铁路线路设计

来源：个人技术集锦

第1章绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 整修轨 ...................................................................................................................... 1 1.1.1 概述 ................................................................................................................... 1 1.1.2 设计内容 ........................................................................................................... 1 1.2 无缝线路 .................................................................................................................. 2 1.2.1 概述 ................................................................................................................... 2 1.2.2 路基上无缝线路 ............................................................................................... 3 1.2.3 桥上无缝线路 ................................................................................................... 3 第2章轨道结构设计 ....................................................................................................... 4 2.1 设计原理 .................................................................................................................. 4 2.1.1 概述 ................................................................................................................... 4 2.1.2 轨道结构竖向受力分析及计算方法 ............................................................... 4 2.2 轨道结构强度检算 .................................................................................................. 5 2.2.1 按货运机车东风计算 ....................................................................................... 6 2.2.2 按客运北京型计算 ......................................................................................... 12 第3章路基上无缝线路设计 ......................................................................................... 18 3.1 无缝线路基本技术条件 ........................................................................................ 18 3.1.1 无缝线路分类 ................................................................................................. 18 3.1.2 无缝线路铺设地段和位置 ............................................................................. 18 3.1.3 无缝线路结构组成 ......................................................................................... 19 3.1.4 缓冲区和伸缩区的设置 ................................................................................. 19 3.2 稳定性检算 ............................................................................................................ 19 3.2.1 稳定性计算公式 ............................................................................................. 19 3.2.2 稳定性计算 ..................................................................................................... 21 3.2.3 由稳定条件计算容许的升温幅度 ................................................................. 22 3.3 无缝线路结构设计 ................................................................................................ 22 3.3.1 确定锁定轨温 ................................................................................................. 22 3.3.2 伸缩区长度计算 ............................................................................................. 23 3.3.3 预留轨缝计算 ................................................................................................. 24

3.3.4 防爬设备及观测桩布置 ................................................................................. 25 第4章桥上无缝线路设计 ............................................................................................. 27 4.1 概述 ........................................................................................................................ 27 4.2 设计要点 ................................................................................................................ 27 4.3 计算附加伸缩力 .................................................................................................... 28 4.3.1 附加伸缩力计算原理 ..................................................................................... 28 4.3.2 计算伸缩力 ..................................................................................................... 28 4.4 计算附加挠曲力 .................................................................................................... 30 4.4.1 附加挠曲力计算原理 ..................................................................................... 30 4.4.2 计算挠曲力 ..................................................................................................... 30 4.5 强度与稳定性计算 ................................................................................................ 34 4.6 确定锁定轨温 ........................................................................................................ 35 4.7 断缝检算 ................................................................................................................ 35 第5章轨道数量计算 ..................................................................................................... 37 5.1 轨道各部件数量计算 ............................................................................................ 37 5.2 道砟量计算 ............................................................................................................ 37 5.2.1 直线地段道床面积计算 ................................................................................. 37 5.2.2 曲线地段道床面积计算 ................................................................................. 39 第6章整修轨与无缝线路的养护维修 ......................................................................... 42 6.1 整修轨 .................................................................................................................... 42 6.1.1 整修轨的养护特点 ......................................................................................... 42 6.1.2 钢轨再利用 ..................................................................................................... 42 6.2 无缝线路的养护维修 ............................................................................................ 43 6.2.1 基本要求 ......................................................................................................... 43 6.2.2 养护维修基本内容 ......................................................................................... 44 第7章结论与展望 ......................................................................................................... 45 7.1 结论 ........................................................................................................................ 45 7.1.1 轨道的结构形式和组成 ................................................................................. 45 7.1.2 线路平纵断面设计 ......................................................................................... 45 7.1.3 路基上无缝线路设计 ..................................................................................... 45 7.1.4 桥上无缝线路设计 ......................................................................................... 46 7.2 展望 ........................................................................................................................ 46 参考文献 ............................................................................................................................. 47

致谢 ............................................................................................................................. 48 附录A 外文资料翻译 ..................................................................................................... 49 A.1 英文 ....................................................................................................................... 49 A.2 译文 ....................................................................................................................... 59 附录B 图纸 ..................................................................................................................... 71 B.1 长轨节布置图(图号：01) ..................................................................................... 71

第1章绪论

1.1 整修轨

1.1.1 概述

钢轨是铁路轨道上的重要组成部分，列车能否可靠、安全地运行，首先与钢轨的状态有关。我国每年需新建几百乃至上千公里的新线,大修几千公里的既有线,地方铁路也在迅速发展,每年需要大量的钢轨。钢轨的再用便被提到议事日程上来，整修轨就是指那些经过整修，能够再次使用的旧轨。

在我国钢轨的合理再用尚未形成规范,钢轨整修的工艺也尚未配套。因此制定我国钢轨分级使用制度,对节省投资,缓和钢轨供应紧缺的局面,充分利用重型钢轨的工作潜能和加强轨道结构具有十分重要的意义,其经济效益也十分明显。这里所说的钢轨再用并不是指钢轨在达到极限运量之后,撤换下来再次使用;而是在技术经济分析的基础上,形成钢轨的分级使用制度,让重型新轨在繁忙干线上使用一定时间后,撤换下来经工厂综合整修,再铺到次一级线路上使用。这样 ,在繁忙干线上始终使用着状态较好的重型钢轨。而将经整修的重型钢轨铺到次一级线路上,加强了次一级线路的轨道结构,降低了维修费用,这样就形成了钢轨使用的良性循环。

美国、德国、英国和法国铁路对旧轨的再用都有相应的制度。旧钢轨的修理及焊接作业包括如下内容：机械化装卸，钢轨清洗，钢轨矫直，钢轨全长探伤，按规定断面进行轨头刨切，清除金属表面不平顺和破损层，切除伤损部位，焊接前对轨头端面处理，钢轨焊接，铲除焊瘤及毛刺，焊接接头热处理，焊接接头探伤，按规定长度截锯，钻轨孔，螺孔毛边整修，成品堆码等。

整修轨经现场探伤后得出,轨头表面伤损数量明显少于未整修轨,有利于列车安全运行。整修轨表面不直度明显好于未整修轨 ,使用中产生的光带连续、平整且光滑,轮轨接触条件改善,列车运行平稳,振动小。铺设在直线地段的整修轨大多数肥边产生较晚,一般在一年半左右,没有波磨现象发生;而未整修轨大多数肥边产生较早,一般在半年左右,所以使用整修轨有利于提高线路的质量。

1.1.2 设计内容

本设计中采用的方法及步骤如下：

(1)根据相关规范、文献资料和整修轨整修前的情况，确定整修轨的外形和断面尺寸及特征[1~2]。

(2)根据线路资料，采用连续弹性基础梁模型、准静态计算方法进行钢轨及轨枕强度检算[4~7]。

(3)进行路基上和桥梁上无缝线路设计[4~9]。

1.2 无缝线路

1.2.1 概述

无缝线路是轨道结构的一大变革，是高速重载轨道结构的最优选择。随着高速、重载铁路的发展，要求强化铁路轨道结构，提高线路的平顺性和稳定性，消除现有一般无缝线路的缓冲区和道岔区钢轨接头的影响，实现线路的无缝化。几十年来，各国铁路竞相发展无缝线路，使这项新技术日臻完善，并取得了巨大的经济效益和社会效益。把焊接轨条长度延长达整个区间或跨区间并与道岔焊联成一体，这种超长轨条的无缝线路称为区间无缝线路或跨区间无缝线路。由于无缝线路的施工工艺和机械化程度的提高，维修管理方法的不断完善，胶接绝缘接头的技术工艺过关并投入使用，无缝道岔的设计理论逐步完善和试铺成功，从1964年在日本建成第一条高速铁路开始，相继于1983年法国模式的高速铁路成功运营，至今国内外在区间无缝线路和跨区间无缝线路都取得了很大的发展。如日本青函海底隧道长53.83km，在12‰的坡道上铺设了轨条长53.7km的无缝线路；法国以巴黎为中心的几条高速铁路上，多数无缝线路的轨条长度贯穿整个区间，其中最长一条长达50km；德国焊接道岔数达11万组之多，截至1992年底德国已有93.2%的线路铺设了超长轨条的无缝线路；俄罗斯在顿涅茨铁路上铺设了一段轨条长17.5km无缝线路。中国截至1998年底全国已铺设超长轨条的无缝线路4359.5km。2001年在京沪线南京一上海区间成功铺设了一条轨条长为249km的跨区间无缝线路。秦皇岛至沈阳客运专线上计划全面铺设区间无缝线路或跨区间无缝线路[5]。

