道床纵向阻力值随位移的增大而增加，力值随位移的增大而增加，当位移达到一定值之后，当位移达到一定值之后，轨枕盒内的道碴颗粒之间轨枕盒内的道碴颗粒之间的结合被破坏，在此情况的结合被破坏，在此情况下，即使位移再增加，阻下，即使位移再增加，阻道床纵向阻力与道床纵向阻力与位移之间的关系位移之间的关系力也不再增大；力也不再增大；在正常轨道条件下，钢筋混凝土轨枕在正常轨道
15、条件下，钢筋混凝土轨枕位移小于位移小于2mm，木枕位移小于，木枕位移小于1mm，道床纵向阻力，道床纵向阻力呈斜线增长，钢筋混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木呈斜线增长，钢筋混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木枕轨道。枕轨道。在无缝线路设计中，采用轨枕位移为在无缝线路设计中，采用轨枕位移为2 mm时相应时相应的道床纵向阻力值，见表的道床纵向阻力值，见表83。二、钢轨温度力与锁定轨温二、钢轨温度力与锁定轨温 无缝线路的特点是轨条长，当轨温变化时，钢轨要无缝线路的特点是轨条长，当轨温变化时，钢轨要发生伸缩，但由于有约束作用，不能自由伸缩，在钢发生伸缩，但由于有约束作用，不能自由伸缩，在钢轨内部要产生很大的轴向
16、温度力。为保证无缝线路的轨内部要产生很大的轴向温度力。为保证无缝线路的强度和稳定，需要了解长轨条内温度力及其变化规律。强度和稳定，需要了解长轨条内温度力及其变化规律。为此首先要分析温度力、伸缩位移与轨温变化及阻力为此首先要分析温度力、伸缩位移与轨温变化及阻力之间的关系。之间的关系。一根长度为可自由伸缩的钢轨，当轨温变化一根长度为可自由伸缩的钢轨，当轨温变化t 时，其伸缩量为：时，其伸缩量为：。tll 如果钢轨两端完全被固定，不能随轨温变化如果钢轨两端完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度应力。根据虎而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度应力。根据虎克定律，温度应力克定律，温度
17、应力t 为：为：式中式中 E钢的弹性模量，钢的弹性模量，E2.1l05MPa；将将E、之值代入上式，则温度应力为：之值代入上式，则温度应力为：(MPa)一根钢轨所受的温度力一根钢轨所受的温度力Pt 为：为：tEllEEtt ttt 50210811101265.FtFPtt 502.(N)以上为无缝线路温度应力和温度力计算的基本公式。以上为无缝线路温度应力和温度力计算的基本公式。由此可得知：由此可得知：1在两端固定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨在两端固定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨温变化幅度有关，而与钢轨本身长度无关。因此，从温变化幅度有关，而与钢轨本身长度无关。因此，从理论上讲，钢轨可焊成
18、任意长，且对轨内温度力没有理论上讲，钢轨可焊成任意长，且对轨内温度力没有影响。控制温度力大小的关键是如何控制轨温化幅度。影响。控制温度力大小的关键是如何控制轨温化幅度。FtFPtt 502.tll tEllEEtt FtFPtt 502.tll tEllEEtt 2对于不同类型的钢轨，同一轨温变化幅度产生对于不同类型的钢轨，同一轨温变化幅度产生的温度力大小不同。对于的温度力大小不同。对于75、60、50kg/m钢轨，如钢轨，如轨温变化轨温变化1所产生的温度力分别为所产生的温度力分别为23.6、19.2、16.3kN。3无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度，轨长有无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度，轨
