铁道工程-第三章有砟轨道.ppt

一、有砟轨道的结构形式和组成,二、扣件,三、轨枕,四、道床,五、其他轨道部件,六、特殊地段的轨道过渡段,七、现行规范中有砟轨道的相关规定,第三章 有砟轨道,内容提要,一、有砟轨道的结构形式和组成,1.,组成部件,钢轨,、,连接零件,、,轨枕,、,道床,、,道岔,，此外有些线路还配有,防爬器,和,轨距拉杆,等附属轨道部件。,简图、,实物图,。,2.,主要作用,（,1,）引导机车车辆运行；,（,2,）直接承受由车轮传来的荷载，并把它分布传递给路基或桥隧构筑物。,3.,对轨道结构本身的要求,（,1,）足够的强度、刚度、稳定性和规定的几何形位；,（,2,）保证列车按规定的速度安全运行，同时满足少维修的原则要求。,一、有砟轨道的结构形式和组成,一、有砟轨道的结构形式和组成,二、扣件,1.,作用,保持钢轨在轨枕等轨下基础上的正确位置及钢轨与轨枕的可靠联结，阻止钢轨的纵横向移动，为轨道结构提供一定的弹性，减轻振动，延缓轨道残余变形累积。,2.,分类,（,1,）按扣压件区分：刚性和弹性之分；,（,2,）按承轨槽区分：有挡肩和无挡肩之分；,（,3,）按轨枕区分：有木枕扣件和混凝土枕扣件之分；,（,4,）按轨枕、垫板及扣压件的联结方式区分：不分开式和分开式之分；,二、扣件,3.,轨道结构对扣件的一般要求,（,1,）保持轨距能力强；,（,2,）具有足够的防爬阻力；,（,3,）较高的弹性，减少振动；,（4,）零部件精度高、可靠性好；,（,5,）较大的调高能力和调距能力；,（,6,）结构简单，少维修，长寿命；,（,7,）良好的电绝缘性能和适应气候性能。,足够的扣压力、一定的弹性、可调高度和轨距,二、扣件,4.,木枕扣件,主要有分开式和混合式两种,分开式：将钢轨和垫板、垫板和木枕分别连接起来,混合式：由五孔铁垫板和道钉组成,二、扣件,5.,混凝土扣件,我国目前使用的主型扣件为弹条,型、,型,和,型,：,（,1,）,弹条,、,型,型扣件：,由,形弹条、螺旋道钉、轨距挡板、挡板座及弹性橡胶垫板等组成。,I,型弹条由直径为,13mm,的,60Si,2,Mn,或,55Si,2,Mn,热轧弹簧圆钢制成。I,型弹条分为,A,、,B,两种，,A-50,轨；,B-60,轨。,型弹条用料为优质弹簧钢,60Si,2,CrVA,，屈服强度和抗拉强度分别提高了,42%,和,36%,。,二、扣件,5.,混凝土扣件,（,2,）,弹条,型扣件：,由弹条、预埋铁座，绝缘轨距块和橡胶垫板组成,弹条,型扣件是无螺栓无挡肩扣件。无螺栓无挡肩扣件世界各国轨枕扣件发展的趋势，特别适用于重载大运量、高密度的运输条件。,二、扣件,5.,混凝土扣件：,（,3,）,弹条,、,、,型扣件比较：,弹条,I,型扣件弹性好、扣压力损失较少，能较好的保持轨道的几何形位，使用效果好，使用于标准轨距铁路直线及半径,R300m,的曲线地段，与,50,、,60,轨相配套。,弹条,型扣件具有扣压力大、强度安全储备大、残余变形小等优点，适用于,或,III,型混凝土枕的,60,轨线路。,弹条,III,型扣件具有扣压力大、弹性好等优点，特别是取消了混凝土枕挡肩，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，又由于取消了螺栓连接方式，大大减少了扣件的养护工作量。,二、扣件,5.,混凝土扣件,（,3,）,弹条,、,、,型扣件比较：,弹条,、,、,型扣件技术性能,三、轨枕,1.,轨枕的功用与类型,（,1,）轨枕的功用：,承受来自钢轨的各向压力，并弹性地传布于道床；,有效地保持轨道的几何形位，特别是轨距和方向。