普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，线路上钢轨接头的数量，是由钢轨长度决定的。由于接缝的存在，列车通过是发生冲击和振动，并伴随有打击噪声，冲击力可达到非接头区的三倍以上。接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，并促使道床破坏、线路状况恶化、钢轨及连接零件的使用寿命缩短、维修劳动费用的增加。养护线路接头区的费用占养护总经费的35%以上；钢轨因轨端损坏而抽换的数量较其他部位大2~3倍；重伤钢轨60%发生在接头区。随着列车轴重、行车速度和密度的不断增长，上述缺点更加突出，更不能适应现代高速重载运输的需要。

近来来各国铁路对无缝线路的稳定性、长钢轨的温度力及其胀缩等理论问题，进行了广泛的实验研究，刚贵的焊接技术，以及长钢轨的运输，铺设及维修等方面的技

术亦均有显著进步。为了改善钢轨接头的工作状态，人们从本世纪三十年代开始至今，一直致力于这方面的研究与实践，采用各种方法将钢轨焊接起来构成无缝线路。这中间首先遇到了接头焊接质量问题；其次就是长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定问题；还有无缝线路设计、长轨运输、铺设施工、养护维修等一系列理论和技术问题。随着上述一系列问题的逐步解决，无缝线路在世界各国得到了广泛的运用。

在桥梁上铺设无缝线路，可以减轻列车车论对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量。这些优点在行车速度提高时尤为显著。

实践证明，无缝线路由于消灭了钢轨接头轨缝，因而具有行车平稳，机车车辆及轨道维修费用降低，设备使用寿命延长，适合于高速行车等优点，是铁路轨道现代化的一项重要技术措施，也是当前高速、重载铁路的必需条件。

1.2.2 路基上无缝线路

路基上无缝线路设计主要包括[4~9]：

(1)无缝线路钢轨强度计算，采用连续支承法； (2)无缝线路稳定性计算，采用统一公式模型； (3)无缝线路结构设计与计算。

1.2.3 桥上无缝线路

桥上无缝线路设计主要包括[6~9]：

(1)钢轨的伸缩附加力的计算。梁因温度变化而产生的伸缩变形，通过梁轨相互作用，使钢轨产生伸缩附加力。伸缩附加力与梁的日温度差和扣件阻力的大小有关。

(2)钢轨挠曲附加力的计算。梁在荷载作用下产生挠曲变形，通过梁轨相互作用，使钢轨产生挠曲附加力，与挠曲变形和扣件阻力的大小有关。

(3)钢轨强度计算。钢轨在动应力、温度应力和伸缩附加应力(或挠曲附加应力，两种附加应力不叠加，取其中大者来计算)的作用下，不超过钢轨的容许应力。

(4)稳定性检算。钢轨在温度力和伸缩附加力(或挠曲附加力)的作用下，满足稳定性的要求。

(5)锁定轨温计算。根据强度、稳定性和缓冲区轨缝设置的要求，计算桥上锁定轨温，并与路基上无缝线路相比较。

(6)断缝计算。桥上无缝线路焊接长轨一旦断裂后形成的断缝以及由于伸缩附加拉力而产生的钢轨缩短量叠加起来，检算断缝值是否超过规定的容许值。

第2章轨道结构设计

2.1 设计原理

2.1.1 概述

轨道结构力学分析就是应用力学的基本原理，结合轮轨相互作用理论，用各种计算模型来分析轨道及其各部件在机车车辆荷载作用下产生的应力、应变及其他动力响应，对轨道的主要部件进行强度检算。轨道结构力学分析包括静力分析和动力分析，其主要目的是为了确定机车车辆作用于轨道上的力，并了解这些力的形成及其计算方法，确定在一定的运行条件下，轨道结构的承载能力。

轨道结构的承载能力包括以下三方面：

(1)强度检算：在最大可能的荷载条件下，轨道各部件应具有抗破坏的强度。 (2)寿命计算：在重复荷载作用下，轨道各部件的疲劳寿命。

(3)残余变形计算：在重复荷载作用下，轨道整体结构的几何形位破坏的速率，进而估算轨道的日常维修工作量。

2.1.2 轨道结构竖向受力分析及计算方法

轨道承受的力包括各种垂直力、横向水平力和纵向水平力等。轨道结构竖向受力的静力计算目的是分析轨道结构的受力，最常用的检算轨道强度方法为准静态计算方法。轨道强度准静态计算包括：

(1)轨道静力计算

本设计采用连续弹性基础无限长梁计算模型，就是把钢轨视为一根支承在连续弹性基础上的无限长梁，分析梁在受竖向力作用下所产生的挠度，弯矩和基础反力。

利用这一模型进行竖向受力分析时，作如下假设：

①轨道和机车车辆均符合各项规定标准的要求，车轮运行时不脱离钢轨。 ②钢轨是一根支撑在连续弹性基础上的无限长梁。连续基础由路基、道床、轨枕和扣件所组成。

③作用于钢轨的对称面上，两股钢轨上的荷载相等。钢轨的竖向抗弯刚度和连续基础刚度均对称于轨道的纵向中心线。

④不考虑轨道自重。

不同类型的机车车辆对轨道的动力作用是不同的，相邻轮载的影响有正有负，各

种机车的轮重、轴距也不尽相同，因此对于多个车轮的机车，设计前应首先了解该线近应分别将不同的轮位作为计算截面，考虑左右轮载对其影响，从中找出最不利轮位。

(2)轨道动力响应的准静态计算

动力的准静态计算，实质上是静力计算。准静态计算方法的前提是质体运动的惯性力与结构所受的外力、反力相比较较小，可忽略不计，而相应的外荷载称为准静态荷载。在轨道结构的准静态计算中，主要是确定钢轨的挠度、弯矩、和轨枕动力增值。这些动力增值的主要因素是行车速度、钢轨偏载和列车通过曲线轨道时的横向水平力，分别用速度系数、偏载系数和横向水平力系数考虑。

2.2 轨道结构强度检算

设计路段线路资料及机车类型：

(1)线路条件：某线路K210+000至K215+967区段，包括直线和曲线。线路等级：Ⅰ级；轨道结构：有砟轨道结构，普通无缝线路；气候条件：最高轨温61.5℃，最低轨温－23.3℃；设计区间段曲线资料：圆曲线半径R=800m,缓和曲线l0=490m；线路限坡：12‰。

(2)运营条件及牵引特征：客货混合运输。客运北京型，Vmax=120㎞/h.货车东风，Vmax=80km/h.通过曲线是列车加权平均速度按80km/h考虑。

本设计采用75kg/m整修轨，整修前垂直磨耗为10mm,无侧磨，材质为U75V热扎钢，根据国家钢轨钢标准拉件试验资料结果[4]：U75V热轧钢轨钢， b980MPa，

s610MPa。

表2-1 75kg/m钢轨整修轨计算资料

钢轨

断面面积F(cm2) 88.26

底部断面系数 W1(cm3) 465

头部断面系数 W2(cm3) 370

屈服强度

钢轨底宽

钢轨支座刚度D(N/cm) 计算钢轨 300000

计算轨下基础 700000

惯性矩Ix(cm4) 3750.75

s(MPa)

610

b'(mm)

150

表2-2 Ⅱ型混凝土轨枕计算资料

配置 (根/km) 1760

轨枕间距a(mm) 600

长度 l(mm) 2500

枕端至轨中距离a1(mm)

500

轨枕支承长度e(mm)

950

有效支承长

度 e(mm)

1175

平均底宽b(mm) 275

2.2.1 按货运机车东风计算

Ⅰ Ⅱ Ⅲ 1.8m 1.8m 5.6m 12.8m 1.8m 1.8m

图2-2 货车DF4机车轴重及轴距

2.2.1.1 钢轨强度检算

钢轨应力分为残余应力、基本应力、局部应力和附加应力等。钢轨强度检算是对钢轨基本应力的检算，基本应力主要包括列车荷载作用下钢轨产生的动弯应力和钢轨承受的温度力，它必须满足钢轨强度条件的要求。

(1)计算K值

计算钢轨强度的D=30000N/mm,按无缝线路的要求，轨枕均匀布置，轨枕间距a=1000000/1760=570mm，K=D/a=30000/570=52.6MPa. (2)计算β值

4k52.640.00114mm-1 544EJ42.110375010式中，J为75kg/m整修轨对水平轴的惯性矩，为3750×104 mm4 (3)计算静弯矩M

机车最不利轮位：在实际轨道荷载作用下，钢轨任何一点都承受由于前后轮载相互影响而引起的弯矩的综合作用。钢轨的最大弯矩在很大程度上取决于车轮轮对的轴距，东风4型内燃机车前后转向架之间距离比较大,彼此间的弯距影响可忽略不计，可任选一个转向架的车轮作为计算论, 同时由于三个车轮的轮重和轮距相同，两端的车轮对称，只要任选Ⅰ与Ⅱ轮或Ⅱ与Ⅲ轮作为计算轮来计算弯矩的当量荷载∑Pµ，计算结果见表2-3。

以Ⅰ与Ⅱ轮分别为计算轮来计算∑Pμ，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩。则东风4型最大静弯矩M为

