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发布时间:2020-08-04 14:53:29

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作者:高亮

出版社:中国铁道出版社

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高速铁路无缝线路关键技术研究与应用

高速铁路无缝线路关键技术研究与应用试读:

推荐语Recommended Language

我国高速铁路已进入一个快速发展的时期。按照《中长期铁路网规划(2008年调整)》的目标,2020年我国铁路营业里程将达到12万公里,其中客运专线将达到1.6万公里以上,形成“四纵四横”客运专线骨架及三个城际客运系统,客车速度目标值达到每小时200km及以上。目前,我国高速铁路的发展极其迅猛,京沪、郑西、武广等高速铁路已经建设完成并投入运营,我国高速铁路的大规模建设已经是一个不争的事实。

我国高速铁路具有全线采用跨区间无缝线路、无砟轨道为主、高架桥梁众多的鲜明特点。以京沪高速铁路为例,其设计速度350km/h,是目前世界上标准最高、规模最大、一次建成线路最长的高速铁路。京沪高速铁路从北京南站出发终止于上海虹桥站,总长度1318km,线路跨越两大既有铁路干线、三大平原、四大水系,地理条件多样,地质条件复杂,线下工程以桥梁为主,正线桥梁247座,约1060km,占全长的80.4%;全线铺设无砟轨道,正线约1268km,占线路长度的96.2%。

无缝线路是铁路技术进步的重要标志,是轨道结构近百年来最突出的改进与创新。为保证高速列车的平稳安全运行,高速铁路无缝线路不仅要求具有传统无缝线路的高强度,更要实现高平顺性、高稳定性,无缝线路技术面临前所未有的挑战。我国地域广阔,气候条件恶劣,而无缝线路长度长、跨越地界广、地形要素多样,如何保证高速铁路无缝线路的强度、稳定性成为难点。为保证轨道平顺性,我国高速铁路无缝线路广泛采用无砟轨道与高架桥梁,这又显著增加了线下结构对无缝线路受力变形影响的复杂性。与传统无缝线路不同,高速铁路无缝线路技术包含内容更加广泛,涉及技术难点更多,列车运行的高舒适性与平稳性、轨道与线下基础的适应性、各种参数的合理匹配等均对无缝线路的设计及应用提出了更高的要求。

目前,国内外针对无缝线路的结构设计、现场施工及养护维修等进行大量的研究工作,普速无缝线路技术已经比较成熟。但对于高速铁路而言,普速无缝线路的设计、施工、养护维修的理念及方法均具有一定局限性,难以满足高速铁路无缝线路的需要。与普速无缝线路相比,由于采用大号码道岔、桥上道岔、无砟轨道和长大桥梁等,高速铁路无缝线路不仅综合了跨区间无缝线路、无砟轨道、长大桥梁和高架车站的技术要点,还衍生出一系列的技术难点,有些甚至是世界性难题。在结构设计方面,需要解决路基上大号码道岔无缝化设计、无砟轨道与无缝线路的适应性、长大桥梁和特殊桥梁上无缝线路结构设计及高架站铺设无砟道岔的设计等问题;施工养护方面,需要解决轨下基础平顺性、钢轨碎弯变形控制及大号码道岔的焊联等问题。高速铁路使得无缝线路设计技术更为复杂,对高速铁路无缝线路及其下部基础采用的新结构、新技术进行深入地研究,对指导无缝线路设计具有重要的理论及应用价值。

近年来,北京交通大学土木建筑工程学院高亮教授及其科研团队在铁道部领导及设计、施工、管理相关单位的支持下,针对高速铁路无缝线路的技术难点,先后开展了大号码道岔无缝化研究、长大桥梁无缝线路关键技术研究、高架站无缝道岔计算理论与试验研究、高速铁路无缝线路监测、检算及评估技术研究等,并进行了多次的室内、实尺模型及现场试验,在高速铁路关键技术的研究方面取得很多具有创新性的成果,大量成果得到现场应用,并形成合理的高速铁路无缝线路理论与技术。期待我国科技工作者增强自主创新能力,进一步开展高速铁路无缝线路新技术的研究与实践,满足高速铁路建设的需要,为实现我国铁路的快速发展作出更大贡献。2012年6月

