铁路无缝线路设计

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1、第5章 无缝线路设计无缝线路是将标准长度的普通钢轨进行焊接，形成钢轨长度超过一定值的钢 轨线路，又叫做焊接长钢轨线路，它是当今世界上轨道结构中的一项新技术，在 该项技术上世界各国正在以积极的态度竞相发展。对于一般的铁路线路来讲，钢轨的接头往往是轨道的薄弱环节，由于轨缝的 存在，列车在通过轨道时就会发生冲击和振动，并产生巨大的噪音，不但如此， 钢轨受到的冲击力也会提升 3 倍以上。接头冲击力不但影响列车行驶的平稳度和 旅客的舒适感，还会促使道床破坏、线路状态恶化、缩短钢轨和街头零件的使用 寿命、增加额外的维修费用。伴随着现代化铁路的高速化、舒适化和环保化的高 要求，在行驶速度、列车轴重和密度不断

2、增长的今天，普通铁路无法适应现代化 运输的要求。无缝线路消灭了大量的接头，具备行车平稳、旅客舒适、车辆和轨 道维护费用减低、轨道与道床使用寿命延长等众多优点，是今后铁路发展的方向 和未来。5.1 无缝线路基本规定1. 根据铁路无缝线路设计规范(TB 10015-2012)，新建、改建铁路正线 应采用汇注七钢轨，钢轨长度可以是25m、50m和100m,在线路中优先采用100m 长定尺钢轨。2. 无缝线路在设计时，应根据当地轨温资料，计算无缝线路的允许温升、允 许温降，并考虑一定的修正量计算确定锁定轨温。在一定范围内，无缝线路设计 锁定轨温应一致。3. 道岔、钢轨伸缩调节器及胶接绝缘接头钢轨宜与相

3、连轨道同类型、同材质。在小半径曲线()以及大坡道地段宜采用全长淬火钢轨或高强钢轨。4. 有砟无缝线路铺设的曲线半径不宜小于500m；在小于500m半径地段铺设 无缝线路时，应采取适当的措施增大道床横向阻力。5. 在连续长大坡道、制动坡段和行驶重载列车坡段上的无缝线路，必要时应 采取轨道加强措施，连续长大坡道不宜设置钢轨伸缩调节器和有缝钢轨接头。6. 最大轨温变化幅度超过100C的严寒地区铺设无缝线路时应单独设计，加 强轨道结构强度，还可以采取大调高量扣件。7. 无缝线路设计应根据线路、运营、气候条件及轨道类型因素进行，经过稳 定性等检算确定设计锁定轨温。8. 铺设无缝线路的桥梁应根据无缝线路纵

4、向力，对桥梁及轨道结构进行检 算。9. 桥上无缝线路设计宜减少钢轨伸缩调节器的设置。10. 标准长度钢轨应采用工厂化焊接，工厂化焊接长轨条长度不宜小于500m，焊接宜采用闪光焊接。5.2 无缝线路设计要求5.2.1 线路等级铁路线路是供机车车辆组成的列车运行的，是轨道和路基、桥涵、隧道等建 筑物等设备的统称。在我国，新建和改建的铁路根据其在铁路网中的作用、性质 和远期客货运量的不同分成不同等级。铁路的等级不同，铁道线路及其工程结构 物都有不同的要求。根据设计要求，该线年通总重幕二厶二二，由线规可知轨道正线类型为重型。5.2.2 锁定轨温无缝线路锁定轨温应根据当地最高铺设无缝线路的允许温升、允许

5、温降计算 确定，并且考虑一定的修正量。设计锁定轨温范围为5弋，相邻单元轨节之间的锁定轨温只差不应大于 5T，同区间轨温只差不大于10oC,160km/h以上铁路不应大于3弋。5.2.3 无缝线路结构组成温度应力式无缝线路由固定区、伸缩区和缓冲区三部分构成。1、伸缩区长度根据计算确定。2、固定区为长轨减去两端伸缩区的长度，每段长轨的长度应根据线路情况 和施工条件决定，原则上应与自动闭塞区段的长度一致。如受条件限制，固定区 也不应短于 50m。3、缓冲区一般由 2到 4节标准轨或厂制缩短轨组成，有绝缘接头时为 4 节。5.2.4 缓冲区和伸缩区的设置缓冲区应设在下列地点：1、两段长轨之间；2、道岔