M1419556520957236Ncm

40.00114

表2-3 DF4型内燃机车最不利轮位计算

计算轮

计算值

Ⅰ

轮位 Ⅱ 115000 1800 2.052 -0.1732 -19918 115000 0 0 1 115000

Ⅲ 115000 3600 40104 -0.0042 483 115000 1800 2.106 -0.1732 -19918

75164 95565

P(N)

P(N)

x(mm)

Ⅰ

115000 0 0 1 115000 115000 1800 2.106 -0.1732 -19918

x



P(N)

P(N)

x(mm)

Ⅱ

x



P(N)

注：表中ex(cosxsinx)

(4)计算动弯距Md

机车通过曲线轨道的允许速度的确定。通过R=800m曲线轨道时的机车允许速度可按Vmax4.3R121.6kmh。

①直线上

速度系数：V按Vmax=80km/h计算，则

0.4800.32

100直线上偏载系数：β=0。

横向水平力系数：直线上查表得f=1.25。将上述系数代入公式，则动弯距为：

mm MdM1Pf2095723610.3201.2534579439N·②曲线上速度系数：0.4800.32 100偏载系数：p0.002h0.002750.15。

横向水平力系数：查表得f=1.45。于是得出：

MdM1pf

=20957236×(1+0.32+0.15)×1.45 =44670348Nmm

(5)计算钢轨的动弯应力d1和d2

75kg/m钢轨按整修前垂直磨耗10mm，整修轨轨底截面系数W1与轨头截面系数W2计算如下：

W1J37507572.39465000mm3 Y180.6488J37507572.39370000mm3 Y2101.35W2则轨底和轨头的应力为：直线上：

d1Md3457943974.3MPa W2465000Md3457943993.4MPa W2370000d2曲线上：

d1Md4467034896MPa W1465000Md44670348120.7MPa W2370000d2(6)无缝线路温度应力的计算

对于无缝线路的温度应力，可通过轨温变化幅度计算轨中的温度力，

t2.48tMPa，t为最高轨温或最低轨温与锁定轨温上下限之差的最大值。锁定轨温上下线取中间轨温上下浮动15℃，即为4.1℃～34.1℃。则计算如下表2-4：

表2-4 轨温变化值

计算项轨温上下限锁定轨温上下限

61.5 4.1 57.4

计算值（℃）

-23.3 34.1 57.4

t

取最大温差，则t2.48t2.4857.4142.35℃

选取最不利情况：R=800m曲线上d1=96MPa，d2=120.7MPa来检算钢轨强度。则得钢轨的基本应力为：

轨底：d1t96142.35238.35MPa451.8MPa 轨头：d2t120.7142.35263.05MPa451.8MPa

其中，U75V热轧钢整修轨屈服极限t=610MPa，旧轨的安全系数K=1.35，允许应力为：

2.2.1.2 轨枕弯矩检算

610451.8MPa 1.35上述轨底和轨头的基本应力均小于，符合钢轨的强度检算条件。

轨枕的功能是支撑钢轨，保持轨距和方向，并将钢轨对它作用的各向压力传递到道床上。在轮载作用下，轨枕的轨下截面上出现正弯矩，轨枕中间截面上出现负弯矩，轨枕顶面承压应力取决于钢轨压力、承压面积和材料的承压强度的大小。在轮载作用下，混凝土轨枕的轨下截面出现正弯矩，轨枕中间截面上出现负弯矩，它们的大小决定于作用在轨枕上的钢轨压力和道床支承反力。

利用倒简支梁法计算轨枕截面弯矩时，可以根据轨枕实际使用的条件采用最不利的道床支承方案。检算轨下截面正弯矩时，是假设轨枕中部完全掏空，此时轨下截面正动弯距最大，属最不利情况；检算轨枕中间截面负弯矩时，是假设枕中部为部分支承，其反力为全支承的3/4，这样枕中截面正负弯矩最大，属最不利情况。计算如下：

(1)计算k值和值

计算轨枕弯矩时，用D=70000N/mm，则

70000k123.0MPa

5704123-1 0.00141mm5442.1103750.710(2)计算轨枕反力的当量荷载∑Pη

以Ⅰ、Ⅱ轮为计算轮来计算∑Pη，如表2-5所示。 (3)计算轨枕上动压力Rd

0.3v0.3800.24 速度系数：100100偏载系数：直线上 p=0

曲线上 p0.002h0.002750.15

表2-5 DF4型内燃机车最不利轮位计算

计算轮

计算值

Ⅰ

轮位 Ⅱ 115000 1800 2.529 -0.0196 -2226.4 115000 0 0 1 115000

Ⅲ 115000 3600 5.058 -0.00379 -435.85 115000 1800 2.529 -0.01936 -2226.4

110547.2 112337.75

P(N)

P(N)

x(mm)

Ⅰ

115000 0 0 1 115000 11500 1800 2.529 -0.01936 -2226.4

x



P(N)

P(N)

x(mm)

Ⅱ

x



P(N)

注：表中ex(cosxsinx)

则轨枕动压力Rd：直线上

Rd1pR0.0014157011233.77

2 10.2405597.27曲线上

Rd1pR0.0014157011233.77

2 10.240.1562526Rd约为静轮载的56%，以此计算值来计算轨枕弯矩。

(4)轨枕弯矩计算

对于Ⅱ型轨枕：L=2500mm,a1=500mm，e=950mm，b=150mm，则 ①轨下截面正弯矩为：

直线上：

a12b5002150MgRd55977

2e829508 6315795Nmm6.4KNmMg13.3KNm 曲线上：

a12b5002150MgRd62526

2e829508 7054683Nmm7.1KNmMg13.3KNm

②轨枕中间截面弯矩为：

直线上：

4e23L212La18ea1McRd

43L2e495023250021225005008950500 .27 559743250029505299968.9Nmm5.3KNmMc10.5KNm

曲线上：

4e23L212La18ea1McRd

43L2e495023250021225005008950500 6252 64325002950 5920015Nmm6.0KNmMc10.5KNm

所以轨枕弯矩满足要求。 2.2.1.3 道床顶面应力检算

道床顶面的应力通过道砟颗粒相互传递，分层扩散，传递至路基面。计算道床应力有以下三种方法：有限单元法；弹性半空间理论和近似计算法。本设计采用近似计算法，对此作如下简化假设。

(1)轨枕压力以扩散角按直线扩散规律从道床顶面向下传递到路基面； (2)不考虑相邻轨枕的影响；

(3)传递到路基面的压应力，达到基本分布均匀的要求。

对于Ⅱ型轨枕，中部支撑在道床上时，e1175mm，b=275mm.则直线上

b曲线上

Rd55977.2m1.60.277MPab0.5MPa be2751175bRd62526m1.60.309MPab0.5MPa be2751175碎石道床允许应力b0.5MPa，因此道床强度满足要求。 2.2.1.4 路基面应力检算

(1)计算h1和h2

b275cotcot35196.4mm 22e1175h2cotcot35839.0mm

22h1(2)计算路基面应力

根据铁路轨道设计规范，道床面砟厚300mm，底砟厚200mm，道床计算厚度

h300200/2400mm，所以计算厚度在h1和h2之间，则

直线上：

Rd55977.20.085MPar0.15MPa 2hetan24001175tan35r曲线上

rRd625260.095MPar0.15MPa 2hetan24001175tan35所以路基强度满足要求。综上所述，轨道强度检算合格。

2.2.2 按客运北京型计算

2.2.2.1 钢轨强度检算

(1)计算K值

计算钢轨强度的D=30000N/mm,按无缝线路的要求，轨枕均匀布置，轨枕间距a=1000000/1760=570mm,k=D/a=30000/570=52.6MPa.

