無縫線路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計案例綜述1.1軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計概述軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計就是選擇鋼軌各項參數(shù)的之后，再根據(jù)選擇的動車組類型對軌道進行合理的受力分析，計算出軌道主要受力部件的應(yīng)力情況。然后與所選擇的鋼軌參數(shù)進行比較，判斷軌道各部件強度以及穩(wěn)定性是否滿足要求。通過受力分析以及檢算可以得到軌道各部分的受力情況，對于整個軌道的參數(shù)選取有指導性的意義。并且通過此檢算我們可以知道軌道的薄弱部分在哪里，有利于以后運營維護重點關(guān)注；同時我們可以設(shè)計一套最合理的參數(shù)來互相匹配，讓此段軌道達到最優(yōu)的設(shè)計狀態(tài)。1.2基本參數(shù)選擇本設(shè)計動車速度為V=250km/h，選用有砟軌道進行設(shè)計。鋼軌類型選用60kg/m；鋼材選用U71Mn型鋼材，其屈服強度σs=457Mpa表2-160kg/m鋼軌截面參數(shù)鋼軌垂直磨耗鋼軌斷面參數(shù)單位參數(shù)值鋼軌底寬Bmm1500斷面積Fmm27745上部斷面系數(shù)Wmm3339400下部斷面系數(shù)Wmm3396000對水平軸的慣性矩Imm432170000對豎直軸的慣性矩Imm452400003上部斷面系數(shù)Wmm3318000下部斷面系數(shù)Wmm3385000對水平軸的慣性矩Imm4306900006上部斷面系數(shù)Wmm3291000下部斷面系數(shù)Wmm3375000對水平軸的慣性矩Imm4287900009上部斷面系數(shù)Wmm3264000下部斷面系數(shù)Wmm3363000對水平軸的慣性矩Imm42690000根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》[10]，有砟軌道高速鐵路運行時速為250km時，選用軌枕類型為Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，軌枕長度為1.6m，每千米鋪設(shè)軌枕根數(shù)為1667根；聯(lián)結(jié)零件采用彈條Ⅳ型，橡膠墊板型號為RP5型，靜剛度為60kN/mm；鋼軌接頭螺栓采用10.9級，螺栓直徑24mm，接頭扭矩為900N·m；道砟為特級道砟，采用單層碎石道床，道床厚度為35cm，道床頂面寬度為3.6m，邊坡坡度為1：1.75。道床縱向阻力見表2-2。表2-2道床縱向阻力軌枕類型有載無載機車下車輛下Ⅲ型混凝土軌枕rrrxxxrrrxxx本設(shè)計選用得動車組型號為CRH1E與CJ2兩種車型。CHR1E型動車組屬于高速鐵路臥鋪動車組，時速為250km；CJ2型動車組屬于高速鐵路城際列車組，時速為250km。基本參數(shù)見表2-3。表2-3CRH1E與CJ2型動車組基本參數(shù)車型轉(zhuǎn)向架中心距（mm）轉(zhuǎn)向架軸距（mm）最大軸重（t）轉(zhuǎn)向架個數(shù)軸數(shù)CRH1E1880027001724CJ217375250015241.3鋼軌受力計算1.3.1CRH1E型動車組由表2-3可得，CRH1E型動車組最大軸重為17t，則輪重8.5tP輪式中g(shù)——重力加速度，本設(shè)計取g=9.81m/P輪得：P鋼軌受力示意圖見圖2-1。圖2-1鋼軌受力示意圖1）有砟軌道鋼軌支座剛度D可由下式計算得到：D=1式中DpDDb——道床及路基剛度；Db=Clbα2,其中C為道床系數(shù)，l根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》中，鋼軌支座剛度D的取值[10]見表2-4。表2-4鋼軌支座剛度軌枕類型軌下膠墊剛度（kN/mm）D（kN/mm）Ⅱ型混凝土軌枕110308027.2Ⅲ型混凝土軌枕8033所以在本設(shè)計中鋼軌支座剛度D取值為33kN/mm。2）鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u可由下式計算得到：u=D式中a——軌枕間距，本設(shè)計中為a=600mm所以u=D3）鋼比系數(shù)k可由下式計算得到：k=4式中E——鋼材的彈性模量，本設(shè)計取為E=206kN/I——截面慣性矩。