,（2,）对轨枕的要求：,具有必要的坚固性、弹性和耐久性，并能便于固定钢轨，具有抵抗纵向和横向位移的能力,（,3,）轨枕的类型：,按构造和铺设方法分：横向轨枕、纵向轨枕和短枕；,按使用目的分：用于一般区间的普通轨枕，用于道岔地区的岔枕，用于无砟桥梁上的桥枕；,按材质分：木枕、混凝土枕、钢枕。,按结构形式分：整体式，组合式，半枕，宽轨枕等。,三、轨枕,1.,轨枕的功用与类型,三、轨枕,2.,木枕,（,1,）木枕的优点：,易加工、运输、铺设、养护维修；,弹性好，可缓冲列车的动力作用；,与钢轨联结较简单；,良好的绝缘性。,（,2,）木轨的缺点：,消耗大量优质木材，价格较高；,易腐蚀、磨损，使用寿命短,强度、弹性不均,（,3,）影响木枕使用寿命的因素：,使用条件、气候条件、虫蛀,三、轨枕,2.,木枕,（,4,）木枕加工的工程：,（,5,）木轨的使用寿命：,5-7,年,（,6,）木轨的基本尺寸：,普通木枕：,2.5m(L),160mm(H),220mm(W),145mm(H),200mm(W),岔枕：,L-,2.6m:0.15m:4.85m,160mm(H),240mm(W),桥枕：,L-2.5m,H-220300mm,，,W-200240mm,三、轨枕,3.,钢枕,非洲、印度之地，虫蚀，钢枕，效良。,2,战前，英，木缺，用钢枕，战后多年仍用之。近几十年，钢砼枕广铺之，前述数国钢枕续用亦。钢枕的特点：质轻，易捆扎码堆，多呈凹形，内填砟料，性稳定，然量大，价高，使用受限尔。现常用于提速道岔，便于大机作业、保护转辙机械。,三、轨枕,4.,混凝土轨枕,（,1,）混凝土枕的优点：,纵、横向阻力较大,刚度大，轨底挠度较平顺，动力坡度小,高弹性垫层保证轨道弹性均匀,使用寿命长（,50,年），降低养修费,节约木材,加工方便，在流水线工厂成批大量加工,（,2,）混凝土枕的缺点：,不平顺处，轨道附加动力增大，对轨下部件的弹性要求更高,加工程序：立模（,10,根）,布筋,张拉,二次张拉,浇筑混凝土（振捣）,吊装,蒸汽养护（,28,天）,切断钢筋,脱模,吊装,堆码,.,三、轨枕,4.,混凝土轨枕,3,）预应力混凝土枕的分类：,I,型：包括弦,15B,、弦,61A,、弦,65B,、,69,型、,79,型、,S-1,型和,J-1,型,II,型：包括,S-2,型、,J-2,型、,Y-F,型、,TKG-,型等,III,型：新研制的与,75kg/m,钢轨配套的混凝土枕,型、,型、,型。（强度逐渐加强）,型、,型长度,2.5m,，,型,2.6m,（有档肩、无档肩两种）,三、轨枕,4.,混凝土轨枕,（,4,）预应力混凝土枕的设计依据：,型混凝土轨枕的承载能力按建设型机车、轴重,21t,、最高速度,85km/h,、铺设密度,1840,根,/km,设计。,型混凝土轨枕其承载能力按照韶山型机车、轴重,25t,、最高速度,120km/h,、铺设密度,1760,根,/km,设计。,比,型轨枕轨下和中间截面承载能力分别提高,13,和,40,。,型混凝土轨枕其承载能力按照机车,(,三轴,),最大轴,重,25t,、货车最大轴重,23t,、旅客列车最高速度,200,km/h,、轨枕配置为,1667,根,/km,设计。比,型轨枕的,轨下和中间截面承载能力分别提高了,43,和,65,。,三、轨枕,（,5,）预应力混凝土枕的使用情况：,型从目前的使用情况看，,型混凝土轨枕基本适应次重型及以下轨道。随着铁路运输条件的变化，以及混凝土轨枕设计理论、检验理论、制造工艺、养护制度的不断发展完善，,型混凝土轨枕原有设计参数已不能满足轨道结构发展要求，其不足主要表现在：钉孔纵裂严重；,S-2,型枕枕中按,3/4,支承设计，要求现场执行枕中道床浮砟的养护制度，枕中断面承载力不足；,型混凝土轨枕生产中某些关键控制工序的工艺水平低，加之某些工厂未能严格执行技术条件，造成一些产品失格。