6、与长轨之间；3、自动闭塞和轨道电路地段的绝缘接头，一般应不止在缓冲区的中间；4、其他必要的地点。5.2.5 无缝线路铺设地段和位置无缝线路的铺设地段和位置，应符合下列条件：1、轨下基础稳定，线路没有翻浆冒泥、下沉挤出大于 15mm 的冻害。2、半径为 800m 以及以下的曲线地段，应尽量采用全长淬火轨或耐磨轨。3、桥梁有浅基、孔径不足、偏心超限、载重等级不足或支座、墩台等严重 病害和下承板梁上，铺设无缝线路须严格进行检查。4、桥上铺设无缝线路，除符合下列条件者外，均应检查钢轨、墩台的受力 状态、轨道防爬能力及钢轨低温断缝值等。5、在隧道长度为 1000m 及以上时，铺设无缝线路宜将隧道内单独铺

7、设一段 长轨，伸缩区设于隧道洞口内方，缓冲区尽量设置在隧道洞口外。隧道长度小于 1000m,可不单独铺设。5.2.6 缓冲区钢轨接头缓冲区钢轨接头,应采用10.9 级高强度接头螺栓及平垫圈,接头螺栓扭矩 应达到900Nm。缓冲区轨缝尺寸,应根据计算确定。5.3 设计参数计算5.3.1 设计资料及条件1、无缝线路铺设地点：拉萨地区2、无缝线路铺设钢轨类型：U71Mn60轨3、无缝线路铺设的轨枕类型： S-III 型4、无缝线路轨枕间距：1760根/km5、道床类型：面碴厚为 250mm ，垫层厚为 200mm6、钢轨接头螺栓扭矩值：900Nm7、设计区最小半径： R=500m8、.计算钢轨位移及

8、弯矩时，道床刚度：60000N/mm，检验钢轨 刚度 30000N/mm。9、设计最高行车速度 120Km/h10、设计轨温：最高温度49.4C，最低气温-16.5C5.3.2 计算 k 值本设计采用S-III型钢筋混凝土枕，每千米轨枕数为1760/Km,根据设计要求, 钢轨支座刚度D值在检算钢轨为Mmn 当在检算轨枕时D=汇二二二、匕匕 轨枕间距为1OOOOOOa = 568mm1760钢轨基础弹性模量工为：D30000应T 二 52S2Mpa刚比系数为5-1)式中/ 新轨水平轴的惯性矩，其中对于60Kg/m轨为Um打。由公式（5-1）可得刚比系数为4 1S2.82k = = 0.0011

9、呂4 X 2.1 X 105 X 3217 X 1045.3.3 弯矩计算ND5 机车前后转向架各有三个轴，如图5-1 所示，在寻找引起最大弯矩的最 不利轮位时，只要用一个转向架的三个轴分别作为计算轮来求最不利轮位。由于 转向架的三个轴轮重量相等，但是轴距是不相同的，所以要计算1、2、3 轮引起 的弯矩，在所有弯矩值中找到最不利弯矩，既最不利荷载值。/ / /2.55ml(8m图 5-1表 5-1 不利荷载计算表计算轮项目轮位EPp (N)动1动2动3动1P(N)106450106450106450101378.97x(mm)0.0002550.0004350.000kx0.0003.0095

10、.133M1.000-0.0550.008Pp (N)106450.000-5900.630829.596动2P(N)10645010645010645083034.57x(mm)2550.0000.0001800.000kx3.0090.0002.124M-0.0551.000-0.165Pp (N)-5900.630106450.000-17514.797动3P(N)10645010645010645089764.80x(mm)4350.0001800.0000.000kx5.1332.1240.000计算轮项目轮位EPp (N)动1动2动3M0.008-0.1651.000Pp (N)8

11、29.596-17514.797106450.000X 101378.97= 21478594.49其中二=尹朮二；,取计算静弯矩辽为钢轨动弯矩用静态法计算5-2)式中二钢轨的动弯矩;041?E速度系数，用- = 计算;偏载系数，二二二二二二:计算，二:为容许欠超高；二横向水平力系数，一般取1.45。内燃机车计算钢轨轨底弯曲应力时，设计速度为速度系数为:0.4v0.4 X 120a = 0.48100 100A、在久二的曲线上，容许欠超高二： = :，计算偏载系数：P = 0002A = 0.002 X 75 = 0.15在二=的曲线上，横向水平力系数丫，二=5Md =21478594.49