由于鋼軌垂直磨耗的不同，導致鋼軌截面發(fā)生變化，同時截面慣性矩發(fā)生變化，導致鋼比系數(shù)k也會發(fā)生變化，列表計算鋼比系數(shù)k，計算結(jié)果如表2-5.表2-5鋼比系數(shù)計算表鋼軌垂直磨耗（mm）剛比系數(shù)k（mm-1）00.0012030.0012160.0012390.001264）由文克爾假定所推出的地基梁的分布函數(shù)[11]為： ηkxμkx式中ηkx μkx由此可以推出下列函數(shù)：y=M=R=式中y——鋼軌下沉量； M R其余各符號意義均與前面相同。5）計算鋼軌最大靜位移，靜彎矩，靜反力。以鋼軌垂直磨耗為0時為例。①計算截面1：kx根據(jù)式（2-5），（2-6）得：截面121-0.04281-0.0351yM=P4kμkxR=②計算截面2：kx截面12-0.04281-0.03511yM=P4kμR=截面yM（kN?m）R（kN）10.87116.67228.73420.87116.67228.734截面3和4可以由對稱性得到。由此可以得到：yMR同理可以由上述計算公式得到鋼軌磨耗分別為3mm，6mm，9mm時的yjmax，Mjmax，表2-6CRH1E型動車組yjmax，Mjmax，鋼軌垂直磨耗（mm）剛比系數(shù)（mm-1）yMR00.00120.87116.67228.73430.001210.87816.65828.97960.001230.89316.45529.47790.001260.91616.15430.234對比鋼軌垂直磨耗為0mm，3mm，6mm，9mm的yjmax，Mjmax，Rjmax可以得到：yjmax隨著鋼軌磨耗的增加呈現(xiàn)上升趨勢；1.3.2CJ2型動車組由表2-3可得，CJ2型動車組最大軸重為15t，則輪重7.5t得：P鋼軌受力示意圖見圖2-2。圖2-2鋼軌受力示意圖1）鋼軌支座剛度D，鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u，鋼比系數(shù)k均和CRH1E型動車組相同，具體取值見表2-7。表2-7CJ2型動車組鋼軌各項參數(shù)鋼軌垂直磨耗（mm）剛比系數(shù)k（mm-1）鋼軌支座剛度D（kN/mm）鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u（kN/mm00.00120330.05530.0012160.0012390.001262）計算鋼軌最大位移，彎矩，反力。以鋼軌垂直磨耗為0時為例。①計算截面1：kx根據(jù)式（2-5），（2-6）得：截面121-0.04231-0.0563yM=P4kμR=②計算截面2：kx截面12-0.04231-0.05631yM=P4kμR=截面yM（kN?m）R（kN）10.76914.46525.36720.76914.46525.367截面3和4可以由對稱性得到。由此可以得到：yMR同理可以由上述計算公式得到鋼軌磨耗分別為3mm，6mm，9mm時的yjmax，Mjmax，表2-8CJ2型動車組yjmax，Mjmax，鋼軌垂直磨耗（mm）剛比系數(shù)（mm-1）yMR00.001200.76914.46525.36730.001210.77514.38225.57060.001230.78714.22025.98290.001260.80613.97826.61通過對比CRH1E與CJ2型號動車組，可以得到CHR1E動車組的yjmax，Mjmax，1.4鋼軌強度檢算1.4.1速度系數(shù)直線軌道上豎向動輪載可以根據(jù)準靜態(tài)方法計算得到。計算公式如下：Pd式中Pd Pjα——速度系數(shù)，按表2-9取值。表2-9速度系數(shù)牽引類型速度電力牽引內(nèi)燃牽引V0.60.4V1.0注其中V為設(shè)計速度，本設(shè)計為250km/h。1.4.2橫向水平系數(shù)動車組在開行過程中，在直線地段不會準確的沿直線運動，會產(chǎn)生蛇行運動；在曲線地段，在輪軌之間會產(chǎn)生的橫向水平力與垂直力的偏心作用，這兩種情況均會導致鋼軌邊緣應(yīng)力產(chǎn)生變化，與中心應(yīng)力存在差異，這個差異增量就用橫向水平系數(shù)f表示。不同曲線半徑的橫向水平系數(shù)f按下表2-10取值。