高速铁路有砟轨道设计

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1、目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 高速铁路发展史- 1 -1.1.1 高速铁路三次发展高潮- 1 -1.1.1.1 高速铁路建设的第一次高潮- 1 -1.1.1.2 高速铁路建设的第二次高潮- 2 -1.1.1.3 高速铁路建设的第三次高潮- 2 -1.1.2 中国高速铁路发展概况- 3 -1.2 铁路高速化的技术基础- 4 -第2章 高速铁路轨道结构类型选择- 5 -2.1 轨道结构类型- 5 -2.2 有砟轨道结构- 5 -2.1.1 钢轨- 5 -2.1.2 轨枕- 6 -2.1.3 扣件- 7 -2.1.4 道床- 7 -2.3 曲线轨道外轨超高- 9 -2.4 无缝线路概况- 9

2、 -第3章 轨道各部分强度检算- 11 -3.1 按中速韶山9电力机车检算轨道各部件强度- 11 -3.1.1 钢轨强度检算- 11 -3.1.1.1 检算所需公式及说明- 11 -3.1.1.2 检算过程- 12 -3.1.2 轨枕弯矩检算- 14 -3.1.3 道床顶面应力检算- 17 -3.1.4 路基道床压应力检算- 17 -3.2 按中国高速列车ZGS检算轨道各部件强度- 18 -3.2.1 钢轨强度检算- 18 -3.2.2 轨枕弯矩检算- 20 -3.2.3 道床顶面应力计算- 22 -3.2.4 路基道床压应力计算- 23 -第4章 路基上无缝线路设计- 24 -4.1 无缝线

3、路设计相关资料- 24 -4.2 钢轨强度检算- 24 -4.2.1 检算目的- 24 -4.2.2 钢轨强度条件- 24 -4.3 稳定性检算- 25 -4.3.1 检算目的- 25 -4.3.2 长钢轨轴向温度压力计算- 26 -4.4 结构选择设计与相关计算- 29 -4.4.1 温度应力式无缝线路铺设条件检验- 29 -4.4.2 锁定轨温计算- 29 -4.4.3 伸缩区长度计算- 32 -4.4.4 预留轨缝计算- 32 -4.4.5 防爬设备布置- 34 -4.4.6 轨条布置- 34 -第5章 我国发展高速铁路的意义- 35 -5.1 我国高速铁路的建设规划- 35 -5.2

4、铁路在经济发展中的纽带与动脉作用- 35 -5.3 铁路在国家安全中的战略与安全作用- 36 -结 束 语- 37 -参考文献- 38 -致 谢- 39 -附 录 1- 40 -石家庄铁道学院毕业设计第1章 绪 论1.1 高速铁路发展史高速铁路的概念产生于德国，而高速铁路的实际应用则发源于日本。1959年，日本国铁开始建造东京至大阪的高速铁路，并在1964年开通，全长515km，时速210km，称为东海道新干线，高速铁路由此产生。法国高速铁路称TGV。法国国铁(SNCF)从1950年开展高速铁路技术研究，1955年研制的样车试车，就创造了当时的世界最高记录时速331km，使人们看到了这一技术的

5、发展前景。2007年4月3日法国TGV最新型“V150”超高速列车行驶试验速度达到了574.8km/h，创下了有轨铁路行驶世界纪录。德国ICE高速铁路的技术储备并不亚于法国，1988年5月德国ICE列车的实验运行速度就达到了406.9km/h。同时，德国和日本还在研究实验非轮轨接触式的磁悬浮列车，1979年德国修建了一个既有高架也有地面路轨的长达31.5km哑铃式的磁浮试验回路，列车空载最高时速达到450km，载客时速420km，平均时速度也有300km。1.1.1 高速铁路三次发展高潮高速铁路的发展可以划分为三个不同的阶段，即20世纪60年代至80年代末的第一次建设高潮，90年代初期形成的第

6、二次建设高潮，以及90年代中期以后形成的第三次建设高潮。1.1.1.1 高速铁路建设的第一次高潮19641990年是世界上高速铁路发展的最初阶段。在这期间建设并投入运营的高速铁路有日本的东海道、山阳、东北和上越新干线；法国的东南TGV线、大西洋TGV线；意大利的罗马佛罗伦萨线，以及德国的汉诺威维尔茨堡高速新线，高速线里程达3198km。这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构。除了北美以外，世界上经济和技术最发达的日本、法国、意大利和德国推动了高速铁路的第一次建设高潮。日本东海道新干线和法国TGV东南线的运营，在技术、商业、财政以及政治上都获得了极大的成功。东海道新干线在财务收支上已经成

7、为日本铁路客运的主要支柱，TGV东南线也在运营10年的期限里，完全收回了投资。第一次建设高潮时期，高速铁路呈现出如下特征：由于采用了新技术，使得铁路的竞争力增强，铁路旅客运输在市场中所占的份额出现回升，经济效益开始好转；解决了运输能力紧张的问题；推动了沿线地区经济的均衡发展，促进了相关产业的建设；节省能源，降低对环境的污染。新建项目带动了既有铁路网的技术改造，使国家既有设施得到整治并从中受益。日本、法国、意大利和德国在建设高速铁路的初期，投入了大量的开发研究费用，利用自主知识产权建成了本国的高速铁路，成为当今世界上仅有的四个高速铁路技术保有国。1.1.1.2 高速铁路建设的第二次高潮高速铁路建