序Sequence

无缝线路是世界铁路技术进步的重要标志,特别是跨区间无缝线路的推广应用,最大限度地消灭了钢轨接头,全面提高了轨道的平顺性、稳定性和可靠性,保证了列车高速、安全、平稳运行。

当前,我国铁路正处于快速发展的黄金期。到2020年,全国铁路营业里程将达到12万公里以上,其中客运专线1.6万公里以上,由客运专线、城际铁路和快速客货线路构成的快速客运网总规模达到5万公里以上。我国高速铁路线路里程长,气候环境差异大,运营条件复杂。土木工程以大跨结构多、无砟轨道体系丰富和道岔全面无砟化独树一帜;气候环境北有哈大高铁为代表的高寒冰雪,西有兰新二线为代表的极旱大风,南有广深港客运专线为代表的潮湿酷暑;运输上高中低不同速度并存,技术装备制式多样,速度、密度、运量并举;从而对无缝线路提出了更高要求,需要突破众多重大技术难题。

高亮教授是我国轨道结构领域的知名专家,尤其在无缝线路方面造诣很高。针对高速铁路无缝线路重大技术难题,他以高速铁路轨道结构基础理论为核心,以实尺试验和现场试验为基础,先后开展了大号码道岔无缝化研究、长大桥梁无缝线路关键技术研究、高架车站无缝道岔计算理论研究、无砟轨道无缝线路关键技术研究、跨区间无缝线路的检算与评估计术以及无缝线路的检测与实时监测技术研究,取得了一系列创新性成果,成功指导了以京沪高速铁路为代表的我国高速铁路重大工程的设计、施工与养护维修,并及时总结形成《高速铁路无缝线路关键技术研究与应用》一书。

本书是一本阐述无缝线路设计理论及其应用技术的学术专著,系统性强,内容丰富,对高速铁路无缝线路技术的发展具有重大的意义,是轨道专业科研、设计、施工、维护人员学习提高的好教材和日常工作中的重要参考书。

我国高速铁路正经受运营的考验,无缝线路技术需要在实践中进一步提高。希望高亮教授继续发扬吃苦奉献、理论联系实际的优良传统,不断研究总结最新的成果,笃行不倦,进一步丰富发展高速铁路无缝线路技术。2012年12月

前言Forewords

我国高速铁路具有全线铺设跨区间无缝线路,正线以无砟轨道为主,长大桥梁、高架站多,行车速度高等特点。以桥代路、控制沉降是我国高速铁路重要的设计理念之一,基础工程中桥梁的比例普遍较高。高速铁路不仅需要铺设众多的高速道岔,且需要在大量的长大桥梁上铺设无砟轨道无缝线路。

高速道岔、长大桥梁无缝线路及高架站无缝道岔不仅综合了跨区间无缝线路、无砟轨道、长大桥梁和高架站的技术要点,还衍生出一系列的技术难点,如高速道岔的无缝化设计问题、无缝线路与长大桥梁的适应性问题、无缝道岔群与高架站的适应性问题、长大桥梁及高架站无砟轨道对无缝线路的影响问题、跨区间无缝线路检算及评估问题、无缝线路的长期监测技术问题等。

1.路基上无缝线路。我国高速铁路无缝线路以无砟轨道为主,CRTSⅠ型板式、双块式、CRTSⅡ型板式无砟轨道等得到广泛应用,形成高速铁路无砟轨道无缝线路。无砟轨道刚度均匀性好、结构耐久性强、轨道稳定性高。与有砟轨道相比,无砟轨道更能适应高速铁路对于线路高稳定性、高平顺性及高使用率的要求。由于无砟轨道道床稳定,无缝线路不易发生失稳,但在高温条件下易出现碎弯,影响高速列车的平稳安全运行。此外,无砟轨道弹性多由扣件提供,这就对扣件性能提出了更高的要求。为此,需要根据高速铁路轨道结构的特点,研究合理的无缝线路设计方法,实现高速铁路无缝线路各项参数的合理匹配。