12、X (1 + 0.48 + 0.15) X 1.45=50764658.09B、在直线地段上，横向水平力系数；，f= 1 25=21478594.49 X (1 + 0.48)X 1.25=39735399.815.3.4 计算动弯应力新轨截面模量,=2沃 二=汀 二鼻:TA、在m= m.的曲线上，轨底动弯拉应力= 50764 = i2si9Mpa%396 X 103轨头动弯压应力50764658.09339 X 103= 149,75MPaB、直线段上的轨底动弯拉应力39735399.81396 X 103=空痢旳直线段上的轨头动弯压应力39735399.81339 X 103= 11721

13、MPa5.4 锁定轨温设计5.4.1 容许温度变化幅度在铁路线路中，钢轨应该有一定的强度以保证在受到动弯应力、温度应力及其他附加应力时不至于破坏，仍然能够正常工作，所以，钢轨所能承受的各种应力之和不超过容许应力值三，即式中兀:钢轨最大动弯拉应力:m、;；二温度应力:m;；兀钢轨承受的制动应力以;；二一钢轨容许应力用,等于钢轨的屈服强度耳除以安全系数三，因为钢轨为U/lMr. 乂陆上钢轨，所以兀二謂心匕,一般钢轨K =15, 再用钢轨三=1沾。允许温度变化幅度式中乞:;钢轨底部下缘位置处动弯应力。由于= 5 7?:-工:时计算温度压力三.；，并除以安全系数 得到 允许温度压力三阿+九曰)+爲5-

14、6)式中 E钢轨弹性模量；I两根钢轨对竖直中和轴线的惯性矩，其中60kg/m钢轨取F轨道框架刚度系数，采用1.0；轨道曲半波长；f轨道弯曲变形矢度，用0.2cm；Q等效道床分布阻力，经计算取6.68。5-7)式中K安全系数，一般情况下取1.251.3。由于该算法是小位移情况，顾不考虑胀轨区的温度压力降低，所以温度升幅5-8)式中 F钢轨断面面积，取7745m:-=2953339.78N2.172 X IO13 X 1 爲舄：5十為 % 6 68 x 14708771.5%=P-P-Pf _ 2362671.82 - 10 X 7745 - 149.75 X 7745 _ 总口匚EFa2.1 X

15、 105 X 1.18 X 105 X 77455.4.3 直线段允许温升1、试算直线段变形弦长】值=厶二覚匕匕时,二 f 二 二二：二二,.，= ：= 2二= 二换算曲率为11却=石8X2F = 77.45 X 102 = 774Smm2pEJyn + 1.84-F X 1.25 X 106 X 14708771.5Pv 2953099.5N =2362671.82 = 2 X 2.1 X 105 X 524 X IOK1.25 X nr2 = 2.172 X 1013N mm=13805598.04mm1 = 3716mmfoe计算得到与原假定=二二二二不符。设： = y，,重新计算二;。

16、（4000P = 1380559804 x= 173mm以:二二再次试算，求得2172 x 1013 x 1 x 10-613478124.68mm2则=沁二匸:匸:该】与第二次设的：=不符，再设.- = sij./lELEL，计算二；foe = 13478124.68 X 嵩而=l-68mm再求得到=1 341 ；r-2 2 B.73e;k;-，贝则二沃处匕匕，基本上与原来的 =沃口K相接近，因此取：=沁？_口:作为变形曲线长度,)=】工心:作 为原始弹性初弯矢度。2、计算直线段的允许温度压力及允许温升2.172 X IO13 X 13：盍若I?吕+為 % 6.68 X 13416323.7

17、82 + 1.68 + 寻 X 1 X IO-6 X 13416323.78=3237S46.72N3237846.72N=2590277.4N1.25冋耳号EFa2590277.4- 10 X 7745 - 117.21 X 77452.1 X 105 X 1.18 X 105 X 7745_ 呂 匚5.4.4 无缝线路锁定轨温无缝线路铺设地点在拉萨地区，其地区历史最大轨温差：At = 49.4 - (-16.5) = 65.9DC温度应力式无缝线路中应该满足心轨 +尬加(.肚， M崖)三(59)曲线地段% +尬加(也瓦， AtJ) = 86.1 + 58.6 = 144.7QCHT -F