19、长有关，与钢轨断面积无关。关，与钢轨断面积无关。：铺设无缝线路的关键是设法克服长钢轨铺设无缝线路的关键是设法克服长钢轨因轨温变化而产生的温度力问题。为此，无缝线因轨温变化而产生的温度力问题。为此，无缝线路上长钢轨的两端是用钢轨联结零件和防爬设备路上长钢轨的两端是用钢轨联结零件和防爬设备加以强制性固定的，其他部分也是采用强度大的加以强制性固定的，其他部分也是采用强度大的中间联结零件和防爬设备使之紧扣于钢筋混凝土中间联结零件和防爬设备使之紧扣于钢筋混凝土轨枕之上，称为锁定线路。轨枕之上，称为锁定线路。锁定时锁定时(即铺设或维修时即铺设或维修时)的钢轨温度称为锁定的钢轨温度称为锁定轨温。轨温。为降低
20、长轨条内的温度力，需选择一为降低长轨条内的温度力，需选择一个适宜的锁定轨温，又称零应力状态的轨温。个适宜的锁定轨温，又称零应力状态的轨温。在铺无缝线路中，将长轨条始终端落槽就位时在铺无缝线路中，将长轨条始终端落槽就位时的平均轨温称为施工锁定轨温。施工锁定轨温的平均轨温称为施工锁定轨温。施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围之内。锁定轨应在设计锁定轨温允许变化范围之内。锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，因此根据强温是决定钢轨温度力水平的基准，因此根据强度、稳定条件确定锁定轨温是无缝线路设计的度、稳定条件确定锁定轨温是无缝线路设计的主要内容。主要内容。7温度力图面积与钢轨伸缩量温度力图面积与钢
21、轨伸缩量 1)温度力图面积与被约束伸缩量温度力图面积与被约束伸缩量 任何温度力图都是对应于一定的任何温度力图都是对应于一定的t。现在任取一段。现在任取一段钢轨的温度力图进行分析，如图所示。此处温度力图钢轨的温度力图进行分析，如图所示。此处温度力图为曲线，代表了道床纵向阻力梯度取为变量的更一般为曲线，代表了道床纵向阻力梯度取为变量的更一般的情况。的情况。由于受有纵向力，则该段钢轨由于受有纵向力，则该段钢轨L必存在有受到约束必存在有受到约束的，或说未能实现的伸缩量的，或说未能实现的伸缩量Lr。而对于单位长度的钢轨来说，必然存在相应的受到约束而未能实现的应变t(x)。对于长度为dx的钢轨，其受约束的
22、伸缩量应为t(x)dx，因此，该L段钢轨被约束的总伸缩量为：文字表述：L段钢轨被约束的伸缩量等于该段钢轨温度力图面积除以EF。EFxPExxtt)()()(LtLtdxxPEFdxxL00)(1)(EFtLtdxxL0)(2）标准温度力图面积与全约束伸缩量 如一段钢轨自其被钡定之后未曾产生过任何伸缩位移，则其 温度力图为矩形，如图所示：tEFPt此时，该L段钢轨被约束的总伸缩量为Lt，即：0LttttP LLdxt LEFEF 全约束伸缩量Lt的意思是：该段钢轨自锁定后，被完全约束住，未产生任何伸缩变形，在温度变化幅度为t时的伸缩量，它仅是t的函数。tEFPt温度力为：相应的应变为：EFPtt
23、t3）温度力图面积差及实现的伸缩量 任何一段钢轨的两个温度力图面积差都反映了该段钢轨在两种工况下被约束伸缩量的变化量，亦即实现了的伸缩量。冬季断轨时的温度力图 三、温度力图三、温度力图 温度力沿长钢轨的纵向分布，常用温度力图来表示，温度力沿长钢轨的纵向分布，常用温度力图来表示，温度力图实质是钢轨内力图。温度力图的横坐标轴表温度力图实质是钢轨内力图。温度力图的横坐标轴表示钢轨长度，纵坐标轴表示钢轨的温度力示钢轨长度，纵坐标轴表示钢轨的温度力(拉力为正，拉力为正，压力为负压力为负)。钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持。钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持平衡是温度力纵向分布的基本条件。一根焊接长