(2)计算β值

4k52.6-140.00114mm 544EJ42.110375010式中，J为75kg/m整修轨对水平轴的惯性矩，为3750×104 mm4。 (3)计算静弯矩M

北京型内燃机车最不利轮位为Ⅰ轮或Ⅱ轮。计算如表2-6所示。北京型最大静弯矩M为

M14110672023403508N·mm

40.00114由最大静弯矩计算结果可以看出，与东风4型相比，北京型内燃机车作用下，产生的静弯矩为较大。所以应按北京型控制计算。

表2-6 北京型内燃机车最不利轮位计算

轮位

计算轮

计算值

Ⅰ

Ⅱ 115000 2500 2.85 -0.072 -8280

106720

P

P(N)

115000 0 0 1 115000

xmm

Ⅰ

x



P(N)

注：表中ex(cosxsinx)

(4)计算动弯距Md

机车通过曲线轨道的允许速度的确定。通过R=800m曲线轨道时的机车允许速度可按Vmax4.3R121.6kmh,按此速度来检算各部件的强度。

①直线上：

速度系数：V按Vmax=80km/h计算，则

0.41200.48

100直线上偏载系数：β=0

横向水平力系数：对直线查表得f=1.25。将上述系数代入公式，则动弯距为：

MdM1Pf2340350810.4801.25 43296490Nmm

②R=800m的曲线上速度系数： 0.41200.48 100偏载系数：p0.002h0.002750.15。横向水平力系数：查表得f=1.45。于是动弯距为：

MdM1pf2340350810.480.151.45。 5531419Nmm(5)计算钢轨的动弯应力d1和d2

W1J37507572.39465000mm3 Y180.6488J37507572.39370000mm3 Y2101.35W2则轨底和轨头的应力为：直线上：

d1Md4329649093.1MPa W1465000 d2曲线上：

d1Md43296490117MPa W2370000Md55314191119MPa W1465000Md55314191149.5MPa W2370000 d2无缝线路中75kg/m整修钢轨的温度应力t=142.35MPa,则得钢轨的基本应力为：轨底：d1t119142.35261.35MPa451.8MPa 轨头：d2t149.5142.35291.85MPa451.8MPa

其中，U75V热轧钢整修轨屈服极限s610MPa，旧轨的安全系数K=1.35，允许应力为：

[σ]=

610451.8MPa 1.3517

上述轨底和轨头的基本应力均小于[σ]，符合钢轨的强度检算条件。 2.2.2.2 轨枕弯矩检算

(1)计算k值和值

计算轨枕弯矩时，用D=70000N/mm，则

70000k123.0MPa

5704 1230.00141mm-1 5442.1103750.710(2)计算轨枕反力的当量荷载∑Pη

以Ⅰ轮为计算轮来计算∑Pη，如表2-7所示

表2—7 北京型内燃机最不利轮位计算

轮位

计算轮

计算值

Ⅰ

Ⅱ 115000 2500 3.525 -0.0383 -4400.7

110599.2

P

P

115000 0 0 1 115000

xmm

Ⅰ

x



P(N)

注：表中ex(cosxsinx)

(3)计算轨枕上动压力Rd 速度系数

0.3v0.31200.36 100100偏载系数：直线上 p=0

曲线上 p0.002h0.002750.15

则轨枕动压力Rd：直线上

Rd1pR10.36060444

0.00141570110599.2

218

曲线上

Rd1pR0.0014157011059.29

2 10.360.1567110(4)轨枕弯矩计算

选取最不利情况：曲线上Rd67110N，则轨下截面正弯矩为：直线上

a12bMgRd2e8500215060444295086819775Nmm<Mg13.3KNM曲线上

a12bMgRd2e8500215067110295087571887Nmm<Mg13.3KNm轨枕中间截面弯矩为：

4e23L212La18ea1直线上 McRd

43L2e

4950232500212250050089505006044443250029505722889Nmm5.8KNmMc10.5KNm

4e23L212La18ea1曲线上 McRd

43L2e495023250021225005008950500 6711 04325002950 6354032Nmm6.4KNmMc10.5KNm 所以轨枕弯矩满足要求。

2.2.2.3 道床顶面应力检算

对于Ⅱ型轨枕，中部支撑在道床上时，有效支承长度e1175mm，轨枕底面平均宽度b=275mm.则

直线上

b曲线上

Rd60444m1.60.299MPab0.5MPa be2751175bRd67110m1.60.332MPab0.5MPa be2751175碎石道床允许应力b0.5MPa，因此道床强度满足要求。 2.2.2.4 路基面应力检算

(1)计算h1和h2

b275cotcot35196.4mm 22e1175 h2cotcot35839.0mm

22h1(2)计算路基面应力

根据已知条件，道床面砟厚300mm，底砟厚200mm，道床计算厚度

h300200/2400mm，所以计算厚度在h1和h2之间，则直线上：

Rd604440.092MPar0.15MPa

2hetan24001175tan35r曲线上

rRd671100.102MPar0.15MPa

2hetan24001175tan35所以路基强度满足要求。综上所述，轨道强度检算合格。

第3章路基上无缝线路设计

无缝线路是用标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，又称为焊接长钢轨线路。无缝线路是轨道结构技术进步的重要标志。

3.1 无缝线路基本技术条件

3.1.1 无缝线路分类

焊接长钢轨因轨温变化引起伸缩，无缝线路按钢轨内部的温度应力处理方式的不同，可分为温度应力式、定期放散温度应力式和自动放散温度应力式。

温度应力式无缝线路是指把钢轨焊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不能自由伸缩，一年四季随钢轨温度变化，长轨节内承受着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不使用。

现今世界各国主要采用温度应力式无缝线路，以下简称无缝线路。

从钢轨长度的角度看，无缝线路可分为：普通无缝线路、全区间无缝线路、跨区间无缝线路。目前我国容许速度大于120km/h的线路，都要求铺设全区间或跨区间无缝线路。

3.1.2 无缝线路铺设地段和位置

无缝线路铺设地段和位置，应符合下列条件：

(1)轨下基础稳定，线路没有翻浆冒泥、下沉挤出和大于15mm的冻害。 (2)半径为800m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算。

(4)桥上铺设无缝线路，除符合下述条件者外，均应检算钢轨、墩台的受力状态、轨道防爬能力及钢轨低温断缝值等：

①在无砟桥上，年最大轨温幅度为86~90℃地区，桥跨总长为165m及以下的50kg/m钢轨、桥跨总长为1000m及以下的60kg/m钢轨；年最大轨温幅度为85℃及以下地区，桥跨总长为200m及以下的50kg/m钢轨、桥跨总长为165m及以下的60kg/m钢轨。

②在有砟桥上，跨度为32m及以下(包括单跨和多跨)、桥全长在无缝线路固定区内、年最大轨温幅度超过80℃地区，桥上应铺设混凝土枕。

(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。

3.1.3 无缝线路结构组成

温度应力式无缝线路包括固定区、伸缩区和缓冲区。 (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。若受条件限制，固定区也不应短于50m。

(3)缓冲区一般由2~4节标准轨或厂制缩短轨组成，有绝缘接头时为4节(胶接绝缘接头为3~5节)。

3.1.4 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，一般应布置在缓冲区的中间； (4)其他必要地点。

缓冲区和伸缩区不得设置在平交道口和不作单独设计的无砟桥上，不宜设在曲线上。困难条件下，缓冲区尽量避免设在缓和曲线上。

3.2 稳定性检算

无缝线路作为一种新型的轨道结构，其最大的特点是夏季高温季节在钢轨中存在着巨大的温度压力，而这一温度压力是引起无缝线路胀轨跑道的主要原因。研究分析无缝线路的稳定性具有重要的理论与实践意义。

3.2.1 稳定性计算公式

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，而是在于对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)换算曲率

式中， R——曲线半径(mm)；

Rop——塑性初弯的曲率半径(mm)；

11118fop2 (3-1) RRRopRll——变形曲线弦长(mm)；

fop——塑性初弯矢度(mm)。

(2)计算温度压力

根据能量法原理和定曲率法，可推导出变形曲线弦长l及温度压力分别为：

2221EIEI2EI l2'QR'R43ffoeQ (3-2)

EI2 PNffoe42Qll23 (3-3)

41ffoe3l2R式中，f ——变形曲线矢度，取f =0.2cm；

foe——弹性原始弯曲矢度(cm)；

β——轨道框架水平刚度换算系数，其值取2；

I——钢轨对竖直轴的惯性矩(cm4)； l——变形曲线长度；

E——钢轨弹性模量，取值为2.1105MPa2.1107N/cm2； R——合成半径。

PN2Q11ff0eQR4EIyR2 (3-4)

式中，PN——计算温度应力(N)；

Q——等效道床横向阻力(N/mm)

Iy——钢轨对竖直轴的惯性矩(mm4)；

实践证明，也可直接用式(3-4)求P，它与式(3-3)求得的P相比，误差不超过5％，这对于无缝线路稳定性精度是足够的。

(3)允许温度压力

将计算温度压力除以安全系数，得

PPNK (3-5)

式中，K——安全系数，取K=1.25。

3.2.2 稳定性计算

计算有关参数：75kg/m整修轨，最小曲线半径R=800m，塑性初弯矢度

fop2.0mm，弹性初弯矢度foe2.0mm，允许轨道变形矢度f2.0mm。单根钢轨

对垂直轴的惯性矩Iy615.9104mm4，钢轨断面积F=88.2m2,轨道框架刚度换算系数2，等效道床横向阻力取Q8.4N/mm。

(1)直线上

8fop82.0116-1 21.010mm2RRopl4000PN2Q11ffoeQR4EIyR2

1.010628.41.01062228.4422.1105615.9104

3897911N

PPNK38979113118328 1.25(2) R=800m曲线上

11118fop182.06-1 22.01210mm2RRRopR8000004000lPN2Q11ffoeQR4EIyR2

2.01210628.42.0121062228.4422.1105615.9104

2903560N

PPNK29035602322848

1.253.2.3 由稳定条件计算容许的升温幅度

根据稳定条件确定允许升温幅度tc：

tcP2EF (3-6)