18、10 = 65.9 -F 10 = 75.9aC故可采用温度应力式无缝线路直线地段HT -F 10 = 65.9 -klO= 75.9aC 所以可采用温度应力式无缝线路 锁定轨温上限为：= ktj + Tmin = 86.1 + (-16.5) = 69.6QC锁定轨温下限为：= Tmax - mm （Atw,= 49.4 - 58.6 = -9.2QC中间锁定轨温为：= 0.5 （t丁 + 叮）=0.5 X（69.6 - 9.2）= 30.2C设计锁定轨温：、= ：_匸二设计锁定轨温范围：、二5二汇二二5 =二二：匸5二:匸5.5 伸缩区长度计算计算参数：设计锁定轨温汇丁匚钢轨接头阻力m（扭

19、矩为mm：）钢轨纵向阻力梯度 ： = AS:最大温升g =认-= 49斗-25.2 = 24.2QC最大温降g- Tmin = 35.2 + 16.5 = 51.7DC2.SFAtmnv. - P: 2.5 X 7745 X 51.7- 510 X 103切=詈1 = 30.690m缓冲轨长度取标准轨长度的整倍数，得严EA：5.6 施工预留轨缝轨缝设置的目的是为了保证在最高轨温时，相邻钢轨在最轨缝处不会产生压应力，也就是在轨头发生伸缩之后，轨缝能够大于零；在最低轨温时，轨头发生收缩之后，轨缝仍能够满足构造轨缝的要求。其中，轨头的伸缩量计算关系如下：长轨端2EFr5-10)缓冲轨5-11)式中m

20、；钢轨接头阻力，为510KN；mF温升或温降所产生的最大温度力;标准轨长度为25m。5.6.1 最大温度力最大温度压力:= 2 5 75 U =最大温度拉力：+： =二 /e=二m而接头阻力三=和皐二二二,可见大于钢轨于、铺设后轨温下降至二.时，要发生缩短位移。5.6.2 缓冲轨伸缩量缓冲轨端部收缩量(maxPf. Pj) i rl2短2E78EF_ (1001041-510000) X 2500016 X 2500022 X 2.1 X 105 X 77458 X 2.1 X 105 X 7745=gmm由于接头阻力F;大于最大温度压力my,故接头不会伸长，所以缓冲轨端 部伸长量上于=二2E

21、F(1001041-510000)X 2500016 X 250002 X 2.1 X 105 X 77458 X 2.1 X 105 X 7745(maxPt Pj) i rl X 2.1 X 105 X 7745 X 16 =Emm 由于接头阻力N大于最大温度压力故接头不会伸长，所以长轨端部 伸长量二。1、当钢轨处于最低轨温时长轨端的收缩量心&垢=几蛍十人艮=Smm2、当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量 短口EEF=3mm1、当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量2、当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量AJ?.= = 2 X 人百=Omm5.6.3 长钢轨端部伸缩量长轨端收缩量100104

22、1- 510000)5.6.4 缓冲轨间接头预留轨缝缓冲轨间预留轨缝设置应当满足二吕山二左三-二辛,其中亠*二m:也包适=(18 6 H- 0)= 6 mm5.6.5 长轨轨端接头预留轨缝长轨端预留轨缝设置应当满足亠:=乞亠乞七-七迁心弓工= (18 8 H- 0)= Smm5.6.6 计算结果汇总设计锁定轨温范围：7, = =2.2二亍匚伸缩区长度：二=E：施工预留轨缝：-；：-=氏匸：-：= M：缓冲区预留轨缝如图 5-2 所示规阳咖解5mm6mm5mm图 5-25.7 设计参数检算5.7.1 钢轨强度检算已知无缝线路钢轨温度应力% = 2.478At = 2.478 X 51.7 = 1

23、28.11MPatrty = 2.478At = 2.478 X 24.2 = 60MPa对于U71Mn钢轨，屈服极限-7- = 5/MPs，安全系数K = 1 25，因此，允许应力M = = 351.S4MPaK 1.25A、曲线轨底adl + % + % = 128.19 + 128.11 + 10 = 266.3MPa a轨头ady + ffey + 务=149.75 -F 60-F 10 = 219.75MPa aB、直线轨底adsl + % + % = 100.34 + 128.11 + 10 = 238.4SMPa a 轨头adsy + aty + % = 117.21 + 60-

24、F 10 = 187.21MPa &所以 ND5 型机车通过该曲线时，钢轨强度满足要求。5.7.2 混凝土枕强度检算由于采用S-III型钢筋混凝土枕，每千米轨枕数为1760根/Km，根据设计要求，当在检算轨枕时二=二二二二m：轨枕间距为1000000a = 568mm1760因此：105.63MpaD 60000u =a 5684|105.63J4 X 2.1 X 105 X 3217 X IO4=0.00141mm-15.7.3 弯矩计算ND5 机车前后转向架各有三个轴，在寻找引起最大弯矩的最不利轮位时，只 要用一个转向架的三个轴分别作为计算轮来求最不利轮位。由于转向架的三个轴 轮重量相等，