8、设在日本和法国所取得的成就影响了很多国家。80年代末，世界各国对高速铁路的关注和研究酝酿了第二次建设的高潮。第二次建设高峰于90年代在欧洲形成，所波及到的国家主要有法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典和英国等。1991年瑞典开通了X2000摆式列车，1992年西班牙引进法、德两国的技术建成了471km长的马德里塞维利亚高速铁路。1994年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际连接线。1997年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起。在这个期间，日本、法国、德国以及意大利对发展高速铁路进行了全面规划。根据1987年的计划，日本将再修建东

9、北新干线（盛冈青森）、北陆新干线（高崎敦贺）、九州新干线（福冈鹿儿岛）、九州新干线（福冈长崎）、北海道新干线（青森札幌）等5条新干线，总长达到1440km。1986年，意大利政府批准了交通运输发展规划纲要，准备修建横连东西（都灵米兰威尼斯）、纵贯南北（米兰佛罗伦萨罗马那不勒斯），长达1230km的“T”型高速铁路网。法国于1992年由政府公布了建设全国高速铁路网的规划，根据规划，未来20年内高速铁路网将由4700km新线（其中1282km已于1997年开通投入运营）构成，新线建造费用预计达1800亿法郎（以1989年价格计）。1991年4月，德国联邦政府批准了联邦铁路公司改建、新建高速铁路20

10、00km的计划。第二次建设高潮时期，高速铁路所表现出的特征体现在：已建成高速铁路的国家进入了高速路网规划和建设的年代；高速铁路的建设已经不仅仅是铁路部门的需要，修建高速铁路网成为地区之间相互联系的政治需求；能源和环境的要求呼吁发展无污染的高速铁路；出现了全国的和跨越国境的高速铁路网。1.1.1.3 高速铁路建设的第三次高潮高速铁路的建设与研究自90年代中期形成了第三次高潮，这次高潮波及到亚洲、北美、大洋洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。自1992年以来，俄罗斯、韩国、我国台湾、澳大利亚、英国、荷兰等国家和地区均先后开始了高速铁路新线的建设。据不完全统计，为了配合欧洲高速铁路网

11、的建设，东部和中部欧洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等国家正在进行主干线铁路改造，全面提速。此间修建高速铁路新线的国家和地区达到12个，修建新线总长3509km。除了以上这些已经开工建设的项目，对高速铁路开展前期研究工作的国家还有土耳其、中国、美国、加拿大、印度、捷克等。与以前所不同的是，参与第三次高速铁路建设高潮的各个国家所表现出的特征主要体现在以下几个方面：大多数国家在高速铁路新线建设的初期即拟订了修建高速铁路的全国规划；虽然建设高速铁路所需资金巨大，但从社会效益、能源节约、治理环境污染等诸方面分析，修建高速铁路对整个社会具有很好的效益，这一点得到各国政府的共识；高速铁路促

12、进地区之间的交往和平衡发展，欧洲国家已经将建设高速铁路列为一项政治任务，各国呼吁在建设中携手打破边界的束缚；高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金，建设高速铁路出现了多种形式融资的局面；高速铁路的技术创新正在向相关领域辐射和发展。1.1.2 中国高速铁路发展概况为了适应我国经济发展的需要，我国高速铁路的建设问题也受到了高度重视，1990年以来，为提高列车运行速度，铁路系统已经经过六次大提速，其中包括对机车改造更新、线路改造、车辆更新、调度指挥系统信息化等等，这些措施已经取得了良好的成效。1991年，铁道部将经济发达的广州至深圳间147km的广深铁路改造成为准高速铁路，待取得经验后再

13、进一步向高速铁路发展，该项目于1990年底经国家计委审查批准立项，于1994年底正式开通运营。其旅客列车速度为160200km/h，不仅在技术上实现了质的飞跃，更主要的是通过科研与实验、引进和开发，为建设我国高速铁路做好了前期准备，成为我国铁路高速化的起点。2003年，我国第一条秦皇岛沈阳快速客运专线建成并投入运营， 其中，山海关至绥北中间66.8km的综合试验段，按高速标准修建，旅客列车试运行速度在200km/h以上。通过秦沈线的建设和运营实践，可以摸索出适合中国国情的高速客运专线的技术标准、施工方法、运营管理及维护模式等一系列宝贵经验。2004年1月7日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，

14、讨论并原则通过了中长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标：到2020年，全国铁路营业里程达到10万km，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。根据中长期铁路网规划，我国铁路将建成以京沪、京广、京哈、沪甬深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉的“四横四纵”客运专线为主体，城际客运专线为扩充的快速客运专线1.2万公里，客货混跑快速线路2万公里，形成我国铁路快速客运网。2008年8月1日，中国内地第一条设计时速350km的京津城际高速铁路投入运营，中国铁路正式步入高速时代。目前京沪、京卢、武广、石武、温福、合宁等高