式中，P——轨道允许温度压力；

F——钢轨断面积。直线上 tc311832871.2℃

2EF22.488826P232284853℃

曲线上 tc2EF22.488826P3.3 无缝线路结构设计

3.3.1 确定锁定轨温

(1)允许降温幅度计算

根据强度条件确定允许降温幅度td：

tddf (3-7)

E式中，——钢轨允许应力；对U75V热轧钢整修轨屈服极限s610MPa。

610 安全系数K=1.35，所以s=451.8MPa；

1.35 d——钢轨动弯应力；

E——钢轨钢的弹性模量，取2.1105MPa； ——钢轨线膨胀系数，11.8106/C； f——钢轨附加应力，f10MPa。

计算允许降温幅度td时钢轨动弯应力取轨底动应力1d。由于北京型机车的轨底动应力大于东风4型，所以按北京型计算。

直线上：td曲线上：tddfE4518093101000140.6℃

24845180119001000130.1℃

24825

dfE

(2)确定结构形式

将已求出的td、tc列入表3-1。如下：

表3-1 温度变化幅度表

线路条件直线曲线R=800m

td

140.6 130.1

tc

71.2 53

T

84.8 84.8

td+tc-ΔT

127 98.3

ΔT—该地区年轨温变化幅度。即全年历史最高轨温Tmax与Tmin最低轨温之差。

t铺—铺设时设定的锁定轨温波动范围，一般t铺=8℃~10℃。

td+tc-ΔT＞t铺，可铺设温度应力式无缝线路。

(3)确定锁定轨温

无缝线路设计锁定轨温应根据当地气象资料，无缝线路的允许温升、允许温降，并考虑一定得修正量计算确定。设计锁定轨温范围宜为10℃。桥上无缝线路或寒冷地区，当TdTcTmaxTmin10℃时，锁定轨温范围不应小于6℃。

①容许锁定轨温的上下限

直线上 t上Tmintd23.3140.6117.3℃

t下Tmaxtc61.571.29.7℃

曲线上： t上Tmintd23.3130.1106.8℃ t下Tmaxtc61.5538.5℃

该地区的中间轨温t中：

t中TmaxTmin61.523.319.1℃ 22②设计锁定轨温上下限

选t锁高于t中，令t锁24℃,设计锁定轨温范围为t锁5℃，即设计锁定轨温的范

19℃；t上29℃，均在容许锁定轨温范围内。围为19~29℃。t下3.3.2 伸缩区长度计算

(1)检算温度力峰

实际锁定轨温高于中间轨温，经温度循环，伸缩区与固定区交接处将出现温度压

力峰，本设计中间轨温至最高轨温之幅值为61.5-19.1=42.4℃＜53℃=tc。满足稳定要求。

最大温度拉力：

maxPt拉EFTsfTmin2.4888262423.31035325N

最大温度压力：

maxPt压EFTmaxTsf2.48882661.524820818N

则温度力峰值大小及位置为：

11 PmaxPmaxP1035325820818928071N t压t拉峰22 l峰PH峰-P34685m mr(2)伸缩区长度计算伸缩区长度按下式计算： lsmaPxtPH (3-8) r式中，PH——接头阻力，取400000N； r ——道床纵向阻力，取10.9N/mm。

lsmaxPt拉PHr103532540000058286mm

10.9因伸缩区长度一般取50～100m，宜取为标准轨长度的整数倍，故取ls=75m。

3.3.3 预留轨缝计算

(1)钢轨伸缩量计算长轨一端伸长量1：

1maxPt压PH22EFr5500001.81mm

22.1105882610.92820818标准轨一端伸长量2：

2maxPt压PHL2EFrL2 8EF8208185500002500010.92500021.35mm 5522.110882682.1108826

长轨一端缩短量1：

1maxPt拉PH22EFr5500005.83mm

22.1105882610.921035325：标准轨一端缩短量2maxP2PHLrL2

2EF8EFt拉10353255500002500010.92500022.8mm 5522.110882682.1108826(2)缓冲区标准轨之间的预留轨缝计算预留轨缝按下式计算：

TTa a0aLmaxminTsfg (3-9)

22式中，ag——构造轨缝值，取18mm。

TTa则预留轨缝为： a0aLmaxminTsfg

22 11.8106250007.55mm(取8mm)

61.523.31824 22(3)无缝线路长轨节与标准轨之间的预留轨缝计算上限： a上ag1''2''=18-(5.83+2.8)=9.7mm

1.81.353.15mm 下限： a下12预留轨缝值： a0a上a下9.73.156.425mm(取7mm) 223.3.4 防爬设备及观测桩布置

(1)防爬设备布置

线路爬行是造成轨道病害的主要原因之一。无缝线路地段，如发生线路爬行，其后果比普通线路更为严重，主要是因为线路爬行后，在长轨条中的温度力分布不均匀，

改变了锁定轨温，产生了胀轨跑道和钢轨拉断的隐患。

在无缝线路伸缩区上，因钢轨要产生伸缩，必须有足够的街头阻力和道床阻力与长轨中的温度力平衡，如果接头阻力和道床阻力较小，就会造成较长的伸缩区长度，增加了无缝线路养护的难度。为充分发挥道床阻力的作用，在无缝线路结构设计时，要保证扣件阻力大于道床阻力。如扣件阻力不足，则需安装防爬器以增大钢轨与轨枕之间的阻力。

目前采用弹条扣件的混凝土轨枕，由于扣件阻力较大，一般不设防爬器。 (2)观测桩布置

观测桩是分析研究无缝线路长钢轨锁定轨温变化的重要依据，也是安排线路作业轨温范围的重要依据。因此，正确设置观测桩是无缝线路设计和施工的重要内容。

无缝线路观测桩的设置应符合下列规定： ①线路应按单元轨节设置位移观测桩。

②位移观测桩必须预先埋设牢固，在单元轨节两端就位后立即进行标记，标记应明显、耐久、可靠。

本设计中观测桩在固定区中部、伸缩区起终点以及距伸缩区100米的的固定区位置上各布置一对，共计7对观测桩，具体布置见附录B：无缝线路布置图。

第4章桥上无缝线路设计

4.1 概述

在桥上铺设无缝线路，可以减轻机车车辆对桥的冲击，改善列车和桥梁的运行条件，延长设备使用寿命，减少线路养护维修工作量。在提速和高速线路上，桥上无缝线路的这一优点更加明显。

桥上无缝线路的受力情况和路基上有所不同。桥上无缝线路除受到列车动荷载、温度力和制动力等作用外，还要受到桥梁的伸缩变形或挠曲变形位移而引起的附加力作用。因温度变化桥梁伸缩引起的梁轨相互作用力称附加伸缩力；因桥梁挠曲引起的梁轨相互作用力称为附加挠曲力。此外，桥上无缝线路长钢轨一旦断裂，不仅影响到行车安全，也将对桥跨结构施加断轨力。所有这些，均通过桥跨结构而作用于桥梁墩台，因此在设计桥上无缝线路时，为保证安全，必须考虑在各种附加纵向力的作用下，保证钢轨、桥跨、墩台均能满足各自的强度条件、稳定条件和以及钢轨断缝条件。

我国自1963年开始，先后在一些中小跨度的多种类型的桥梁(简支梁、连续梁、桁梁有砟无砟桥)上铺设无缝线路，并对桥上无缝线路梁轨相互作用的原理进行了大量的试验研究。根据梁轨相互位移所产生的相互作用理论，对伸缩力和挠曲力进行了深入的研究。研究了多种类型桥梁上无缝线路长钢轨中纵向力的作用规律，以及桥梁墩顶位移(高墩)等多种因素影响，并建立了桥上无缝线路纵向力、挠曲力的计算原理和计算方法，为我国铁路在桥上铺设无缝线路奠定了基础。至今已成功地在桥上铺设了无缝线路。除一般中小桥外，在一些特大桥上也成功地铺设了无缝线路，如南京长江大桥(大跨度桁架)，武汉长江大桥(大跨度桁架),九江长江大桥(引桥为无砟轨道)等。

4.2 设计要点

桥上无缝线路结构设计要点：

(1)一般中、小跨度桥，应将桥上无缝线路设计为固定区。伸缩区设在桥上时，长轨条之间应设缓冲区或钢轨伸缩调节器。

(2)为防止钢轨爬行，可将长轨条分段锁定，或在长轨条的两端锁定。锁定区的线路纵向阻力，一般不低于区间无缝线路伸缩区的纵向阻力值，或按单独设计确定。

(3)为减小梁、轨相互作用力和钢轨折断时的轨缝值，要选好桥上钢轨扣件的纵向阻力值和布置方式。钢结构桥上钢轨扣件的布置，可采取均匀降低螺帽扭矩，以降

低扣压力，或采取有松有紧的布置序列。桥上钢轨扣件的松紧序列一般采用1-n-1，即隔一个扣紧轨底的扣件，放松n个不扣紧的扣件。桥上轨道使用的扣件，有K型分开式扣件和其他专门设计的扣件。