2.高速无缝道岔。无缝道岔是跨区间无缝线路的关键技术,与普通无缝线路、桥上无缝线路相比,其受力与变形特点不同,具有以下特点:无缝道岔两端温度力不平衡;无缝道岔中有多根钢轨参与温度力的传递;无缝道岔直侧股钢轨间存在着限位器、间隔铁等传力部件,将道岔导轨的温度力向基本轨传递等。随着高速铁路的发展,岔区无砟轨道因其稳定性好、养护维修量少而得到广泛应用,形成无砟轨道无缝道岔。由于无砟轨道无缝道岔以道岔板、底座板(支承层)等取代道床,轨下基础具有更好的结构稳定性,限位器、间隔铁等传力结构在温度力的传递中起主要作用。传力结构在限制尖轨、心轨位移的同时,将部分温度力传递至基本轨,产生伸缩附加力,引起基本轨位移。此外,道岔受力变形也受到温度梯度、刚度变化等岔区无砟轨道因素的影响。与既有无缝道岔相比,高速道岔对结构的安全性、列车运行的平稳性要求更高,需要更准确、更可靠的设计方法来保证道岔的性能。

3.长大桥梁无砟轨道无缝线路。长大桥梁无砟轨道无缝线路梁跨较大,梁体因温度变化产生的伸缩量、因列车荷载作用产生的挠曲量远远大于一般梁跨结构,导致无缝线路钢轨伸缩力、挠曲力也较大。同时,在列车制(启)动或桥上发生断轨时,对桥跨结构施加的附加力也比一般桥梁大的多。长大桥梁在温度及列车荷载作用下,梁体的纵向位移往往远大于钢轨的纵向位移,此时桥梁墩台和钢轨均承受巨大的纵向水平力。为解决这一问题,需要采取措施减小梁轨相互作用。我国多采用减小轨下阻力,即布置小阻力扣件或设置伸缩调节器的方式,但伸缩调节器的合理布置、无砟轨道与桥梁、钢轨受力变形的相互协调又成为新的难点。近几年随着CRTSⅡ型板式无砟轨道的应用,混凝土底座板与桥梁之间设置“两布一膜”滑动层,通过减少无砟轨道板下约束来减小梁轨相互作用的方式也得到应用,但其力学特性非常复杂。对于桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道,扣件参数的合理选择、伸缩调节器是否布置及布置原则、锁定轨温合理设置、梁轨相对位移与钢轨的受力变形关系等均与一般桥上无缝线路不同。此外,高速列车运行对桥上无砟轨道无缝线路振动冲击较大,无缝线路与桥梁结构的受力变形必须协调,需要研究车-轨-桥系统动力设计方法,并开展相应的现场试验研究。同时,基于新型测试手段开展长期监测技术的研究,对高速铁路无缝线路服役状态进行实时监控,把握其受力与变形规律,也是保证高速铁路无缝线路安全运行的关键。

4.高架站无砟轨道无缝道岔。高架站无砟轨道上铺设无缝道岔后,高架站与无缝道岔间的相互作用会影响车站梁体结构形式、支座布置、无砟轨道形式等的设计,同时还会影响无缝道岔的结构设计、道岔与高架站梁体的相对布置。除了考虑上述影响外,还必须考虑高架站与无缝道岔间存在的空间耦合动力作用。由于无砟轨道无缝道岔结构不平顺、碎弯变形、尖轨与心轨尖端上翘、开口等不平顺的影响,车-岔-桥的耦合作用无疑会增大岔区轮轨动力响应,严重情况下还可能引起尖轨及心轨破坏和列车运行平稳性与安全性降低,导致列车直侧向过岔时限速,这就要求桥梁结构形式、岔桥相对位置等设计中必须考虑车-岔-桥耦合振动的影响。为掌握高速列车通过时道岔、无砟轨道、高架站系统的动力学特性,需开展实车试验研究,对关键区域的安全性指标、动位移、振动加速度等进行测试,指导高架站无缝道岔的动力设计。此外,还需要使用稳定性好、精度高、抗干扰强的新型测试手段,对其长期受力与变形规律进行实时监测。