15、速铁路项目都已在建设之中。1.2 铁路高速化的技术基础高速铁路对高新技术的要求是全方位的：(1) 要有大功率牵引机车。目前，一列普通客车所需的机车牵引功率为20003000kw，而一列时速300km的高速列车所需的机车牵引功率则高达10000kw。在现代铁路牵引动力的行列中，电力机车和内燃机车并驾齐驱，分担运输任务。两者比较，电力机车功率大、拉得多、跑得快、爬坡能力强，在运营中比内燃机车更胜一筹。一台电力机车的运输能力相当于1.5台内燃机车，而电力机车牵引每万吨/公里能耗仅为内燃机车牵引的2/3。当然，电力机车必须有供电系统，造价要高些，综合考虑，高速铁路必须采用大功率的电力机车。(2) 要有

16、又轻又稳的车轴。不仅如此，采用计算机技术设计的流线型车身以及采用智能化控制的车辆密闭通风结构，使高速列车具有极其良好的空气动力性能。车辆转向架是确保列车高速运行平稳的一个关键部件，采用计算机仿真技术来设计车辆转向架，同时采用先进的精确制造工艺和组装技术，能使车辆自身振动和线路干扰振动降低到最低水平。(3) 要有良好的轨道基础。铁路是由一根根钢轨连接起来的。在普通铁路上，火车是在有缝线路上行驶，运行中会产生剧烈的震动，并发生噪声，影响旅客的休息，同时，因为车轮与钢轨的端部不断冲击，钢轨与钢轨的连接处轨缝就会产生凹陷现象，还使车轮和钢轨降低了使用寿命，隐患随之增多。高速铁路使用的是无缝线路，无缝线

17、路与有缝线路相比，有显著的优越性，仅从节约劳力和延长设备使用寿命方面计算，无缝线路比有缝线路可节约线路维修费用50%左右，此外，还可减少机车车辆的修理费，并能使火车运行平稳，旅客乘坐舒适。(4) 要有先进的列车自动控制系统。该系统是由行车自动指挥、列车自动驾驶和列车自动防护三大部分组成。系统的特点是：以电子器件和微电子元件组成集中管理、分散控制的模式来替代传统的模式，从而确保高速列车高效率、高可靠性地行驶。日本是最早发展高速铁路的国家，40多年以来，从未发生过行车重大事故，创造了世界行车安全之最，其主要经验之一，就是采用了先进的列车自动控制系统。第2章 高速铁路轨道结构类型选择2.1 轨道结构

18、类型当今世界上高速铁路客运专线轨道结构主要有两种类型：有砟轨道和无砟轨道。从实践经验看，两种轨道都可运行时速300km/h的高速列车。在高速铁路究竟铺设何种类型轨道结构，应从技术和经济角度全面衡量决定。从目前世界各国高速铁路运营情况来看，列车速度低于300km/h时，桥隧区段铺设无砟轨道，路基面宜铺设有砟轨道；当列车速度大于300km/h时，采用无砟轨道结构可较好保持轨道的平顺性，有利于列车的高速运行。有砟轨道与无砟轨道各有优缺点，有砟轨道结构是铁路线路传统的结构，它具有弹性良好，造价低廉，更换与养护维修方便，吸收噪声特性好等优点。但随着行车速度的提高，其缺点也逐渐显现，首先有砟轨道会产生不均

19、匀下沉，轨道破损和变形加剧，维修工作量增加。无砟轨道结构具有使用寿命长、维修费用低而且恒载小、建筑高度低、线路状况良好和宜于高速运行等优点，但其缺点是投资大、技术要求高、一旦出现损伤，维修费用较高而且不允许地基沉降。根据我国国情和铁路长期的运营经验，我国高速铁路客运专线路基地段宜铺设有砟轨道结构，桥梁和隧道可铺设无砟轨道。综合考虑我国经济技术等因素，本设计选用有砟轨道结构。2.2 有砟轨道结构2.1.1 钢轨 钢轨是轨道结构的主要部件，其作用是引导机车车辆车轮前进，承受车轮的巨大压力并将该力传递到轨枕或其他支承上。因此，钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，对高速铁路而言，钢轨要提

20、供的轮轨踏面平顺性和钢轨内侧工作边平顺性要比普通铁路高得多。为保证高速铁路运行的平顺性，线路下部基础、轨道上部结构以及各轨道部件都要为钢轨的正常工作提供良好条件。而钢轨本身，其内在质量、材料性能、断面公差、平直程度等都是十分重要的特性。钢轨在技术上要能保证足够的强度、韧性、耐磨性、稳定性和平顺性，在经济上要能保证合理的大修周期、减少养护维修的工作量。我国钢轨随着铁路运输事业的发展经历了漫长的发展过程，钢轨类型形成了75kg/m、60kg/m、50kg/m的系列，钢轨材质主要有U71Mn、U74、PD3，其中PD3钢轨在强度、硬度和使用寿命上都比较占优势，近年来得到了比较广泛的使用。1998年，