25、但是轴距是不相同的，所以要计算1、2、3 轮引起的弯矩，在所有 弯矩值中找到最不利弯矩，既最不利荷载值。表 5-2 不利荷载计算表计算轮项目动i动1P(N)106450x(mm)0kx0.000n1.000Pn (n)106450.000动2P(N)106450x(mm)2550kx3.009n-0.042Pn (n)-4511.862动3P(N)106450x(mm)4350kx5.133n-0.003Pn (n)-316.805轮位EPp (N)动2动3106450106450101621.33255043503.0095.133-0.042-0.003-4511.862-316.8051

26、06450106450106079.68018000.0002.1241.0000.039106450.0004141.538106450106450110274.73180002.1240.0000.0391.0004141.538106450.000其中、= 三_乩- 才匸二:,取;宀 = m二5.7.4 计算枕上动压力0.3f0.3 X 120a = 0.36ND5 型内燃机车，计算枕上压力时，速度系数及偏载系数为：100 100p = 0.002AH = 0.002 X 75 = 0.15A、曲线考虑横向水平力系数对于S-III型轨枕长度为,int,荷载作用点至轨枕端距离 占：二2二h

27、:，由于轨枕不被掏空，轨枕有效支撑长度为=Sk,轨枕底宽取轨枕的平均宽度，二 = 2二二T：T：，则並=%0 + 口 + #) = (l + cz + 历.竽戸=(1+ 0.36 + 0.15)X* 販 X 110274.73=66679.2NB、直线不考虑横向水平力系数，则並=%0 +刃=Q +庄）竽旳0.00141 X 568=(1-F 0.36)X：X 110274.73=60055.4N5.7.5 轨枕弯矩计算轨下截面正弯矩（5-12）式中 荷载作用点到轨枕端距离，取= 5 5 2r：;r：;；=-股钢轨下轨枕的全支撑长度，取2=二亠匸；-轨下衬垫宽度，一般取轨底宽，s-iii型轨枕取

28、平均宽度150mm；匸轨枕设计系数，为1；屿轨下允许弯矩，III型轨枕取ISkN -rno枕中截面负弯矩M严一瓦（今）出乞隆5-13)式中轨枕长度（cm）；陋轨下允许负弯矩，111型轨枕取T-oA、曲线地段5S0j X 66679.22 X 11008=7918155N mm Mg/2600-4 X 550X-1 X () X 66679.2-6667920N mm McB、直线地段仆空)山隅.4 2 X 11008 /7131578.8N - mm Mg/2600-4 X 550x-1 X (j X 60055.4=-6005540N mm 5.7.6 道床顶面强度检算对于S-3型轨枕，中部

29、不掏空，有效支承长度r =二0门:，轨枕底面平均宽度为- = 3 2，由设计资料可知，面碴厚为二5冷:匸:，垫层厚为mm:， 应次，道床计算厚度200h = 250 + = 350nrinri所以，该轨道路基顶面处于与=之间，考虑到道床面应力的不均匀性, 因此道床顶面应力为5-14)式中 m应力分布不均匀系数，一般取1.6；=一股钢轨下的有效支撑长度，S-III型轨枕取轨枕长的一半,b轨枕底面宽度，取300mm。A、曲线道床顶面压应力巧=但理=X 1.6 = 0.274MPa %h be 300 X 1300hB、曲线道床顶面压应力用汙 6005S.4=mK7 = 300 X 1300 x 16 = -246MPa 唧对于碎石道床允许应力二.二 m,所以道床强度满足要求。5.7.7 路基顶面强度检算当在道床深度为二二汀九:匸：时，该区域的道床应力为（5-15）式中二压力扩散角一般取二廿:。A、曲线地段R.66679.2r .cl, = := O.lOSMPa 碍2he tan爭 2 X 350 X 1300 X tan35DB、直线地段R.60055.4r “a = = 0.095MPa 碍2he tamp 2 X 350 X 1300 X tan35D对于既有线粘砂土路基，允许应力卢；=二工：応匕，因此，满足强度要求,故该设计合格。心工哇=几抡 几审 =Oinm