(4)桥上无缝线路的联合接头，不得采用铝热焊，联合接头要严格执行正火和打磨工艺的要求。

(5)在钢梁桥的明桥面上，为便于抽换桥枕，可在桥枕与扣件垫板之间，垫入厚1～2cm的垫层。

(6)在有砟桥上，桥面宽度不足时应设挡砟板，保持道床肩宽直线不小于400mm，曲线按规定加宽，并尽量采用混凝土桥枕。

(7)伸缩调节器钢轨接头，如不焊接，则距梁端或挡砟墙不得小于2m。

4.3 计算附加伸缩力

4.3.1 附加伸缩力计算原理

桥梁位于无缝线路固定区，固定区钢轨是不动的，而梁却因温度变化而伸缩，这样要带动钢轨，给钢轨一个纵向力，把这附加力称为附加伸缩力。为了简化计算，做如下假设：

(1)梁的伸缩不受轨道的约束，而且伸缩变形不是累积的。 (2)桥上和路基上纵向阻力为常量。

根据第一项假设，梁的自由伸缩，只考虑梁的当天最大温差引起的伸缩，即梁的某截面的位移为：

lxlxt (4-1) 式中，——钢梁的线膨胀系数，取11.8106/C；

lx——梁的固定端至计算截面的距离；

t——一天内梁的最大温差，对于钢梁取25C，混凝土梁取15C。

4.3.2 计算伸缩力

(1)计算条件

1×32m上承式钢筋混凝土梁，桥上线路纵向阻力r =70N/cm，桥两端的线路纵向阻力r064N/cm，桥梁日温差15℃，75kg/m整修钢轨，截面积F=88.26cm2,轨钢弹性模量E=2.1×107N/ cm2.

(2)计算步骤

图4-1 简支梁示意图

图4-2 伸缩力变化图

图4-3 钢轨位移示意图

简支梁上有一个位移相等的点KK，其中，代表钢轨位移，代表梁位移。设l01330cm

则P1r0l064133085120N

r0l022P1rlK1lK1K1MAAK1K1tlK1 (4-2)

2EF2EF

将已知数据代入式(4-2)，得

270lK1485885lK11132096000 解得：lK1241cm

所以，PK1P1rlK18512070241101990N

641330285120101990241K10.0427cm 722.11088.26计算B截面P2及B：

P2PK1rLlK1=101990－70×(3200－241)=－105140N（压力）

122BK1KDDBK1PK1P2

2EFr210199021051400.0427 722.11088.2670 =0.0402cm.

105140P2N点：NB0.04020.006cm 72EFr022.11088.2664因为N0，说明一开始l0假设偏小，又因N0.01不影响精度，所以不必再进行试算。

24.4 计算附加挠曲力

4.4.1 附加挠曲力计算原理

在计算附加挠曲力时，做如下假设：

(1)列车荷载分阶段进入梁跨，当它进入第二跨后，对第一跨反向位移可略不计； (2)不考虑钢轨内伸缩及残余挠曲力的影响； (3)荷载作用下的线路纵向阻力为常量。

根据第一条假定，可以认为多跨梁的挠曲力与单跨梁上的挠曲力等效，因此只考虑单跨梁的挠曲力即可。根据第二条假定，挠曲力和伸缩力不能叠加，应分别计算，只取其中较大的一个为控制因素。

4.4.2 计算挠曲力

(1)计算条件

1×32m上承式混凝土梁，低墩，梁高h=2.5m，中性轴距梁上翼缘的距离的为：

h上1.34m，梁的换算惯性矩Ix=1.51m4。列车荷载为中-活载，荷载分布如图5-4所

/cm片梁）示。换算分布在全梁上的均布荷载：q477N（。

(2)计算步骤

当C2m时，梁的上翼缘纵向位移计算值见表4-2。

表4-1 纵向位移计算值

距活动端距离

(m)

0 -0.029 18 0.228

2 -0.024 20 0.267

4 -0.01 22 0.304

6 0.01 24 0.336

8 0.039 26 0.364

10 0.071 28 0.385

12 0.108 30 0.399

14 0.147 32 0.404

16 0.188

位移(mm) 距活动端距离(m) 位移(mm)

计算附图如4-5、4-6。机车车辆

图4-4 简支梁荷载示意图

图4-5 挠曲力示意图(单位：N)

图4-6 钢轨与梁位移曲线

设l01615cm，取l1750cm，线路阻力r164N/m，r2110N/m，r370N/m。则P1r1l0641615103360N

1P1l010336016150.0450cm 2EF22.110788.26P2P1r2l110336011075020860N

2P1P2l1103360208607500.0251cm

2EF22.110788.26现在来判断l1截面处与梁轨位移相等点K的相对位置。由表4-1可知，当计算截面距活动端距离l124m时，梁的位移i0.336cm，可以估计其钢轨位移i稍大于

20.025cm(2的位置对应于liLl124.5m)。但是ii，从而可以判断梁、

轨位移相等点K在P2以右。

继续试算li800cm处的钢轨位移：

PiP2r3Ll1li

20860703200750800

94640N

i12i 12P2Pi2EFLl1li

0.04500.0251 0.0373cm

208609464022.11088.267 3200750800

li600cm处的钢轨位移：

Pi1P2r3Ll1li1

20860703200750600

108640N

i112i1 12P2Pi12EFLl1li1

0.04500.0251 0.0263cm

22.11088.2620860108640320 07506007由表4-2查得i与以上i对照可得：

li800cm时，i0.0386cmi li600cm时，i10.0109cmi1

所以，li=800cm~600cm之间存在梁、轨位移相等点K。梁、轨位移相等点K的钢轨位移：

K1230.04500.0251P2PK2EFLl1lK

梁、轨位移相等点K的梁位移：

Kiii-1C0.0373lK0.03730.0263800lK

200根据变形协调条件KK建立方程，解得lK789cm，则

PK2086070320075078995410N

K0.0701208609541022.11088.26732007507890.0367cm

P3954107078940180N

3PKP32EFlK954104018022.110788.2627890.0289cm

4018040.0068cm 72EFr422.11088.2664P3P3

则K340.03670.028860.00680.0008cm

0.001cm，满足工程精度要求。

4.5 强度与稳定性计算

由前面计算可知最大伸缩拉力为maxP伸101990N，最大伸缩压力为

105140N；最大挠曲拉力为maxP挠103360N，最大挠曲压力为maxP伸95410N。 maxP挠(1)强度计算

t拉sd1制伸挠E (4-3)

t压sd2制伸挠E (4-4)

式中，d1、d2——桥头路基上钢轨动弯拉应力和动弯压应力；

制——制动应力，取10MPa；

伸(挠)——由伸缩力或挠曲力中选最大一个换算成的拉应力及压应力；

s——允许应力，取451.8MPa。

换算拉应力： 伸maxP伸FmaxP伸F10336011.7MPa 8826换算压应力： 伸10514011.9MPa 8826将有关数据分别代入式(4-5)、(4-6)可得

451.893.11011.7t拉135.9C 762.11011.810451.81171011.9t压126.2C 762.11011.810(2)稳定性计算

t稳P2P伸2EF (4-5)

式中，P——轨道允许临界压力；

P伸——一股轨道出现的最大附加伸缩压力。

将数据代入式(4-7)可得

31183282105140t稳66.4C＜126.2℃ 7622.11011.81088264.6 确定锁定轨温

(1)计算容许铺轨轨温的上下限

t上t拉Tmin135.923.3112.6℃

t下Tmaxt稳61.566.44.9℃

(2)确定中和轨温

teTmaxTmin61.523.3tk524.1℃ 22(3)确定设计锁定轨温范围

 设计锁定轨温上限：tmte5C24.1C5C29.1C

设计锁定轨温下限：tnte5C24.1C5C19.1C

所以，设计轨温上下限均在容许铺设轨温范围内，确定锁定轨温：Tsf24C (4) 计算最大温度力：

maxPt拉EFTsfTmin2.4888262423.31035325N maxPt压EFTmaxTsf2.48882661.524820818N

4.7 断缝检算

钢轨在低温折断后，由于折断处两侧的钢轨产生收缩，从而形成较大的断缝，为了保证行车安全，要求可能产生的最大断缝值不超过容许断缝值。由于桥上纵向阻力低于路基上阻力，而且又有附加拉力，因此，必须重新检查断缝值。

冬季钢轨折断时断缝由最大温度拉力maxPt产生的断缝断缝值为：

maxPt2  (4-8)