21、铁道部颁布了时速300公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件，对60kg/m钢轨加以规范。 从钢轨单位质量上来看，在大轴重、大运量的重载线路上应采用6075kg/m钢轨，在列车运行速度超过160km/h的线路上应采用6075kg/m钢轨。高速客运专线铁路钢轨的断面应在既有铁路使用成熟的钢轨中选择，而我国也已形成75kg/m、60kg/m和50kg/m的断面系列，其中60kg/m钢轨应用最为广泛。综合各方面的技术要求和我国既有铁路钢轨运用情况，本客运专线设计选择使用60kg/m钢轨，定长为100m，材质为U71Mn，屈服极限s457MPa，其横断面形 图2-1 60kg/m钢轨横断面图(单位：

22、mm)式如图2-1。 2.1.2 轨枕虽然在高速铁路的发展中无砟轨道所占的比例越来越大，在许多国家已成为轨道结构的首选，但有砟轨道依然是铁路高速铁路轨道结构的主要形式，因此混凝土枕的性能和质量仍需重点关注。在混凝土枕长度方面，我国I型和II型混凝土枕长度都是2500mm。长期使用结果表明，这个长度不能满足高速铁路的技术要求。而且世界各国的客运专线和高速铁路中无一例外地采用2600mm以上的混凝土枕。本设计采用III型预应力混凝土、无挡肩轨枕，轨枕长2600mm，每公里铺设1680根(按轨枕中心间距600mm，实际每公里为1667根)。型枕设计参数见表2-1。表2-1 型枕设计参数高速方案轨下截

23、面(mm)中间截面(mm)轨枕重量(kg)设计承载弯矩(kNm)高度宽度高度底宽轨下截面中间截面型枕23030018528032019.05-17.302.1.3 扣件1.弹条 2.预埋件 3.绝缘轨距块 4.橡胶垫板图2-2 弹条III型无挡肩扣件钢轨与轨枕的连接是通过中间连接零件实现的。中间连接零件也称扣件，其作用是将钢轨固定在轨道上，防止钢轨倾覆，保持轨距并阻止钢轨相对于轨枕的纵、横向移动。扣件必须具有足够的强度、弹性和耐久性，并有效地保持钢轨与轨枕的可靠联接。在钢筋混凝土轨枕轨道上，因其弹性小于木枕轨道，扣件还必须提供较高的弹性。扣件应允许调整钢轨高低，以保证轨面得平顺性，混凝土扣件还

24、要求有良好的绝缘性能，此外，还应结构简单，便于安装及拆卸。本设计使用的是弹条III型无螺栓式扣件，其利用预埋于轨枕中的铁件来保持轨距，承受横向力并固定弹条，以弹条扣压钢轨，尼龙块作为绝缘部件并用于调整轨距。弹条用BS970 251 A58级弹簧钢制作，其抗横向水平力的能力静态为100kN，动态70kN(荷载循环200106次)；预埋铁座抗力不小于60kN。弹条III型扣件具有扣压力大(不小于11kN)、弹性好(弹性变形不小于12mm)等优点，特别是取消了混凝土挡肩，从而消除了轨底在横向力作用下发生横移导致轨距扩大的可能性，因此保持轨距的能力很强；又由于取消了螺栓联结的方式，扣压力易于保持，大大

25、减少了扣件养护工作量，非常适用于客运专线和高速铁路的运输条件。因此本设计选择使用弹条III型无挡肩扣件其结构形式如图2-2。2.1.4 道床碎石道床是有砟轨道的突出特点。散粒体道床不仅要承受轨枕传递的各种力的作用，保持轨道结构的稳定性，而且要便于进行养护。对高速铁路而言，散粒体道床的这些作用显得尤为重要。我国有砟道床标准的实验参数及物理力学指标都比较多，这是根据我国铁路道砟生产量大、材质差而又无法在短期内废止石灰岩等性能较差的道砟上的特定情况下提出的。根据新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定，我国高速铁路有砟道床应满足以下技术要求：(1) 应采用碎石道砟，道砟的物理力学性能应符合特

26、级道砟材质指标的规定。(2) 正线单线道床顶面宽度3.6m，道床厚度35cm，道床边坡1：1.75，砟肩堆高15cm，双线道床顶面宽度应分别按单线设计，高速铁路单线有砟轨道道床横断面形式见图2-3。(3) 铺设III型枕地段，道床顶面高度应与轨枕中部顶面齐平；岔枕等其它类型轨枕地段的道床顶面应低于轨枕承轨面3cm。(4) 桥上道床标准应与路肩地段相同。通过居民区的桥梁宜于道砟下铺设厚度为2.5cm的胶垫，砟肩至挡砟墙间以道砟填平。(5) 隧道内道床厚度应与隧道外道床厚度相同，砟肩至边墙（或高侧水沟)间以道砟填平。(6) 线路开通前，道床密实度不得小于1.75g/cm3，支承刚度不得小于120k

27、N/mm，纵向阻力不得小于14kN/枕，横向阻力不得小于12kN/枕。(7) 轨道电路道床电阻不应小于。研究表明，我国的一级道砟不适用于高速铁路，必须采用特级道砟。特级道砟相关技术和要求如下：(1) 道砟由开山块石破碎筛分而成，颗粒表面全部为破碎面。(2) 道砟颗粒形状和清洁度指标应符合下列要求： 针状指数不应大于20%，片状指数不应大于20%； 粒径0.5mm以下的颗粒含量的质量百分率不大于0.6%；粒径0.063以下的粉末含量的质量百分率不大于0.5%； 道砟出场前应用水清洗，且不含黏土团及其他杂质。京沪高速铁路设计暂行规定要求基床表层应采用级配碎石或级配砂砾石材料，其压实标准应符合下表的