,为填补废止,S-2,型钢筋混凝土轨枕形成的空白，研制了,Y-F,型和,TKG-,型混凝土轨枕。,Y-F,型轨枕采用,7 mm,钢筋，因其布筋不合理，该型轨枕难以通过性能检验。,TKG-,型混凝土轨枕布筋合理，提高了,型轨枕的使用性能，但上排钢筋混凝土保护层略显不足。铁道部组织有关部门研制了新,型钢筋混凝土轨枕，通过部级技术鉴定后将全面推广，以取代前期各类,型钢筋混凝土轨枕。,正线上已不宜再铺设,型混凝土轨枕，既有正线的,型混凝土轨枕目前正按计划进度淘汰下道。,三、轨枕,（,5,）预应力混凝土枕的使用情况：,型轨枕的外形除,型轨枕的一般特点外，还加宽了枕底宽度，使之道床的支承面积增加了,17%,，端部侧面积增加了,20%,对于提高道床的纵横向阻力和轨道稳定性十分有利；,型轨枕长度,2.6m,，实际轨枕底面积为,7720cm2,，若以等支承面积计，,1600,根,轨枕面积约与,1840,根,型轨枕相当，因此，加长和加宽的,轨枕可以减少每千米的轨枕配置根数。,在设计中,型轨枕轨下截面弯矩的道床反力图式采用枕中部分长度不支承，轨下均匀支承；中间截面弯矩的道床反力图式采用反力沿轨枕全长均匀分布，从而满足铺设、维修中道砟满铺的使用要求；,4.,混凝土轨枕,三、轨枕,（,6,）混凝土枕的主要尺寸：,轨枕,类型,主筋,数量,混凝土,等级,截面高度,(mm),截面宽度,(cm),底面积,(cm,2,),质量,(kg),长度,(cm),轨下,中间,端部,轨下,中间,36,3,C48,20.2,16.5,29.45,27.5,25,6588,251,250,44,3,4,10,C58,20.2,16.5,29.45,27.5,25,6588,251,250,10,7,8,7.8,C60,23.0,18.5,30.0,28.0,7720,320,260,4.,混凝土轨枕,三、轨枕,（,7,）,混凝土枕的主要设计参数：,4.,混凝土轨枕,（,a,）型,-,弹条,型,（,b,）型,-,弹条,III,型,弹条,I,型,70,型扣扳式,弹条,I,型,扣件类型,-22.50,27.90,-14.0,19.3,11.9,17.7,抗裂弯矩（,kN,m,）,-17.30,19.05,-10.5,13.3,-8.0,11.9,设计承载弯矩（,kN,m,）,423,327,267,初始张拉力（,kN,）,7.858.0,6.2,5.1,预应力筋用量（,kg,）,8,（,7.57.8,）,107.0,443.0,4d10.0,165.0,363.0,4d8.2,预应力筋配置,型,型,I,型,轨枕类型,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,混凝土宽枕,钢筋混凝土宽轨枕又称轨枕板，宽度约为普通轨枕的两倍，支承面积比之普通混凝土轨枕大一倍，使道床的应力大为减少。,轨枕与道床接触面上的摩阻力增大，提高了轨道的横向稳定性，有利于铺设无缝线路。,宽轨枕密排铺设，枕间空隙用沥青混凝土封塞，道床顶面全部覆盖起来，防止雨水及脏污渗入道床内部，从而有效地保持道床的整洁，延长道床的清筛周期，减少作业次数，节省养护费用，适合于车站、线路维修条件差的长大隧道以及装卸作业线路等地段使用。