24、钢轨平衡是温度力纵向分布的基本条件。一根焊接长钢轨沿其纵向的温度力分布并不是均匀的，它不仅与阻力沿其纵向的温度力分布并不是均匀的，它不仅与阻力和轨温变化幅度等因素有关，而且还与轨温变化的过和轨温变化幅度等因素有关，而且还与轨温变化的过程有关。程有关。(一一)约束条件约束条件 1接头阻力的约束接头阻力的约束 为简化计算，通常假定接头阻力为简化计算，通常假定接头阻力PH为常量。无缝线为常量。无缝线路长轨条锁定后，当轨温发生变化，由于有接头的约路长轨条锁定后，当轨温发生变化，由于有接头的约束，长轨条不产生伸缩，只在钢轨全长范围内产生温束，长轨条不产生伸缩，只在钢轨全长范围内产生温度力，这时有多大温度
25、力作用于接头上，接头就提供度力，这时有多大温度力作用于接头上，接头就提供相等的阻力与之平衡。当温度力大于接头阻力时，钢相等的阻力与之平衡。当温度力大于接头阻力时，钢轨才能开始伸缩。因此在克服接头阻力阶段，温度力轨才能开始伸缩。因此在克服接头阻力阶段，温度力的大小等于接头阻力，即：的大小等于接头阻力，即：Pt =2.5tHF=PH (N)Pt =2.5tHF=PH (N)则：则：式中式中tH 接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅 度度()；PH 接头阻力接头阻力(N)；F 钢轨断面面积钢轨断面面积(mm2)。例如：例如：60kg/m钢轨，钢轨，F=77.45cm2
26、、PH=490kN(接接头扭矩头扭矩T=800Nm)。则：则：()FPtHH52.3.2577455.24900005.2 FPtHH 2道床纵向阻力的约束道床纵向阻力的约束 接头阻力被克服后，当轨温继续变化时，道接头阻力被克服后，当轨温继续变化时，道床纵向阻力开始阻止钢轨伸缩。但道床纵向阻力的产床纵向阻力开始阻止钢轨伸缩。但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的位移阻力，随着轨枕位移的生是体现在道床对轨枕的位移阻力，随着轨枕位移的根数的增加，相应的阻力也增加。为计算方便，常将根数的增加，相应的阻力也增加。为计算方便，常将单根轨枕的阻力单根轨枕的阻力R换算为钢轨单位长度上的阻力换算为钢轨单位长
27、度上的阻力r，并，并取为常量，由上述特征可见，道床纵向阻力是以阻力取为常量，由上述特征可见，道床纵向阻力是以阻力梯度的形式分布。故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨梯度的形式分布。故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量伸缩，钢轨内部分温度力以位移的形式得到部有少量伸缩，钢轨内部分温度力以位移的形式得到部 分放散，因而发生位移的钢轨各截面的温度分放散，因而发生位移的钢轨各截面的温度力并不相等，以斜率分布。力并不相等，以斜率分布。(二二)基本温度力图基本温度力图 无缝线路锁定以后，轨温单向变化时，温度力沿钢无缝线路锁定以后，轨温单向变化时，温度力沿钢轨纵向分布的规律，称为基本温度力图。现以轨纵向分布的规律
28、，称为基本温度力图。现以降温为降温为例说明。例说明。当轨温当轨温 t 等于锁定轨温等于锁定轨温 t0 时，钢轨内部无温度力，时，钢轨内部无温度力，即即Pt=0，如下图中，如下图中AA线。线。AAlPt 1当当t=t0-t tH 时，轨端无位移，温度时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt =2.5Ft。AAlPt 1当当t=t0-t tH 时，轨端无位移，温度时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt =2.5Ft。Pt =2.5Ft 2当当t=tH 时，轨端无位移，温度拉力在整个长时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨
29、条内均匀分布，轨条内均匀分布，Pt =PH，图中，图中BB线。线。AAlPt 1当当t=t0-t tH 时，轨端无位移，温度时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt =2.5Ft。2当当t=tH 时，轨端无位移，温度拉力在整个长时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，轨条内均匀分布，Pt =PH，图中，图中BB线。线。BBPHAAlPt 3当当t tH 时，时，道床纵向阻力开始发挥作道床纵向阻力开始发挥作用，轨端开始产生收缩位移，在钢轨发生纵向位移的用，轨端开始产生收缩位移，在钢轨发生纵向位移的长度范围内放散部分温度力，图中长度范围内放散部分温度
30、力，图中BC，范围内任范围内任意截面的温度力为：意截面的温度力为：Pt =PH+r x (N)BBPHCB r xxCC式中：式中：x 为轨端至发生纵向位移的钢轨为轨端至发生纵向位移的钢轨 任一断面之间的距离任一断面之间的距离(mm)。Pt =2.5FtAAlPt 4当当 t 降到最低轨温降到最低轨温Tmin时，钢轨内产生最时，钢轨内产生最大温度拉力大温度拉力Pt 拉拉max，如图中，如图中 线。这时发生纵向位线。这时发生纵向位移的钢轨长度达到最大值移的钢轨长度达到最大值 ls，ls 称为伸缩区长度。称为伸缩区长度。BBDD ls CCDDPt 拉拉max伸缩区伸缩区伸缩区伸缩区固定区固定区A
31、AlPtBBls DDPt 拉拉max伸缩区伸缩区伸缩区伸缩区固定区固定区 此时此时Pt 拉拉max 和和 ls 可按下式计算：可按下式计算：Pt 拉拉max=2.5Ft 降降max=2.5F(t0-Tmin)(N)rPPlHts max拉拉(mm)上面分析了轨温从下降到上面分析了轨温从下降到Tmin时，温度力纵时，温度力纵向变化的情况。向变化的情况。同理，当轨温从锁定轨温变化到最高同理，当轨温从锁定轨温变化到最高轨温时，长轨内温度力的分布与图轨温时，长轨内温度力的分布与图84相仿，不同的相仿，不同的是轨温升高时，钢轨内将产生温度压力，其最大值为：是轨温升高时，钢轨内将产生温度压力，其最大值为
32、：Pt 压压max=2.5Ft 升升max=2.5F(Tmax-t0)(N)伸缩区长度伸缩区长度 ls 按式按式(89)计算。伸缩区长度一般取计算。伸缩区长度一般取50100m，宜取为标准轨长度的整倍数。，宜取为标准轨长度的整倍数。算例：某地区铺设无缝线路，已知该地区年算例：某地区铺设无缝线路，已知该地区年最高轨温为最高轨温为65.2，最低轨温为，最低轨温为-20.6，道床阻力，道床阻力梯度为梯度为9.1N/mm，接头阻力为，接头阻力为490KN，60kg/m钢轨钢轨断面面积为断面面积为7745mm2，当锁定轨温为当地中间轨温，当锁定轨温为当地中间轨温加加5时，试计算：时，试计算：(1)克服接
33、头阻力所需升降的轨温；克服接头阻力所需升降的轨温；(2)固定区最大拉、压温度力；固定区最大拉、压温度力；(3)伸缩区长度；伸缩区长度；(4)绘制轨温从锁定轨温单向变化到最高、最低温绘制轨温从锁定轨温单向变化到最高、最低温度时的温度力图，并标注有关数据。度时的温度力图，并标注有关数据。3.2577455.210004905.2 FPtHH 解：解：(1)(2)Pt拉拉max=2.5Ft降降max=2.5F(t0Tmin)=2.57745 (27.3+20.6)=927464 N=927.464 kN Pt压压max=2.5Ft升升max=2.5F(Tmax t0)=2.57745 (65.227