28、规定：表2-2 采用级配碎石作基床表层时的压实标准填料厚度压实标准备注地基系数K30(MPa/m) 空隙率级配碎石级配碎石中粗砂0.70 190 18%0.55 190 18%0.15 130路堤表2-3 采用级配砂砾石作基床表层时的压实标准填料厚度(m)压实标准地基系数K30(MPa/m)空隙率级配砂砾石0.7019018%接触网支柱电缆槽基床底层防护栅栏绿化通道基床底层图2-3 单线路堤标准横断面示意图2.3 曲线轨道外轨超高机车车辆在曲线上行驶时，由于惯性离心力作用，将机车车辆推向外股钢轨，加大了外股钢轨的压力，使旅客产生不适，货物位移等。因此需要把曲线外轨适当抬高，使机车车辆的自身重力

29、产生一个向心的水平分力，以抵消惯性离心力，达到内外两股钢轨受力均匀和垂直磨耗均匀等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安全性。高速客运专线轨道平面设计中，采用了较大的曲线半径，来满足高速列车的要求。外轨超过度是指曲线地段外轨顶面与内轨顶面水平高度之差。在设置外轨超过时，主要有外轨提高法和线路中心高度不变法两种。外轨提高法是保持内轨标高不变而只抬高外轨。线路中心高度不变时内外轨分别各降低和抬高超高值的一半而保证线路中心标高不变。我国客运专线采用外轨提高法。外轨超高的计算由下式确定： (2-1)式中，线路设计最高行车速度； 曲线半径，本设计选用的曲线半径为10 000m。2.4 无缝线路概况 无缝

30、线路是用标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，它既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速重载轨道的最优选择。各国铁路竞相发展无缝线路，目前已累计铺设8000多公里。在轨道结构强化方面，60kg/m钢轨已经成为各干线的主要类型轨，轨下基础以II、III型混凝土轨枕为主，道床标准为特级硬质道砟轨道，尤其是跨区间无缝线路和无砟轨道的发展，为高速重载运输的发展打下了坚实的基础。无缝线路按钢轨内部的温度应力处理方式不同，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指把钢轨焊接成长轨节铺在线路上，拧紧扣件锁定后，由于各种线路阻力约束长轨节不能自由伸缩，一年四季随钢轨温度变化，长轨节内承受着

31、不断变化的温度拉力或压力。长轨节端部之间的连接大多采用接头夹板及螺栓，其特点是结构简单，铺设维修方便。放散温度应力式无缝线路目前一般已经不使用。我国无缝线路从1957年开始铺设，目前，京广、京沪、京沈等主要干线均已铺设无缝线路，并且客运专线应铺设跨区间无缝线路。第3章 轨道各部分强度检算3.1 按中速韶山9电力机车检算轨道各部件强度3.1.1 钢轨强度检算4102.9kN2.15m2.15m7.27m韶山9电力机车前后有两个转向架，并且两个转向架之间距离较大，彼此影响很小，因此可任选一个转向架作为计算架来寻找最不利轮位。韶山9电力机车设计最高运行速度为170km/h，图3-1 韶山9电力机车轮

32、重及轮距其轮重及轮距如图3-1。3.1.1.1 检算所需公式及说明(1) 钢轨基础弹性模量，其定义为钢轨基础产生单位弹性下沉时，施加于单位长度钢轨上的压力，计算公式为： (3-1)式中，钢轨基础弹性模量(N/cm或MPa)； 轨道刚度(N/cm)，计算钢轨应力时取为33104N/cm，计算轨下基础应力时取为140104 N/cm；轨枕间距，其值为60cm。(2) 刚比系数，钢轨基础弹性模量与钢轨抗弯刚度的相对比值称为刚比系数，用表示，计算刚比系数的公式为：(3-2) 式中，钢轨的弹性模量，值为2.1105MPa=2.1107N/cm2； 60kg/m钢轨断面对水平轴的惯性矩，值为3217cm4

33、。(3) 钢轨静弯矩计算公式：(3-3)(4) 钢轨动弯矩计算公式： (3-4)式中，静弯矩；速度系数，由表3-2可查得；偏载系数，直线上为0，曲线上一般取为0.15；横向水平力系数，直线上取为1.25，的曲线上取为1.45。(5) 钢轨动弯应力和的计算公式： (3-5)式中，钢轨底部断面系数，60kg/m钢轨的； 钢轨头部断面系数，60kg/m钢轨的。3.1.1.2 检算过程(1) 计算钢轨基础弹性模量，根据式(3-1)有， (2) 计算刚比系数，根据式(3-2)有， (3) 分别以1、2轮为计算轮，计算P(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩，计算结果见表3-1。表3-1 韶山9电力机车