,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,弹性轨枕,我国铁路,II,型,PC枕枕下垫板（单位：,mm,）,日本新干线弹性轨枕,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,弹性轨枕,轨枕底面弹性,材料 轨枕,侧面弹性材料,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,梯子式轨枕,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,框架式轨枕,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,德国,B,系列轨枕,B70,型轨枕,B90,型轨枕,B75,型轨枕,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,双块式轨枕,法国双块混凝土枕（,5T,型）,三、轨枕,5.,其他形式的轨枕欣赏,双块式轨枕,三、轨枕,6.,轨枕铺设,混凝土枕的铺设数量及布置,轨枕间距,每公里,轨枕根数,道床,钢轨,线路设备条件,行车速度,运量,相关于,轨枕间距如何取合理呢？,三、轨枕,6.,轨枕铺设,正线轨枕加强地段及其铺设数量及布置,：,下列地段应增加轨枕的铺设数量：,（,1,）半径,R,800m,的曲线地段（含两端缓和曲线）；,（,2,）坡度大于,12,的下坡地段；,（,3,）长度等于或大于,300m,且铺设木枕的隧道内。,轨枕类型,型混凝土轨枕,木枕,每千米增加的轨枕数量（根）,80,160,每千米最多铺设根数（根）,1840,1920,轨道加强地段每千米增加的轨枕数量和最多铺设根数应符合下表。,三、轨枕,6.,轨枕铺设,普通轨道上，钢轨接头处车轮的冲击动荷载大，接头处轨枕的间距应当比中间的小一些，并且从接头间距向中间间距过渡时，应当有一个过渡间距，以适应荷载的变化，如下图所示。,每节钢轨接下轨枕的间距应当满足：,abc,。,（对于,50kg/m,及以上钢轨，木：,c=440mm,，,混凝土：,c=540mm,）。,四、道床,四、道床,1.,道床的功能,（,1,）承受来自轨枕的压力并均匀地传递到路基面上，使之不超过路基面的容许应力；,（,2,）提供轨道的纵、横向阻力，保持轨道的稳定；,（,3,）提供轨道弹性，减缓和吸收轮轨的冲击和振动；,（,4,）提供良好的排水性能，以提高路基的承载能力及减少基床病害；,（,5,）便于轨道养护维修作业，校正线路的平纵断面。,钢轨移动,方向,道床,纵向,抵抗力,道床横,向,抵抗力,四、道床,2.道床的构造,道床断面包括,道床厚度,、,顶面宽度,及,边坡坡度,三个主要特征。,h,四、道床,（,1,）道床厚度：,道床厚度,h,是指直线上钢轨或曲线上内轨中轴线下轨枕底面至路基顶面的距离。,（,a,）岩石路基，渗水土质路基及级配碎石路基基床，均铺设单层碎石道床。,（,b,）非渗水路基应设置双层道床，其中上层为碎石道砟，又称为,面砟,；下层为垫层，又称为,底砟,。道床底砟是重要的道床支承结构，,（底砟作用）,具有隔断碎石道砟与路基面直接接触的作用，可防止路基面因道砟颗粒的挤入而破损；,阻止路基的细微颗粒直接渗入上层道砟；,降低雨水的下渗速度，防止雨水对路基面的浸蚀，并有截断底层下毛细水作用的功能,。,道床的总厚度应能防止路基土挤起，以限制引起道砟袋的变形发生。正常情况下，道床需要,30,50cm,厚度。最小厚度应不小于,15,30cm,。,四、道床,（,2,）道床顶面宽度,:,道床宽处轨枕两端的部分称为道床肩宽,道床顶面宽度,b,与轨枕长度及道床肩宽有关，主要决定于道床肩宽。道床肩宽指道床宽出轨枕两端的部分。道床肩宽应保证足够的道床横向阻力，以保持道床的稳定。双线轨道顶面宽度应分别按单线设计。无缝线路轨道,R,800m,、有缝线路轨道,R,600m,的曲线地段，曲线外侧道床顶面宽度应增加,0.10m,。