34、.3)=733839 N=733.839 kN3.2753.22526.202.6552/minmax0TTt(3)=48073mm 即即ls1=48.073m =26795mm 即即ls2=26.795m 即即 ls=50m1.91000)490464.927(max1 rPPlHts拉拉1.91000)490839.733(max2 rPPlHts压压PlABC490KN48.073m927.464KN48.073mr =9.1N/mm固定区TmaxBAC =9.1N/mmr B490KN26.795mAPCB733.839KN26.795m固定区lACTmin8、轨端伸缩量计算 从温度力
35、图中可知，无缝线路长轨条中部承受大从温度力图中可知，无缝线路长轨条中部承受大小相等的温度力，钢轨不能伸缩，称为固定区。小相等的温度力，钢轨不能伸缩，称为固定区。在两端，温度力是变化的，在克服道床纵向阻力在两端，温度力是变化的，在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量的伸缩，称为伸缩区。伸缩区阶段，钢轨有少量的伸缩，称为伸缩区。伸缩区两端的调节轨，称为缓冲区。在设计中要对缓冲两端的调节轨，称为缓冲区。在设计中要对缓冲区的轨缝进行计算，因此需对长轨及标准轨端的区的轨缝进行计算，因此需对长轨及标准轨端的伸缩量进行计算。伸缩量进行计算。由温度力图由温度力图86可见，其中阴影线部分为克服道可见，其中阴影线部分
36、为克服道床纵向阻力阶段释放的温度力，从而实现了钢轨床纵向阻力阶段释放的温度力，从而实现了钢轨伸缩。由材料力学可知，轨端伸缩量长与阴影线伸缩。由材料力学可知，轨端伸缩量长与阴影线部分面积的关系为：部分面积的关系为：EFrPPEFlrEFABCHts2)(22max2长EFrPPEFlrEFABCHts2)(22max2长EFrlEFlPPEFBKCEFHt82)(BKGH2max短第三节第三节 无缝线路稳定性分析无缝线路稳定性分析一、稳定性基本概念一、稳定性基本概念 无缝线路作为一种新型轨道结构，其最大特点是在无缝线路作为一种新型轨道结构，其最大特点是在夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力，
37、容易引夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力，容易引起轨道横向变形。在列车动力或人工作业等干扰下，轨起轨道横向变形。在列车动力或人工作业等干扰下，轨道弯曲变形有时会突然增大，这一现象常称为胀轨跑道道弯曲变形有时会突然增大，这一现象常称为胀轨跑道，在理论上称为丧失稳定。这将严重危及行车安全。，在理论上称为丧失稳定。这将严重危及行车安全。无缝线路稳定性计算的主要目的是研究轨道胀轨跑无缝线路稳定性计算的主要目的是研究轨道胀轨跑道的发生规律，分析其产生的力学条件及主要影响因素道的发生规律，分析其产生的力学条件及主要影响因素的作用，计算出保证线路稳定的允许温度压力。的作用，计算出保证线路稳定的允许温度
38、压力。从大量的室内模型轨道和现场实际轨道的稳定试验从大量的室内模型轨道和现场实际轨道的稳定试验以及现场事故观察分析，轨道胀轨跑道的发展过程基本以及现场事故观察分析，轨道胀轨跑道的发展过程基本上可分为三个阶段，即持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段上可分为三个阶段，即持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段,如下图所示。如下图所示。无缝线路胀轨跑道过程示意图无缝线路胀轨跑道过程示意图二、影响无缝线路稳定性的因素二、影响无缝线路稳定性的因素 无缝线路失稳是各种因素综合作用的结果，这些无缝线路失稳是各种因素综合作用的结果，这些影响因素归纳为两大类：影响因素归纳为两大类：促进稳定因素；促进稳定因素；促使失稳因素。促使失稳