34、当量荷载P计算表计算轮项目轮位P(N)动1动2动3动1P(N)10290010290010290091973.6x(cm)0215942x02.56711.2471-0.10621.58810-5P(N)102900-109281.63动2P(N)10290010290010290091951.4x(cm)2150727x2.56708.680-0.10621-0.0002P(N)-10928102900-20.58由表3-1可知动1轮的当量荷载91973.6N为其中的最大值，用该值计算的钢轨弯矩作为检算钢轨强度的依据。(4) 计算钢轨静弯矩，根据式(3-3)得，(5) 计算钢轨动弯矩表3-2

35、 速度系数速度系数速度km/h电力牵引内燃牵引电力牵引内燃牵引计算轨底弯曲应力计算钢轨下沉及轨下基础部件用v1200.6v/1000.4v/1000.45v/1000.3v/1001120v1600.3v1/1000.2v1/1000.23v1/1000.15v1/1002160v2000.1v2/1000.07v2/1000.08v2/1000.05v2/100v20011.50.751.2根据表3-2计算电力机车轨底弯曲应力的速度系数： 则根据式(3-4)，计算钢轨动弯矩，直线上：曲线上：(6) 计算钢轨的动弯应力和，由式(3-5)得，直线上：曲线上： 60kg/m钢轨的温度应力，屈服极限

36、，钢轨安全系数K=1.3，其允许应力为： 直线上轨底应力：轨头应力：曲线上轨底应力： 轨头应力：可见，无论直线还是曲线上，上述钢轨轨头和轨底的基本应力均小于允许应力，满足钢轨的强度条件。3.1.2 轨枕弯矩检算(1) 轨枕上静压力R0计算公式： (3-6)(2) 轨枕上动压力Rd计算公式： (3-7) (3) 轨枕下截面及中间截面弯矩计算公式： (3-8) 式中，荷载作用点至枕端距离，取；每股钢轨下，轨枕的全支承长度，；枕下衬垫宽度，一般取轨底宽，取。L轨枕长，本设计使用的III型混凝土枕长为260cm。 计算轨下基础弹性模量，根据式(3-1)得， 计算轨下基础刚比系数，根据式(3-2)得，

37、分别以1、2轮为计算轮，计算(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩，计算结果见表3-3。表3-3 韶山9电力机车当量荷载 (N)计算表计算轮项目轮位(N)动1动2动3动1P(N)10290010290010290098465x(cm)021594203.676516.10821-0.04311.810-6(N)102900-4434.99-0.01动2P(N)10290010290010290098453x(cm)2150727 3.6765012.4317-0.04311-3.8810-5(N)-4434.99102900-12.01由表3-3可知计算轮动1的当量荷载98465N为其中的最

38、大值，该值用以计算轨枕静弯矩。 计算轨枕上静压力R0，根据式(3-6)得， 计算轨枕上动压力Rd，先计算速度系数，由表3-2得轨下基础弯曲应力的速度系数：计算轨枕上动压力Rd，根据式(3-7)得，直线上： 曲线上： 轨枕下截面正弯矩Mg计算，根据式(3-8)得，直线上：曲线上： 轨枕中间截面负动弯矩Mc计算，根据式(3-8)得，直线上：曲线上：III型混凝土轨枕的允许弯矩 ，所以轨枕弯矩检算合格。3.1.3 道床顶面应力检算道床顶面应力，无论是沿轨枕纵向还是横向，分布都是不均匀的，道床顶面上的最大压力可近似取为： (3-9)式中，轨枕有效支承长度， ； 轨枕地面平均支承宽度，III型轨枕值为3

39、00mm； 应力分布不均匀系数，取为1.6。道床顶面应力检算，根据式(3-9)得，直线上：曲线上：特级碎石道床允许应力，因此道床强度满足要求。3.1.4 路基道床压应力检算道床压应力计算的基本假设： 道床上的压力以扩散角按直线扩散规律从道床顶面传递到路基顶面； 不考虑相邻轨枕的影响； 道床顶面的压力是均匀分布的。根据以上假设，道床内部的压力传递如图3-2，轨枕横向及纵向的压应力扩散线交点分别为、，距枕底高度分别为、， RdK1K2 由图可知： (3-10)式中， 压力扩散角，37。 根据式(3-10)得， 由已知条件，道床的计算厚度，所以计算厚度在和之间，计算该区域道床应力的公式为： (3-1

40、1)根据式(3-11)计算该区域道床应力，直线上：曲线上： 新建砂粘土路基允许应力，因此路基强度满足要求。3.2 按中国高速列车ZGS检算轨道各部件强度3.2.1 钢轨强度检算495kN3.0m3.0m8.46m图3-3 中国ZGS高速列车轮重与轮距中国ZGS高速列车设计最高行车速度为300km/h，其轮重与轮距如图3-3所示。 (1) 计算钢轨基础弹性模量，根据式(3-1)有，(2) 计算刚比系数，根据式(3-2)有，(3) 中国ZGS高速列车的两个转向架距离较大，彼此影响很小，可任选一个转向架作为计算架。本设计选1、2轮作为计算轮来计算当量荷载P(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩，计

41、算结果见表3-4。表3-4 中国ZGS动车组当量荷载P计算表计算轮项目轮位P(N)动1动2动3动1P(N)95000950009500093736.5x(cm)03001146kx03.58213.6831-0.0133-0.2410-6P(N)95000-1263.1-0.4动2P(N)95000950009500093733.4x(cm)3000846kx3.582010.101-0.01331-0.2710-5P(N)-1263.195000-3.5由表3-4可知计算轮动1轮的当量荷载93736.5N为其中的最大值，该值用以计算钢轨静弯矩。(4) 计算静弯矩，根据式(3-3)得，(5)