EFr式中，——最大温度拉力造成的断缝；

r——线路纵向阻力。

将已知数据代入式(4-8)可得

2maxPt103532529.0cm10cm

EFr2.110788.2664所以断缝检算符合要求。

第5章轨道数量计算

5.1 轨道各部件数量计算

铺轨总长度LL设L铺59673832735966886mm；轨枕数量：17605.967=10502根；接头扣件数量：2×4×3+1=25件；中间扣件数量：10502×2=21004件。

5.2 道砟量计算

道砟的材料有各种石质的碎石、天然级配卵石、粗砂、中砂和熔炉矿渣等。道砟数量一般按直线道床的断面积及曲线道床的断面积分别进行计算。

线路条件：非渗水土路基

5.2.1 直线地段道床面积计算

在图5-1所示的断面图中，由几何关系可得道床面积Az及道床垫层面积Ad的计算式为：

图5-1 直线段道床断面示意图

横断面条件：直线地段非渗水土路基面宽度取7.5m；采用Ⅱ型轨枕，轨枕长度2.5m；道砟是由0.3m厚的面砟与0.2m厚的底砟组成，无缝线路肩宽取0.45m,边坡坡度为1:1.75。则道床面积Az与道床垫层Ad计算如下：

AZ1b2.12x1Hx1y1 (5―1) 22.12.3AdHdHdax2 (5―2)

2各参数计算如下：

x1b2.1mH1.71.750.651.051.787m22

y1x11.7870.11nm181.75

HHmHdK0.30.20.150.65m

B2.17.52.1180.30.3 0.150.15ay10.110.10mn18

nx2x1my10.15ia1.7871.750.110.155.7660.11.25m

bmHy11.31.71.750.650.111.3i25.7660.2a0.20.1

式中, M——道床边坡坡度比；

N——路拱面坡度比； i——道床垫层边坡坡度比； B——直线路基宽度（m）； b——直线道床顶面宽度（m）； Hm——道床面层厚度（m）； Hd——道床垫层厚度（m）；

K——轨枕埋入深度（m），混凝土枕K=0.15m。将参数代入上式，求解如下：

道床面积：

1AZb2.12x1Hx1y12

13.42.121.7870.651.7870.11 2 =3.14m2.

垫层面积：

2.12.3 AdHdHda x22 0.440.31.253 =0.816m2. 5.2.2 曲线地段道床面积计算

单线Ⅰ级铁路在曲线地段，由于曲线轨道的外轨设置超高、外侧道床加厚、道床坡脚外移，故曲线外侧的路基面应予加宽，其加宽值按各级铁路的最大允许超高度计算。本设计路基面外侧加宽值取0.5m.其横断面图如下：

图5-2 曲线段道床断面示意图

在图5-2断面图中，由几何关系求得道床总面积Az及道床垫层面积Ad计算式为： 1Azbcosmh1h22.1xxHh1bcosmh1h2h1h2xyxy2 (5―3)

1 (5―4) Ad4.4x1x2Hdx1ax2a2式中各计算参数如下：

2Vmax1202hq17.67.673mm

R15002Vmax1202hq27.67.691.2mm

R1200曲线外轨超高取5mm整数倍，所以hq175mm，hq295mm。曲线1道床总面积与垫层面积计算如下：

HHmHdK0.300.200.150.65m

bcc10.750.95m

2h1csin0.950.04980.0474m h21.5c1sin2.450.04980.12m

B2.17.52.1 n18

0.30.3B2.12W7.52.120.5 n14.6

0.30.3 xmHh1c10.75cos1.051.697m xmHh2c20.75cos1.051.99m

x1.628 y0.10

nm81.75x2.16 y0.155

nm14.61.750.150.15ay0.10.095m

n180.150.15ay0.170.144

n14.6bcosmHh1y1.3i25.520.2a

bcosmHh2y1.3i25.860.2a

其中， W―曲线地段路基外侧加宽值（m）； h―曲线外轨超高值（m）。

1bcosmh1h22.1xxHh1bcosmh1h2h1h2xyxy21 =5.7060.6160.16970.3083.39m

2AZAd14.4x1x2Hdx1ax2a 2 =4.41.19761.3160.21.1970.0950.189 =0.84m2.

同理计算曲线2路段道床总面积与垫层面积有：AZ3.48m2，Ad0.843m2 根据线路平纵断面资料可求得设计路段直线与曲线长分别为：

所以道砟总量

Q3.144784.773.39874.43.48307.820.150.658817605.967

=18021.8m3。

垫砟总量：

Q10.8164784.770.84874.40.843307.824898.36 m3。

第6章整修轨与无缝线路的养护维修

6.1 整修轨

6.1.1 整修轨的养护特点

铺设在线路上的旧轨使用期限，在很大程度上取决于线路较高的日常维修质量，其中包括对钢轨实行正确与精心的养护。旧轨在同一区段再次使用的20~30年间，会出现锈蚀损伤，其中轨底和轨端安装夹板处锈蚀最严重。此外，在运营期间，季节多次变化，轨下基础刚度大幅度变动，轨下基础不均匀，钢轨的温度条件发生变化。此时，旧轨就比新轨的工作能力差。在动力作用小的非繁忙线路上，线路轨距、扣件和轨下基础的一般故障，在春季和秋季会迅速降低行车的平稳性，并引起在新轨线路上常见的较大的附加动力作用。附加动力作用首先影响到钢轨。

整修轨的工作条件取决于线路的所有维修项目的作业质量。在非繁忙正线上全面铺设重型旧轨，通常是与线路或起道修结合进行的。在同一个区间内应铺设同一类型的旧轨，在曲线上，与铺设新轨一样，在内股应选用适当的缩短轨。全断面淬火旧轨也同样必须在区间内连续铺设。在运营过程中，由于线路的纵向和横向轨下基础刚度不同，每一根钢轨相对于两股钢轨轨头踏面水平位置往往不准确。因此，旧轨轨头横断面轮廓，无论是从单根钢轨长度，还是从整个轨线来看都是极不相同的。再再次使用旧轨时，由于轨头踏面横断面轮廓不同，因此车轮与轨头接触不良。这种情况将不可避免的使旧轨产生接触疲劳裂纹及轨腰上部纵向裂纹，从而加速破损。

再次铺设的旧轨工作出现某些不正常，是因为轨底与垫板接触不紧密。而接触不紧密则是由于运营初期轨底与垫板之间经常发生相对位移，在轨底底面形成深约1mm或更大的磨损。这些轨底磨损，在再次铺设钢轨时，可能与新轨的排列不相配合。为了保证新铺旧轨轨端部区的正常工作，必须使轨缝与温度相适应，接头要放在轨枕盒的对称轴上，接头两端钢轨踏面要在同一水平上。

6.1.2 钢轨再利用

(1)倒边使用

钢轨的断面是对称的,在运营过程中,钢轨只有一侧与车轮接触,会产生明显的侧面磨耗。旧轨再用时,倒边使用会使钢轨的未被磨耗一侧轨头接触车轮,增大了钢轨抗

磨能力。另外,倒边后改变了钢轨的受力状态,减少了出现疲劳伤损的机会。

(2)由高等级线路向低等级线路的旧轨再用高等级线路的运量大、轴重大,轨型也重,在高等级线路上运营一段时间后的钢轨改铺到低等级线路上,可使之与低等级线路条件相适应,延长钢轨寿命。另外,重型轨使用还能增强线路的强度。

(3)同等级线路由运量大向运量小的线路的旧轨再用同等线路的运量相差也很大,而且有的线路等级是根据轴重确定的。因此,再大运量的线路上使用的钢轨可改铺到小运量的线路上。

对钢轨进行分级管理，并不是第一次铺设以后，一直到技术上不能使用时为止，而是依照磨损情况，经一定时期后从初期铺设的地点撤下，经整修铺设至次级线路，同样，它们还可以铺设至下一级线路。在旧轨再次铺设之前，必须用机械加工的方法修复轨头踏面。目前正在广泛装备多种技术设备，在日常工作中实行两种高质量的修理方式：在钢轨的第一运营期内和在非繁忙线路上再用期间，直接在线路上进行定期的综合修理作业；在非繁忙线路上每次再用之前，在钢轨修理厂进行定期的旧轨修理作业。

6.2 无缝线路的养护维修

经常保持无缝线路设备完整和质量均衡，使列车能以规定的速度安全、平稳和不间断地运行，并尽量延长设备的使用寿命，是线路养护维修工作的基本任务和奋斗目标。

6.2.1 基本要求

(1)无缝线路的长轨条，必须在设计锁定轨温范围内牢固锁定，如有变动，必须适时放散应力，在设计锁定轨温范围内重新锁定。

(2)道床横断面必须按设计标准经常保持完好。因清筛或其他施工原因导致缺砟时，应及时按规定标准补足、夯实、整形。

(3)线路纵平面应经常保持平整圆顺，其几何偏差要经常控制在养护标准的限制以内。

(4)根据季节性特点、锁定轨温情况和线路状态，制定维修计划和组织线路作业。 (5)当轨温超过锁定轨温的差值，大于规定的容许限值时，不得进行削弱线路抵抗阻力的有关作业。