高速铁路设计和建设过程中,对高速道岔、长大桥梁无砟轨道无缝线路、高架站无砟轨道无缝道岔的诸多技术难点还把握不准。因此,理论分析与综合试验相结合,开展我国高速铁路长大桥梁、高架站无砟轨道无缝线路技术体系的研究,对指导我国高速铁路建设、有效解决高速铁路的建设和运营问题,具有重要的工程意义。为此,本书将以京沪高速铁路、郑西高速铁路等为背景,对高速道岔、长大桥梁及高架站无砟轨道无缝线路设计方法、跨区间无缝线路检算内容和评估方法、高速铁路无缝线路关键设计参数、无砟轨道无缝线路长期监测技术等进行深入的理论与试验研究,希望能为从事相关设计、施工、养护维修的铁路工作者提供参考,推动我国高速铁路无缝线路技术的不断发展。

本书共分八章,

第一章

介绍国内外路基上一般无缝线路、高速道岔、桥上无缝线路、桥上无缝道岔的研究应用现状及相关参数、检测监测技术、检算评估方法的概况;第二章通过理论分析、室内与现场试验,对设计锁定轨温、制动力摩擦系数、间隔铁阻力等高速铁路无缝线路关键设计参数的合理取值进行研究;第三章提出基于纵-横-垂向空间耦合模型的高速道岔设计方法及车-岔动力学模型,并对高速道岔的无缝化问题及长大坡道道岔、道岔合理焊接顺序等关键技术问题进行系统研究;第四章建立长大桥梁无砟轨道无缝线路的空间耦合静动力模型,对其相互作用规律及车桥耦合系统的动力特性、伸缩调节器的设置、CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固体系的力学特性等进行分析;第五章建立道岔-无砟轨道-桥梁-墩台空间耦合精细化模型,结合现场试验,对桥上无砟道岔的力学特性及参数影响规律进行研究;第六章基于协同仿真技术,建立车-岔-桥FORSYS一体化平台,对桥上无砟道岔的动力作用规律进行深入分析;第七章针对高速铁路无缝线路的特点,总结提出人工、基于修正应力-应变式、基于光纤光栅传感器技术的监测方法,并应用于典型工点;第八章建立高速铁路无缝线路检算方法及指标,对典型工点进行全面的检算评估。

在开展高速铁路无缝线路关键技术的研究中,得到铁道部运输局、科技司有关领导的亲切关怀与鼓励,得到国家自然基金、铁道部科技发展计划项目、教育部博士点基金项目、国家863项目的资助,得到铁道部副总工程师赵国堂研究员,京沪高速铁路股份有限公司杨启兵教授级高级工程师、魏强高级工程师、彭声应教授级高级工程师、答治华教授级高级工程师、赵健高级工程师,中铁第一勘察设计院集团有限公司魏周春高级工程师,铁道第三勘察设计院集团有限公司闫红亮高级工程师,郭鹂高级工程师、管吉波高级工程师,中铁第四勘察设计院集团有限公司孙立教授级高级工程师、李秋义教授级高级工程师,铁道科学研究院刘秀波研究员、蒋金洲研究员,中铁工程设计咨询集团有限公司许有全高级工程师,西南交通大学万复光教授、王平教授、刘学毅教授、李成辉教授,华东交通大学雷晓燕教授、刘林芽教授,香港理工大学谭耀华教授,各铁路设计院轨道、桥梁专家及铁一局、铁十二局、铁十四局、铁十五局、铁十七局、铁十八局等单位的大力支持与帮助。在本书的写作过程中,课题组成员蔡小培、肖宏、井国庆、朱力强等进行大量研究资料的收集整理,笔者的博士研究生乔神路、辛涛、曲村、侯博文、赵磊、王璞、崔日新等提供了丰富的算例;本书还参考了最近颁布的相关规范及国内外相关文献,对其编者或作者一并表示感谢。

