铁路无缝线路设计.docx
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铁路无缝线路设计
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》（TB10015-2012），新建、改建铁路正线应采用钢轨，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100℃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，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℃，相邻单元轨节之间的锁定轨温只差不应大于5℃，同区间轨温只差不大于10℃,160km/h以上铁路不应大于3℃。
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900N·m。
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/km
5、道床类型：
面碴厚为250mm，垫层厚为200mm
6、钢轨接头螺栓扭矩值：
900N·m
7、设计区最小半径：
R=500m
8、.计算钢轨位移及弯矩时，道床刚度：
60000N/mm，检验钢轨刚度
30000N/mm。
9、设计最高行车速度120Km/h
10、设计轨温：
最高温度49.4℃，最低气温-16.5℃
5.3.2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，当在检算轨枕时D
轨枕间距为
钢轨基础弹性模量为：
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
由公式（5-1）可得刚比系数为：
5.3.3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。
图5-1
表5-1不利荷载计算表
计算轮
项目
动1
动1
P（N）
106450
x（mm）
0.000
kx
0.000
μ
1.000
Pμ（N）
106450.000
动2
P（N）
106450
x（mm）
2550.000
kx
3.009
μ
-0.055
Pμ（N）
-5900.630
动3
P（N）
106450
x（mm）
4350.000
kx
5.133
轮位
∑Pμ（N）
动2
动3
106450
106450
101378.97
2550.000
4350.000
3.009
5.133
-0.055
0.008
-5900.630
829.596
106450
106450
83034.57
0.000
1800.000
0.000
2.124
1.000
-0.165
106450.000
-17514.797
106450
106450
89764.80
1800.000
0.000
2.124
0.000
计算轮
项目
轮位
∑Pμ（N）
动1
动2
动3
μ
0.008
-0.165
1.000
Pμ（N）
829.596
-17514.797
106450.000
其中,取，计算静弯矩为
钢轨动弯矩用静态法计算
（5-2）
式中——钢轨的动弯矩；
——速度系数，用计算；
——偏载系数，计算，为容许欠超高；
——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：
A、在的曲线上，容许欠超高，计算偏载系数：
在的曲线上，横向水平力系数，
B、在直线地段上，横向水平力系数，
5.3.4计算动弯应力
新轨截面模量,
A、在的曲线上，轨底动弯拉应力
轨头动弯压应力
B、直线段上的轨底动弯拉应力
直线段上的轨头动弯压应力
5.4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，即
式中
——钢轨最大动弯拉应力；
——温度应力；
——钢轨承受的制动应力；
——钢轨容许应力，等于钢轨的屈服强度除以安全系数
，
。
因为钢轨为钢轨，所以，一般钢轨，再用钢轨。
允许温度变化幅度
5-4）
式中——钢轨底部下缘位置处动弯应力。
由于，安全系数，则
5-5）
A、当在半径为4000米的曲线上进行制动时温度变化允许量为：
B、当在直线地段上制动时，温度变化允许量为：
5.4.2曲线段允许温升
1、试算曲线地段变形弦长值
由稳定性统一计算公式，采用正弦曲线作为轨道变形曲线。
当时，，，
，，。
换算曲率为
∴
计算得到与原假定不符。
设，重新计算；
以再次试算，求得
则
该与第二次设的不符，再设，计算foe；，再求得到，则，基本上与原来的相接近，因此取：
作为变形曲线长度，作为原始弹性初弯矢度。
2、计算曲线地段允许温度压力及允许温升为了减小温度反复变化所致残余变形的累计，避免过分限制温度力，从而影响无缝线路的铺设范围，由时计算温度压力，并除以安全系数得到允许温度压力
（5-6）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
；
——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1.25~1.3。