42、计算钢轨动弯矩，由于ZGS高速列车设计行驶速度为300km/h200km/h，则由表3-2知只考虑速度系数，=11.5，本设计取=1.3，根据式(3-4)得，直线上：曲线上：(6) 计算钢轨的动弯应力和，根据式(3-5)得，直线上：曲线上： 直线上轨底应力：轨头应力：曲线上轨底应力： 轨头应力：无论直线还是曲线上，上述钢轨轨头和轨底的基本应力均小于允许应力，满足钢轨的强度条件。3.2.2 轨枕弯矩检算(1) 计算轨下基础弹性模量，根据式(3-1)得，(2) 计算轨下基础刚比系数，根据式(3-2)得，(3) 分别以1、2轮为计算轮，计算(N)，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩，计算结果见表3-5

43、。由表3-5可知计算轮动2轮的当量荷载93347.3N为其中的最大值，该值用以计算轨枕静弯矩。(4) 计算轨枕上静压力R0，根据式(3-6)得，表3-5 ZGS高速列车当量荷载(N)计算表计算轮项目轮位(N)动1动2动3动1P(N)95000950009500093340.2x(cm)0300114605.1319.601-0.0174-0.1410-5(N)95000-1653-6.8动2P(N)95000950009500093347.3x(cm)3000846 5.13014.47-0.017413.210-5(N)-1653950000.3(5) 计算轨枕上动压力Rd，先计算速度系数，

44、由于ZGS高速列车设计行驶速度为300km/h200km/h，则由表3-2知只考虑速度系数，=11.2，本设计取=1.2，根据式(3-7)得，直线上： 曲线上： (6) 轨枕下截面正弯矩 计算，根据式(3-8)得，直线上：曲线上： (7) 轨枕中间截面负动弯矩Mc计算，根据式(3-8)得，直线上：曲线上：III型混凝土轨枕的允许弯矩 ，所以轨枕弯矩检算合格。3.2.3 道床顶面应力计算道床顶面应力检算，根据式(3-9)得，直线上：曲线上：特级碎石道床允许应力，因此道床强度满足要求。3.2.4 路基道床压应力计算根据式(3-10)得， 由已知条件，道床的计算厚度，所以计算厚度在和之间，根据式(3

45、-11)计算该区域道床应力，直线上：曲线上： 新建砂粘土路基允许应力，因此路基强度满足要求。第4章 路基上无缝线路设计4.1 无缝线路设计相关资料本设计选择在济南地区铺设无缝线路，已知济南最高轨温62.5C、最低轨温为-19.7，高速列车为中国ZGS动车组。钢轨支承刚度D=33kN/mm，轨下基础刚度D=140kN/mm。表4-1 区段线路条件平面曲线半径R(m)钢轨类型(kg/m)轨枕种类配置(根/km)道床厚度h(cm)基础弹性系数10 00060III型混凝土枕1667354.2 钢轨强度检算4.2.1 检算目的无缝线路钢轨应有足够的强度，以保证在动弯应力、温度应力及其他附加应力共同作用

46、下不被破坏，仍能正常工作。此时，要求钢轨所承受的各种应力的总和不超过规定的容许值，并据此钢轨强度条件确定容许的轨温变化幅度。4.2.2 钢轨强度条件(1) 普通地段无缝线路的钢轨强度，按受拉和受压条件分别为： (4-1) (4-2)式中，钢轨轨底最大动弯应力； 钢轨轨头最大动弯应力； 钢轨温度应力；钢轨承受的制动应力，取10MPa；钢轨受弯容许应力， 。 (4-3)式中，钢轨的线膨胀系数，取； 钢轨的弹性模量，取2.1105MPa=2.1107N/cm2。当地最高或最低轨温与锁定轨温之差()。钢轨受拉容许最大轨温降低幅度()计算式为； (4-4)(2) 检算强度：该区段直线和曲线上的钢轨动弯应

47、力第3章已经计算，见下表4-2。表4-2 钢轨动弯应力值(单位MPa)计算条件中速高速钢轨动弯应力直线曲线(R=10 000m)直线曲线(R=10 000m)118.3147.8142.5176.1138.2172.6166.5205.7由于高速列车的动弯应力值均大于中速列车的动弯应力值，所以只按高速列车计算即可。根据式(4-4)得，直线上： 曲线上： 4.3 稳定性检算4.3.1 检算目的无缝线路稳定性检算的目的，在于研究在给定的道床横向阻力和具有原始弯曲的轨道框架刚度的条件下，温度压力必须限制在多大范围内才能保证线路的稳定。并据此确定无缝线路的锁定轨温，以及限制维修作业轨温和作业量，并判断