(6)在无缝线路伸缩区与固定区交界处、道口前后、桥头、曲线头尾、变坡点、制动地段等容易出现温度力峰值的处所，尤应注意加强线路结构，对有关作业规定从

严掌握，对线路状态加强监测。

(7)要注意伸缩区和缓冲区的养护工作。 (8)经常保持路基及排水设备处于良好状态。

6.2.2 养护维修基本内容

铁路线路维修分为综合维修、经常保养和临时补修。

(1)综合维修是根据线路变化规律和特点，以全面改善轨道弹性、调整轨道几何尺寸和更换、整修失效零部件为重点，按周期、有计划地对线路进行的综合修理，以恢复线路完好技术状态。其基本内容是：

①根据线路状态适当起道，木枕地段全面捣固；混凝土枕地段撤除调高垫板，全面捣固或重点捣固；混凝土宽枕地段垫砟与垫板相结合。

②改道、拨道，调整线路、道岔各部分尺寸，全面拨正曲线。

③清筛枕盒不洁道床和边坡土垄，处理道床翻浆冒泥，补充道砟和整理道床。 ④更换、方正和修理轨枕。 ⑤整治线路爬行，锁定线路、道岔。

⑥矫直钢轨硬弯，焊补、打磨钢轨，整治焊缝病害。 ⑦整修、更换和补充联接零件，并有计划地涂油。 ⑧整修路肩，疏通排水设备，清除道床杂草和路肩大草。 ⑨整修道口及其排水设备，修理、补充和刷新标志，收集旧料。 ⑩其他预防和整治病害工作。

(2)经常保养是根据线路变化情况，在全年度和线路全长范围内进行的有计划、有重点的养护，以保持线路质量经常处于均衡状态。其基本内容是：

①根据轨道几何尺寸，对超过经常保养容许偏差管理值得状态，成段的整修线路。 ②处理道床翻浆冒泥，均匀道砟和整理道床。 ③更换和修理轨枕。 ④整治爬行，锁定线路。

⑤更换伤损钢轨，焊补、打磨钢轨和整治焊缝病害。 ⑥有计划地成段整修扣件，进行扣件和接头螺栓涂油。 ⑦进行无缝线路应力放散和段峰原位焊复或插入短轨焊复。 ⑧整修防沙、防雪设备和整治冻害。

⑨整修道口你，疏通排水设备，清除道床杂草和路肩大草。 ⑩季节性工作、周期短于综合维修的单项工作和其他工作。

(3)临时补修是及时整修超过临时补修容许偏差管理值及其他不良处所别的临时性修理，以保证行车平稳和安全。

第7章结论与展望

7.1 结论

7.1.1 轨道的结构形式和组成

轨道结构由钢轨、轨枕、联接零件、道床、轨距拉杆、道岔、道砟等所组成。我国铁路干线一般都使用60kg／mg钢轨，由于近几年我国已开始大力研究钢轨整修技术，整修后的旧轨上道使用时间最长已近5年，经现场使用证明，整修质量稳定可靠，能满足线路正线的使用要求[14]。本设计采用的是75kg／m的整修轨，长度为5967m；轨枕为Ⅱ型预应力混凝土轨枕，每公里铺设1760根，弹条Ⅱ型扣件；接头布置为悬空式钢轨接头，两股钢轨接头位置是相对式；碎石道床由30cm的表层道砟与20cm的底层道砟组成，无缝线路道床肩宽取45cm,道床边坡为1∶1.75，砟肩堆高0.15m.

7.1.2 线路平纵断面设计

线路平面是线路中心线在水平面上的投影，本设计中曲线Ⅰ：a=2911'54\"，R=1500m，l=110m；曲线Ⅱ：a=955'21\"，R=1200m，l=100m。

本设计线线路起点里程为K210+000，终点里程为K215+967，全程5.967km。线路在K215+200处有一座1×32.0m的混凝土桥。坡段最长为1900m，最短为467m。含有两个平面曲线，曲线Ⅰ半径为1500m，曲线Ⅱ半径为1200m。上坡坡度最大为4.0‰，下坡坡度最大为7.7‰。现有计算轨面标高最大值为250.393m，最小值为239.893m。道床厚度为50cm。

基本符合纵断面设计要求。

7.1.3 路基上无缝线路设计

(1)确定设计锁定轨温为24℃；

(2)设计锁定轨温能满足该区段无缝线路的强度和稳定性条件； (3)伸缩区长度为75m；

(4)长轨与标准轨之间的预留轨缝取7mm，标准轨之间的预留轨缝取8mm； (5)不需设置防爬设备。

7.1.4 桥上无缝线路设计

(1)桥上无缝线路伸缩附加力计算：最大拉力为101990N，最大压力：105140N； (2)桥上无缝线路挠曲附加力计算：最大拉力为103360N，最大压力：95410N； (3)根据轨道结构强度检算原理及方法，检算桥上无缝线路轨道结构强度，确定桥上无缝线路最大容许温降幅值为135.9℃；

(4)根据无缝线路稳定性理论及方法，检算桥上无缝线路轨道结构的稳定性，确定桥上无缝线路最大容许温升幅值为66.4℃；

(5)为了使整个无缝线路区间在路基上和桥上的锁定轨温一致，保证线路的稳定性，确定桥上无缝线路锁定轨温为24℃,与路基上无缝线路一致；

(6)桥上无缝线路断缝检算，检算结果符合要求。

7.2 展望

实践证明利用整修轨进行无缝线路的设计是可行的，但在旧轨整修技术上还需要做进一步研究，目前我国对钢轨的使用不尽合理，线路上铺设的钢轨不能按大修周期合理更换，致使多数钢轨超期使用，引起钢轨疲劳、伤损、折断而造成行车事故。由于缺乏必要的设备，对更换下来的旧轨，不能进行综合整修，有的稍作挑选又铺设到线路上使用，从而加速了钢轨疲劳伤损的发展，大大缩减了钢轨再用的使用寿命。部分整修尚可使用的旧轨直接报废，造成很大的浪费。

为提高钢轨的使用效益，必须对钢轨的使用加以改进，铁路管理部门应在大量调查研究的基础上，将钢轨的合理再用作为一项技术政策确定下来。加强钢轨再用的科学研究，确定钢轨的合理使用周期。建立钢轨综合整修工厂，加大引进和制造钢轨整修设备，制定适用于我国国情的钢轨整修工艺。

改革开放以来，我国的铁路建设和铁路交通得到了快速发展，在经过几次提速后，铁路交通的运输能力得到大幅度提高。但是，随着我国国民经济高速平稳的发展，对铁路运输提出了更高的要求。21世纪的中国铁路，无缝线路将会有更大的发展。无缝线路是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结构的最优选择。

通过本次毕业设计，对整修轨理论知识进行一次全面汇总和学习，进一步巩固了专业知识，为以后学习和工作打下基础，为将来能承担发展我国铁路发展的重任奠定基石。

参考文献

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[5] 卢耀荣．无缝线路研究与应用[M]．北京：中国铁道出版社，2004． [6] 童大埙．铁路轨道[M]．北京：中国铁道出版社，1996． [7] 陈秀方．轨道工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005． [8] 练松良．轨道工程[M]．上海：同济大学出版社，2006．

[9] 广钟岩，高慧安．铁路无缝线路[M]．北京：中国铁道出版社，2004． [10] 陈岳源．铁路轨道[M]．北京：中国铁道出版社，1994． [11] 郝瀛．铁道工程[M]．北京：中国铁道出版社，2000． [12] TB10082-2005，铁路轨道设计规范[S]．

[13] 易思蓉．铁路选线设计[M]．成都：西南交通大学出版社，1994．

致谢

感谢王建西老师，本毕业设计是在王老师精心指导和大力支持下完成的。他们严谨细致、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响，其次他们一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在他耐心的指导下，不仅指出了许多容易被我忽视的设计细节，还给我提出了许多意见和指示，而且提供我所需的设计资料，耐心的为我讲解设计过程中所遇到的疑难问题，使我能够圆满的完成毕业设计。

其次，毕业设计能够顺利完成，也离不开同学们的帮助。由于我们之间的共同合作，互相帮助，不断的交流意见，扩展思路，才能使毕业设计如期完成，感谢我们组同学对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供的资料，要想在短短的几个月的时间里完成毕业设计是几乎不可能的事情。故在此对大家表示衷心的感谢。

同时能够顺利的完成毕业设计，与分院领导的关怀是分不开的。他们为我们创造了一个良好的学习环境，能让我们安心得做设计。还要感谢我们图书馆的大力支持。

毕业设计将完成，在此我对我们领导、指导老师、工作人员和各位同学在整个毕业设计中所给予的支持和帮助表示衷心的感谢。

附录B 图纸

B.1 长轨节布置图(图号：01)

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