,四、道床,（,3,）道床坡度,道床边坡的稳定主要取决于道砟材料的,内摩擦角,和,粘聚力,，,和,道床肩宽,有一定的关系。道砟材料的内摩擦角愈大，粘聚力愈高，边坡的稳定性就愈好。增大肩宽可以容许采用较陡的边坡，而减小肩宽则必须采用较缓的边坡。,无缝线路轨道砟肩应使用碎石堆高,15cm,，堆高道砟的边坡坡度应采用,1:1.75,。,、,型混凝土枕地段的道床顶面应与轨枕中部顶面平齐，其他类型轨枕地段的道床顶面应低于轨枕承轨面,3cm,。,（,1,）对道砟的要求：,质地致密坚韧、耐久性好、表面粗糙、有棱角的外形（不呈片状或长条形）、吸水率低、并具有合理的级配。,四、道床,3.,道床材料的技术标准,（,2,）用作道砟的材料,：,碎石、天然级配卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿砟等。,（,3,）选取道砟的依据：,选用何种道砟材料，应根据,铁路运量、机车车辆轴重、行车速度，并结合成本和就地取材等,条件来决定,。,我国铁路干线上使用碎石道砟,，在次要线路上可使用卵石道砟、炉砟道砟。,四、道床,3.,道床材料的技术标准,（,4,）面砟：应采用碎石道砟，由开采山石破碎、筛选而成。,（,碎石道砟其力学性能分为一级和二级道砟。,）,四、道床,3.,道床材料的技术标准,（,5,）道砟级配,碎石道砟属于散粒体，其级配是指道砟中颗粒的分布。,道砟粒径的级配对道床的物理学性能，养护工作量有重要影响。,四、道床,3.,道床材料的技术标准,（,6,）道砟颗粒形状,道砟的形状及表面状态对道床的性能有重要影响。一般而言，棱角分明，表面粗糙的集料具有较高的强度和稳定性。近似于立方体的颗粒比之扁平、长条形颗粒有较高的抵抗变形和破碎的能力。一般用,针状指数,和,片状指数,来控制长条形和扁平颗粒的含量。,针状颗粒：,长度大于该颗粒平均粒径,1.8,倍的颗粒。,片状颗粒：,厚度小于该颗粒平均粒径,0.6,倍的颗粒。,针状指数和片状指数均不能超过,50%,。,（,7,）道砟的清洁度,道砟中的土团、粉末或其他杂质对道床的承载能力是有害的，须控制其含量。土团是指那些泡水后出现软化，丧失其强度的颗粒。粉末会脏污道床，加速道床的板结，显著降低道床的排水功能。粘土团及其它杂质含量的质量百分率不大于,0.5粒径,0.1mm,以下的粉末含量的质量百分率不大于,1,。,四、道床,4.,道床的变形,（,1,）道床变形现象,道床作为散粒体结构，本身具有弹、塑性，在外荷作用下将产生,弹、塑性变形,。荷载消失后，弹性变形部分得以恢复，而塑性变形部分则成为永久变形也称残余变形。道床残余变形的不均匀性，导致轨道几何形位的变化，由此所引起的轨道维修作业量占维修工作量的,70,以上。,（,2,）道床变形的原因：,道床的残余变形主要有,两方面的原因,，一是在荷载作用下道砟颗粒的相互错位和重新排列所引起的结构变形；,二是由于颗粒破碎、粉化所致道床内摩擦角降低形成道床变形。在列车重复荷载作用下，每次荷载作用所产生的微小残余变形会逐渐积累，最终导致整个轨道的不均匀下沉。,四、道床,道床变形引起的轨道不均匀下沉,道床颗粒重新排列,道床颗粒破裂粉化,（,3,）道床下沉规律,四、道床,两个阶段：,初始急剧下沉阶段,后期缓慢积累阶段,变形机理,初始急剧下沉阶段：,道砟颗粒在荷载作用下压实的过程,后期缓慢积累阶段：,道砟颗粒克服彼此磨阻力向两侧流动的过程,前苏联计算模型,道床下沉量,h,与运量,T,的经验关系公式,式中：,T,为通过吨位总质量（百万吨）；,a,和,b,为试验系数，与道砟物理机械性能、原始空隙率、钢轨类型、轨下基础类型以及机车车辆轴重等有关。