48、钢轨受力状态。可见，稳定性检算的设计、铺设和维修都是十分重要的。4.3.2 长钢轨轴向温度压力计算 无缝线路稳定性的计算，不在于求出临界温度压力，因为在这之前胀轨已很明显，不能确保行车安全，而是在于具有一定原始弯曲的轨道，求出它产生横向位移时的温度压力值PN 。(1) 稳定性检算相关公式及说明 根据能量法原理和定曲率法，可推导出变形曲线弦长及温度压力值PN分别为： (4-5) (4-6)式中， 变形曲线长度；变形曲线矢度，取f =0.2cm；弹性初弯曲矢度；轨道框架水平刚度换算系数，其值取2；钢轨对竖直轴的惯性矩，；钢轨弹性模量，取值为；合成半径(cm)。 (4-7)式中，曲线半径(cm)，R

49、=1106cm；原始塑性弯曲半波长，取；塑性初弯曲矢度；等效道床阻力，=84.3N/cm。 长钢轨容许温度压力计算方法：将计算温度压力除以安全系数，得， (4-8)式中，计算温度压力(N)；安全系数，取。 稳定条件容许最大轨温升高幅度： (4-9)式中，对于路基地段无缝线路=0；桥梁地段无缝线路为桥上无缝线路钢轨伸缩压力和挠曲压力中的较大者。 F钢轨横断面面积，60kg/m钢轨F=77.45cm2。(2) 稳定性检算过程直线上：假定，塑性初弯矢度，弹性初弯矢度，根据式(4-7)得， 根据式(4-5)得， 所以 ，计算得到的与原假定不符。再设代入公式： ，再将运算结果代入式(4-5)，再次试算，

50、得 ，所以。该与第二次设的不符，再设，计算，得 代入式(4-5)，再求、，得到，基本与原一致，因此取作为变形曲线长度，作为原始弹性初弯矢度。计算温度压力值，根据式(4-6)得，计算长钢轨容许温度压力，根据式(4-8)得，曲线上：假定，塑性初弯矢度，弹性初弯矢度，根据式(4-7)得， 计算，根据式(4-5)得， 所以 ，计算得到的与原假定不符。再设代入公式： ，再将运算结果代入式(4-5)，再次试算，求得：该与第二次设的相差不大，因此取作为变形曲线长度，作为原始弹性初弯矢度。计算温度压力值，根据式(4-6)得，计算长钢轨容许温度压力，根据式(4-8)得，稳定条件容许的最大轨温升高幅度由式(4-9

51、)得，直线上：曲线上：4.4 结构选择设计与相关计算4.4.1 温度应力式无缝线路铺设条件检验将由强度条件和稳定条件计算得的最大轨温升降幅度列于表4-3。表4-3 最大轨温升降幅度(单位：)线路条件直线80.284.782.2810曲线(R=10 000m)66.776.5检验该区域是否可以铺设温度应力式无缝线路的条件是： 因此，在该区段直线和曲线上，均可铺设温度应力式无缝线路。4.4.2 锁定轨温计算为了与施工时的锁定轨温相区别，这里将设计锁定轨温称为中和轨温。对于温度应力式无缝线路来说，钢轨锁定后，轨温升高或下降的幅度直接影响钢轨内部温度力的变化，如何根据当地气象条件选择铺轨时的锁定轨温，

52、以保证夏季高温时不跑道，冬季低温时钢轨不折断是无缝线路设计的核心问题。中和轨温就是根据当地最高、最低轨温和无缝线路允许温升、允许温降，计算所得的无缝线路设计锁定轨温。实际施工时，应根据该设计锁定轨温，即中和轨温对线路进行锁定。(1) 计算容许铺轨轨温的上下限直线上： 曲线上(R=10 000m)：(2) 设计锁定轨温(中和轨温)计算公式 (4-10)式中， 设计锁定轨温；当地历年最高轨温；当地历年最低轨温；设计锁定轨温修正值，一般可取05。根据式(4-10)得，直线上：曲线上：根据以上计算可知直线上和曲线上都可用的中和轨温范围为14.224.2，本设计暂取中和轨温为 。(3) 锁定轨温计算图(

53、如图4-1)TmaxxxTminxxTm Te Tn图4-1 锁定轨温计算图在计算出锁定轨温 后，可给出设计锁定轨温的上、下限，即：设计锁定轨温上限：设计锁定轨温下限：设计锁定轨温上下限应满足下式条件：(4) 最大升温幅度和最大降温幅度分别为(5) 最大温度压力和拉力 (6) 检算最大温度压力峰(7) 换算时所对应的轨温升高幅度R=10 000m曲线上，满足无缝线路稳定条件。因此设计锁定轨温(中和轨温)可以取 。4.4.3 伸缩区长度计算伸缩区长度的计算公式为： (4-11)式中， 伸缩区长度(mm)；钢轨最大温度拉力或压力(N)； 接头阻力，取570 000N； 道床纵向阻力，取12N/mm。根据式(4-11)得，应取标准轨长的整数倍，故取=50m。4.4.4 预留轨缝计算长轨节一端伸缩量计算公式：(4-12)标准轨一端伸缩量计算公式：(4-13)式中，标准轨一端伸缩量(mm)； 标准轨长度的一半(mm)。计算长轨节一端伸长量和缩短量，根据式(4-12)得，计算标准轨一端伸长量和缩短量，根据式(4-13)得，长轨与标准轨之间的预留轨缝为，最高轨温时，保证轨缝不