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7745。
5.4.3直线段允许温升
1、试算直线段变形弦长值
时，，，，，
，。
换算曲率为
∴
计算得到与原假定不符。
设，重新计算；
则
该与第二次设的不符，再设，计算；
再求得到，则，基本上与原来的
相接近，因此取：
作为变形曲线长度，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
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：
温度应力式无缝线路中应该满足
曲线地段
故可采用温度应力式无缝线路
直线地段
所以可采用温度应力式无缝线路
锁定轨温上限为：
锁定轨温下限为：
中间锁定轨温为：
设计锁定轨温：
设计锁定轨温范围：
5.5伸缩区长度计算
计算参数：
设计锁定轨温
钢轨接头阻力（扭矩为）
钢轨纵向阻力梯度
最大温升
最大温降
取
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
5-10）
缓冲轨
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
最大温度拉力
而接头阻力，可见大于钢轨于铺设后轨温下降至时，要
发生缩短位移。
5.6.2缓冲轨伸缩量
缓冲轨端部收缩量
由于接头阻力大于最大温度压力，故接头不会伸长，所以缓冲轨端
部伸长量。
1、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
5.6.3长钢轨端部伸缩量
所以长轨端部
长轨端收缩量
由于接头阻力大于最大温度压力，故接头不会伸长，
伸长量。
1、当钢轨处于最低轨温时长轨端的收缩量
2、当钢轨处于最低轨温时缓冲轨间的收缩量
5.6.4
缓冲轨间接头预留轨缝
5.6.5长轨轨端接头预留轨缝
5.6.6计算结果汇总
图5-2
5.7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
对于U71Mn钢轨，屈服极限，安全系数，因此，允
许应力
A、曲线轨底
轨头
B、直线轨底
轨头
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，当在检算轨枕时轨枕间距为
因此：
5.7.3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，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
轮位
∑Pμ（N）
动1
动2
动3
动1
P（N）
106450
106450
106450
101621.33
x（mm）
0
2550
4350
kx
0.000
3.009
5.133
η
1.000
-0.042
-0.003
Pη（N）
106450.000
-4511.862
-316.805
动2
P（N）
106450
106450
106450
106079.68
x（mm）
2550
0
1800
kx
3.009
0.000
2.124
η
-0.042
1.000
0.039
Pη（N）
-4511.862
106450.000
4141.538
动3
P（N）
106450
106450
106450
110274.73
x（mm）
4350
1800
0
kx
5.133
2.124
0.000
η
-0.003
0.039
1.000
Pη（N）
-316.805
4141.538
106450.000
其中,取
5.7.4计算枕上动压力
ND5型内燃机车，计算枕上压力时，速度系数及偏载系数为：
A、曲线考虑横向水平力系数
对于S-Ⅲ型轨枕长度为，，荷载作用点至轨枕端距离
，由于轨枕不被掏空，轨枕有效支撑长度为,轨枕底宽
B、直线不考虑横向水平力系数，则
5.7.5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；
——股钢轨下轨枕的全支撑长度，取;
——轨下衬垫宽度，一般取轨底宽，S-Ⅲ型轨枕取平均宽度150mm；
——轨枕设计系数，为1；
——轨下允许弯矩，Ⅲ型轨枕取。
枕中截面负弯矩
5-13）
式中——轨枕长度（cm）；
B、直线地段
——轨下允许负弯矩，Ⅲ型轨枕取
A、曲线地段
5.7.6道床顶面强度检算
对于S-3型轨枕，中部不掏空，有效支承长度，轨枕底面平均宽度为，由设计资料可知，面碴厚为，垫层厚为，
应次，道床计算厚度
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，即；
b——轨枕底面宽度，取300mm。
A、曲线道床顶面压应力
B、曲线道床顶面压应力
对于碎石道床允许应力，所以道床强度满足要求
5.7.7路基顶面强度检算
当在道床深度为时，该区域的道床应力为
（5-15）
式中——压力扩散角一般取
A、曲线地段
B、直线地段
对于既有线粘砂土路基，允许应力，因此，满足强度要求，故该设计合格
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