39、因素。保持稳定的因素a道床横向阻力（65作用）（阻力提供：轨枕两侧20 30、道床肩部30、轨枕底部50）每枕为Q.轨道单位长度横向阻力:y轨枕横同位移(cm);q0、c1、c2、n参数，由试验确定，书上已给出。b轨道框架刚度EJEJy E轨钢弹模量 Jy钢轨断面对坚直轴的惯性矩 与框架扣件类型及拧紧程度有关的系数。试验表明28，取2，偏于安全（至少2根轨）。丧失稳定的因素a.温度力与锁定轨温Tsf有关b.轨道原始弯曲（原始不平顺）矢度f0：fxyoopoeofff1)弹性弯曲：变形曲线假设为正弦曲线（正弦半波）2)塑性原始弯曲（近似公式，原点在一端）假设变形曲线为圆曲线 fop塑性弯曲矢度
40、R0曲率半径 l0fop对应的弦长ooeoelxfysinooopRxxly2)(ooopRlf82opooflR82（3）稳定性理论）稳定性理论 无缝线路稳定问题，可以看做是位于弹性介质中无限长梁（轨道框架）的受压稳定问题。轨道在失稳之前，将产生胀轨变形，胀轨变形的影响区可以划分为3个区段：即胀轨变形区和两侧的纵向位移区（邻区），影响区之外为未变形的稳定区。图8-9 无缝线路稳定分区fyxpp稳定区邻区胀轨变形区邻区稳定区（4）统一无缝线路稳定性计算公式）统一无缝线路稳定性计算公式 统一无缝线路稳定性计算公式的基本假定是：把整个轨道框架视为铺设于均匀介质（道床）中的一根细长压杆；轨道弹性初始
41、弯曲为半波正弦曲线，塑性初始弯曲为圆曲线，在变形过程中变形曲线端点无位移；不考虑扣件变形能。图8-10 统一稳定性计算图示yTy0yRyRyOPyOyyxRRBAxfRfOPfOff0fTfR 表8-1 正常轨道轨排起来后的等效道床横向阻力Q（N/）表8-2 正常轨道不同轨枕配置的等效道床横向阻力Q第四节第四节 无缝线路结构设计无缝线路结构设计一、无缝线结构类型的选择一、无缝线结构类型的选择1、结构类型的选择、结构类型的选择 某一地区能否铺设温度应力式无缝线路，主要取决于轨某一地区能否铺设温度应力式无缝线路，主要取决于轨道的道的 必须大于该地区的年轨温变化幅度，并留有一必须大于该地区的年轨温变
42、化幅度，并留有一定的富裕量，以满足铺轨时所必须的锁定轨温范围，即：定的富裕量，以满足铺轨时所必须的锁定轨温范围，即：稳拉tt锁稳拉tTtt2、锁定轨温范围的确定方法、锁定轨温范围的确定方法 温度应力式无缝线路，其锁定轨温应保证夏季不温度应力式无缝线路，其锁定轨温应保证夏季不胀轨跑道，冬季不折断钢轨，也就是说，锁定轨温的胀轨跑道，冬季不折断钢轨，也就是说，锁定轨温的上下限应由上下限应由 和和 来决定，如图所示。来决定，如图所示。)(稳ttc)(拉tts二、二、无缝线路结构计算无缝线路结构计算1、伸缩区长度计算、伸缩区长度计算 2、预留轨缝、预留轨缝 无缝线路缓冲区标准轨之间，以及标准轨与长无缝线
43、路缓冲区标准轨之间，以及标准轨与长轨之间要预留轨缝，以满足冬季轨缝值不超过构造轨之间要预留轨缝，以满足冬季轨缝值不超过构造轨缝，夏季轨缝不挤严。轨缝，夏季轨缝不挤严。3、防爬设备的设置、防爬设备的设置4、轨条长度、轨条长度第五节第五节 超长无缝线路超长无缝线路 超长无缝线路从本质上说与普通无缝线路没有什麽区别，超长无缝线路从本质上说与普通无缝线路没有什麽区别，但其在结构、铺设、养护维修等方面也具有不同的特点，并但其在结构、铺设、养护维修等方面也具有不同的特点，并将带来很多新的技术问题。将带来很多新的技术问题。1、用胶接绝缘接头替代了原有缓冲区的绝缘接头。整、用胶接绝缘接头替代了原有缓冲区的绝缘