,（,4,）道床下沉分析模型,四、道床,英国的计算模型,英国,Derby,铁路技术中心,M.J.Shenton,通过三轴试验得到了道砟永久变形的计算模型：,式中,e,1,和,e,n,分别为加载一次和次的永久变形。其中，,e,1,仅与荷载的大小有关,，,由三轴试验,确定，,1,-,3,为施加于试样上的应力差,，,K,为系数，与采用的道砟试样类型、级配和密实度有关，由试验决定；指数,随着应力差的增加而增加，对低的应力值，,值介于,1,2,之间，而对于比较高的应力值，,值在,2,3,之间。,四、道床,国际铁路联盟（,ORE,）的研究情况,在研究轨道高低不平顺发展时，,ORE,定义了下沉的平均值、下沉标准偏差及轨道不平顺的标准偏差，并通过实验数据归纳出相应的公式当用下沉的平均值来描述轨道高低不平顺发展规律时，预测公式如下：,式中,m,e,(T),为单位长度轨道的平均下沉，,mm,；,a,1,为运量为,210,6,t,时的下沉平均值，,mm,；,a,0,为半对数关系的斜率，,mm,；,T,为运量，,t,。,四、道床,日本的计算模型,日本在道床下沉方面的研究比较成熟，早在,19,世纪,50,年代，日本学者就提出了钢轨面随着列车运行的运行往复施加荷载而下沉的曲线表达式,式中：,y,为道床下沉量（,mm,）；,x,为荷载循环重复作用次数；,、,、,均为实验系数。,式中右侧第一项相当于道床初始急剧下沉阶段，即道床的压实过程，其中系数,、,表示压实程度。公式右侧第二项表示道床的后期缓慢下沉累积阶段。系数,是表示道床下沉进展的指标。试验结果表明，,与荷载和道砟加速度的乘积呈正比，与道床脏污程度反比。,四、道床,也有一些道砟棱角磨碎，使道床纵、横断面发生变化。这个阶段道床下沉量的大小和持续时间与道砟材质、粒径、级配、捣固和夯拍的密实状况、以及轴重等有关，一般在数百万吨通过总重之内即可完成。,后期缓慢下沉阶段,是道床正常工作阶段，这时道床仍有少量下沉，主要是由于枕底道砟挤入轨枕盒和轨枕头、道砟磨损及破碎，边坡溜塌，从而破坏了道床极限平衡状态，这个阶段的下沉量与运量之间有线性近似关系。这一阶段时间的长短是衡量道床稳定性高低的指标，也是确定道床养护维修工作量的重要依据。,道床的下沉大体可分为,初期急剧下沉,和,后期缓慢下沉,两个阶段。,初期急剧下沉阶段,是道床密实阶段，道床在列车荷载的作用下，道砟逐渐压实。道床碎石大小颗粒相互交错，重新排列其位置，孔隙率减小。,四、道床,（,4,）日本的计算模型,1995,年，日本内田雅夫等人研究提出了新的计算模型,四、道床,以上是针对道床下沉提出的模型，但是道床下沉的离散性非常大，无法利用一般的理论分析方法及室内试验方法来代替，为此有的学者利用轨检车的实测资料，进行数据统计分析，找出其规律。有代表性的是日本的杉山德平提出的预测公式，考虑线路的通过总重、列车速度、轨道构造系数、有无接头及路基状态等因素：,四、道床国内研究情况,四、道床,四、道床,综合因子法,认为在同一地段轨道不平顺变化规律相近，即轨道在脆弱的地方会更脆弱，在不平顺幅值较大的地方其不平顺发展也相应较大。,综合因子法的核心思想：,四、道床,综合因子法的预测模型,四、道床,综合因子法,K,计算方法,随机项,R,计算方法,四、道床,其中，随机项,R,1,计算方法,四、道床,约束最小二乘（,CLS,）低通滤波器,四、道床,根据同样的计算方法，有随机项,R,2,四、道床,随机项,R,2,计算方法,四、道床,四、道床,预测案例,四、道床,1,、有砟轨道的组成和功能；,2,、扣件的作用、分类及我国常用的主型扣件；,3,、轨枕的功能、类型及我国常用的轨枕；,4,、道床的功能和断面特征参数；,5,、道砟的分类、级配、颗粒形状及清洁度；,6,、道床的变形机理和沉降规律。,第三章知识点归纳,