表2-10不同曲線半徑橫向水平系數(shù)直線曲線半徑（m）300400500600800~2000≥20001.251.001.801.701.601.451.301.4.3偏載系數(shù)列車在曲線地段運行時，由于外軌超高會導致內(nèi)、外軌所承受的荷載存在差異，發(fā)生偏載現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的鋼軌附加荷載由偏載系數(shù)β來表示，其計算公式為：β=式中?h——未被平衡的超高（mm）； H—— S——將H和S代入公式（2-11）可得：β=0.002?h1.4.4鋼軌動彎應(yīng)力鋼軌受到的動彎矩由下式計算得到：Md式中Md——鋼軌動彎矩（kN? Mj——鋼軌靜彎矩（kN? α β——偏載系數(shù)。鋼軌受到的動彎應(yīng)力由下式計算：1）鋼軌上部受到的最大可能動彎應(yīng)力：σ上式中σ上 W上 f2）鋼軌下部受到的最大可能動彎應(yīng)力：σ下式中σ下 W下1.4.5鋼軌受到的最大溫度拉應(yīng)力本設(shè)計標段為DK030+000~DK040+000段，其大致范圍在四川省德陽市附近，所以本設(shè)計所用的溫度取德陽市的最高溫度和最低溫度來計算。其歷年最高溫度和最低溫度見表2-11。表2-11德陽市歷年最高、最低溫度時間（年）最高溫度/℃最低溫度/℃201235-3201336-2201435-12015360201637-3201736-1201837-32019351202035-1根據(jù)表2-11可以得到近幾年德陽市最高溫度為37℃，最低溫度為-3℃。所以最高軌溫為57℃，最低軌溫為-3℃。1.4.5.1設(shè)計鎖定軌溫的確定1）根據(jù)強度條件確定允許的降溫幅度。計算公式為：?ts式中?ts σs——鋼軌容許應(yīng)力，它是通過鋼軌的屈服強度σs，除以安全系數(shù)K得到，K σσgd σc——鋼軌承受的制動應(yīng)力，一般取10Mpa E——鋼材的彈性模量， α'——鋼軌線膨脹系數(shù)，取1.18無縫線路在鋪設(shè)時存在一個決定鋼軌溫度力的軌溫水平的基準溫度，這個溫度叫做鎖定軌溫。所以計算設(shè)計鎖定軌溫是在無縫線路鋪設(shè)時，此時鋼軌磨耗為0mm。①當軌道處于直線上時，由式（2-17）得：σgd其中Mj②當軌道處于曲線上時，由于各段曲線半徑均不相同，按照最不利情況來考慮，取最不利曲線半徑來計算，由《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》[12]中得：Rmin式中Rmin ?max Vmax ?qy——欠超高允許值（mm），本設(shè)計選為60mm由式（2-18）得：Rmin式中R——規(guī)范規(guī)定時速250km客運專線的最小曲線半徑值一般情況下為4000m，困難情況下為3500m[13]。超高設(shè)置值計算公式為：?所以超高設(shè)置值為170mm。由式（2-12）得：β=0.002由式（2-17）得：σgd軌道處于直線和曲線上的拉、壓應(yīng)力計算結(jié)果見表2-12。表2-12軌道拉、壓應(yīng)力計算結(jié)果車型軌道位置應(yīng)力狀態(tài)鋼軌磨耗（mm）0369CRH1E直線拉應(yīng)力105.253108.169109.700111.253壓應(yīng)力121.805130.959141.366151.973曲線拉應(yīng)力111.039114.116115.731117.370壓應(yīng)力129.556138.159149.138161.383CJ2直線拉應(yīng)力91.31993.39094.80096.267壓應(yīng)力106.548113.066121.165131.367曲線拉應(yīng)力96.34098.524100.012101.560壓應(yīng)力111.406119.282128.881139.644由式（2-16）得：?t?t2）根據(jù)斷縫條件確定允許溫降由規(guī)范可得：?t式中?t α'——鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10 λ——鋼軌斷縫容許值（mm），一般情況下取70mm，困難情況下取90mm； r——線路縱向阻力[kN/（m?軌）]，有砟軌道參照相應(yīng)線路開通驗收時道床縱向阻力值，根據(jù)《軌道工程》教材[11]，本設(shè)計取為15.2[kN/（m?