44、接头。整体性好、强度高、刚度大、绝缘性能好、寿命长、养护少的体性好、强度高、刚度大、绝缘性能好、寿命长、养护少的胶接绝缘接头的研制成功是超长无缝线路得以发展的重要保胶接绝缘接头的研制成功是超长无缝线路得以发展的重要保证。对这种胶接接头的使用寿命要求应该达到与基本轨同步证。对这种胶接接头的使用寿命要求应该达到与基本轨同步的水平。的水平。2、超长无缝线路在现场的焊接和施工。、超长无缝线路在现场的焊接和施工。超长无缝线路由于施工技术条件和运营条件所限，不可能超长无缝线路由于施工技术条件和运营条件所限，不可能在一个天窗时间内一次铺设完成（一次仅能铺设在一个天窗时间内一次铺设完成（一次仅能铺设13km）
45、，只），只能把超长无缝线路分成若干单元轨条。通常把一次铺设的轨条能把超长无缝线路分成若干单元轨条。通常把一次铺设的轨条长度叫单元轨条。道岔区及前后约长度叫单元轨条。道岔区及前后约200m的线路作为一单元，对的线路作为一单元，对两单元间的焊接必须在线路上进行，而且要求每单元长轨条在两单元间的焊接必须在线路上进行，而且要求每单元长轨条在焊联后的锁定轨温相通，这就需要配备有较大拉伸能力的焊接焊联后的锁定轨温相通，这就需要配备有较大拉伸能力的焊接设备或性能良好的拉伸机。由于超长无缝线路不是一次完成铺设备或性能良好的拉伸机。由于超长无缝线路不是一次完成铺设，要使整个轨条温度力均匀，即锁定轨温一致。在铺设
46、施工设，要使整个轨条温度力均匀，即锁定轨温一致。在铺设施工中，如何组织施工队伍，安排施工程序，使得铺设、焊接、放中，如何组织施工队伍，安排施工程序，使得铺设、焊接、放散应力、锁定等工作有序进行，且保证锁定轨温符合要求，这散应力、锁定等工作有序进行，且保证锁定轨温符合要求，这就成为施工中一个关键问题。就成为施工中一个关键问题。3、超长无缝线路的维修养护方法。、超长无缝线路的维修养护方法。如前所述，超长无缝线路的基本原理于普通无缝线路是如前所述，超长无缝线路的基本原理于普通无缝线路是一致的，因此原有的普通无缝线路维修养护方法还适用。但一致的，因此原有的普通无缝线路维修养护方法还适用。但现有的普通无
47、缝线路存在缓冲区，如对无缝线路进行较长区现有的普通无缝线路存在缓冲区，如对无缝线路进行较长区段的破底清筛，或抽换轨枕作业，尤其进行大修作业或出现段的破底清筛，或抽换轨枕作业，尤其进行大修作业或出现温度力不均匀等情况时，往往可以放散应力后作业。超长无温度力不均匀等情况时，往往可以放散应力后作业。超长无缝线路实施起来就比较困难，这时作业的轨温条件可能就会缝线路实施起来就比较困难，这时作业的轨温条件可能就会控制得很严，同时应配备有快速切割、拉轨方便、焊接简便控制得很严，同时应配备有快速切割、拉轨方便、焊接简便等相应的施工设备，便于处理各种应急情况。另外在道岔区等相应的施工设备，便于处理各种应急情况。
48、另外在道岔区由于钢轨受力状态较为复杂，而道岔的各部件和各部位的尺由于钢轨受力状态较为复杂，而道岔的各部件和各部位的尺寸要求也较严，在有温度力状态下如何作业尚没有经验。这寸要求也较严，在有温度力状态下如何作业尚没有经验。这些都有待进一步研究和实践总结。些都有待进一步研究和实践总结。4、道岔区轨道受力情况。、道岔区轨道受力情况。道岔区是两股轨道交叉一起，接头很多，转辙器的道岔区是两股轨道交叉一起，接头很多，转辙器的尖轨是可以自由活动的，辙叉是整体性的，而目前已尖轨是可以自由活动的，辙叉是整体性的，而目前已经投入运营的可动心轨辙叉，情况又更复杂。当将道经投入运营的可动心轨辙叉，情况又更复杂。当将道岔
49、焊接成无缝道岔后，岔内钢轨温度力的分布，伸缩岔焊接成无缝道岔后，岔内钢轨温度力的分布，伸缩位移的大小，强度和稳定等问题，都有待进一步研究位移的大小，强度和稳定等问题，都有待进一步研究完善。完善。总的来说需要建立一套超长无缝线路（包括道岔总的来说需要建立一套超长无缝线路（包括道岔区在内）的设计、铺设施工、维修养护的方法和规则。区在内）的设计、铺设施工、维修养护的方法和规则。法国高铁法国高铁韩国高铁韩国高铁人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。