軌 F——鋼軌斷面積（mm2）。由式（2-19）可得：?通過比較由強度條件和鋼軌斷縫條件所允許的溫降，取較小值作為無縫線路允許的溫降，即?t3）根據(jù)穩(wěn)定性條件計算線路允許溫升根據(jù)規(guī)范按統(tǒng)一穩(wěn)定性計算公式[9]計算：Pwl21R'ω=2βE式中β——軌道框架剛度系數(shù)，有砟軌道可取1.0；l——軌道彎曲變形半波長（cm），l=f——軌道彎曲變形矢度，取0.2cm；foe——軌道原始彈性彎曲矢度（cm），根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計分析，軌道原始彈性彎曲的相對曲率f Q——等效道床橫向阻力（N/cm），見表2-13； R——曲線半徑（cm），本設(shè)計取最不利情況，最小曲線半徑為4000m； Rop——鋼軌原始塑性彎曲半徑（cm），1 t——軌道原始彈性彎曲的相對曲率，t=表2-13等效道床橫向阻力（kN/m）軌枕類型等效道床阻力新Ⅱ型混凝土軌枕1760根/km8.51840根/km8.9Ⅲ型混凝土軌枕1667根/km11.5由式（2-20）~（2-23）可得：1ω=2βEl2Pw鋼軌允許溫度壓力可由下式計算：P=式中P——允許溫度壓力； K——安全系數(shù)，本設(shè)計取1.3。鋼軌允許溫升?t?t式中F——鋼軌截面面積（mm2）。由式（2-24）、（2-25）可得：?4）確定設(shè)計鎖定溫度t設(shè)計鎖定溫度按照圖2-3計算。圖2-3設(shè)計鎖定軌溫計算圖te式中tmax ?由式（2-26）得：te本設(shè)計選取設(shè)計鎖定溫度為t1.4.5.2施工鎖定軌溫的確定無縫線路鋪設(shè)時，施工鎖定溫度應(yīng)該是一個范圍，一般取設(shè)計鎖定軌溫的±5℃，困難情況下可取±3℃。本設(shè)計的設(shè)計鎖定軌溫的上限為tm=te+5=251.4.6強度檢算由強度檢算公式：σdσt式中?t——引起產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的溫度變化（℃），本設(shè)計為tm σd得：σd同理，壓應(yīng)力檢算為：σd式中?t'——引起產(chǎn)生最大壓應(yīng)力的溫度變化（℃），本設(shè)計為tmax σd其中σd，σσtσt1.5軌枕強度檢算在檢算軌枕的彎矩時，通常我們把它視作支撐在彈性基礎(chǔ)之上的短梁，取最不利的支撐方式來檢算。1.5.1軌下截面正彎矩Mg的檢算檢算軌下截面正截面時，一般采用中間全部掏空的支撐方式，可得Mg的檢算公式[11]Mg式中a1——荷載作用點至枕端距離，取 e——一股鋼軌下，軌枕的全支撐長度，取e=110cm b' Ks——軌枕設(shè)計系數(shù)，本設(shè)計取K[Mg] Rd——枕上動壓力，由式（2-29）得：Mg軌下截面正彎矩滿足條件。其中Rd1.5.2中間截面負彎矩Mc的檢算檢算中間截面負彎矩時，Ⅲ型軌枕采用軌枕全支撐的方式。Mc式中L——軌枕長度（cm）；[Mc由式（2-30）得：McMc中間截面負彎矩滿足條件。其中Rd1.6道床及路基面的強度檢算1）道床頂面應(yīng)力檢算：σb式中σb b——軌枕底面寬度，Ⅲ型軌枕軌下截面寬度為30cm； e'——Ⅲ型軌枕取軌枕長的一半，當L=260cm時，同時考慮到壓應(yīng)力分布不均勻的問題，引入一個應(yīng)力不均勻系數(shù)m，則道床頂面最大壓應(yīng)力為：maxσb式中m——應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，取m=1.6。由式（2-31）、（2-32）得：maxσb式中σ?——道床允許承壓應(yīng)力，碎石道床為σ?2）路基面強度檢算：道床上的壓應(yīng)力會以一定的壓力擴散角向下擴散，假設(shè)其按直線擴散，并且不考慮其余軌枕對其影響，道床上的壓應(yīng)力是均勻分布的。h1式中?1 φ——壓力擴散角，φ=35根據(jù)?1①第一個部分：0≤h≤σ?式中m——應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，取m=1.6。②第二部分：?σ?③第三部分：h≥σ?由式（2-33）得：hh所以屬于第二部分。σ?σ式中σs——路基表面允許承壓應(yīng)力，新建線路路基σr1.7鋼軌斷縫檢算由規(guī)范可得[9]：λ=EF式中λ——鋼軌斷縫（mm）； F——鋼軌截面面積（m