作者水平有限,不当、疏漏之处在所难免,恳请广大读者批评指正。高 亮2012年于北京第一章

绪论

我国高速铁路广泛采用跨区间无缝线路结构,具有行车平稳、机车车辆及轨道维修费用低、线路使用寿命长等优点。无缝线路是世界铁路技术进步的重要标志,是与高速铁路相适应的轨道结构。与普速无缝线路相比,高速铁路无缝线路广泛采用无砟轨道、高架桥梁等稳定性好、可靠性高的轨下结构,能够有效保障高速列车的平稳安全运行。高速道岔是高速铁路跨区间无缝线路的重要组成部分,其结构与状态对列车运行的安全性、平稳性及旅客的舒适性产生直接的影响。作为影响列车行车速度和安全的关键设备,道岔在高速铁路中占有十分重要的特殊地位,其设计与运用受到各国铁路的关注。高速道岔的无缝化是延长道岔使用寿命,提高列车通过能力的关键。由于高速道岔导曲线半径大,限制条件多,结构复杂,平顺性要求高,对道岔无缝化后的受力变形要求严格,道岔无缝化设计的合理、可靠就成为高速道岔的核心问题。以桥代路、控制沉降是我国高速铁路重要的设计理念,高速铁路需要在大量的长大桥梁上铺设无砟轨道无缝线路。对于长大桥梁无砟轨道无缝线路,由于梁跨较大,梁体因温度变化产生的伸缩量、因列车荷载作用产生的挠曲量远远大于一般梁跨结构,导致无缝线路钢轨伸缩力、挠曲力也较大。同时,在列车制(启)动或桥上发生断轨时,对桥跨结构施加的附加力也比一般的桥梁大的多。长大桥梁在温度荷载作用下,梁体的纵向位移往往远大于钢轨的纵向位移,此时桥梁墩台和钢轨均承受巨大的纵向水平力。为解决这一问题,往往需要在长大桥梁上设置伸缩调节器、布置小阻力扣件或者在无砟轨道与梁体之间设置滑动层,而这又会给长大桥梁无砟轨道无缝线路带来更多的技术难题。受到环保、地形和地质条件的限制,高速铁路某些车站必须采用高架形式,这样就会有相当数量的道岔必须设置在桥上。高架站无砟轨道无缝道岔,综合了桥上无缝线路、无砟轨道、无缝道岔的技术特点和难点,是迄今为止跨区间无缝线路方面难度最大的课题之一。高架站与道岔间的空间相互作用不仅会影响车站梁体结构形式、支座布置、无砟轨道形式等的设计,同时还会影响无缝道岔的结构设计、道岔与高架站梁体的相对布置。除了考虑上述影响外,还必须考虑高架站与无缝道岔间的耦合动力作用。随着我国高速铁路建设的展开和无砟轨道的大量采用,高速无砟道岔的应用、长大连续梁桥上铺设无砟轨道无缝线路和无缝道岔已是不可避免。高速铁路采用无砟轨道后,路基无缝线路及道岔的力学特性更加复杂、梁-轨(岔)相互作用机理及设计参数与传统的有砟轨道也有明显不同;对于不同的无砟轨道结构,其结构形式及传力机理相差很大,需要结合高速铁路无缝线路的特点,对无砟轨道的适应性进行更加详尽的研究。为了确保高速铁路无缝线路的正常安全使用,需要对高速无砟道岔、长大桥上无砟轨道无缝线路和高架站无砟轨道无缝道岔的计算方法、计算参数、受力变形规律、检测和监测技术及检算和评估指标等进行系统研究。

第一节

高速铁路无缝线路的技术特点

为保证高速列车的平稳安全运行,高速铁路无缝线路必须具有高平顺性及高稳定性。为此,与传统无缝线路相比,高速铁路无缝线路采用更高的设计及施工标准。我国高速铁路跨区间无缝线路的主要技术特点包括:无砟轨道无缝线路、高速道岔无缝化、长大桥上无缝线路和高架站上无缝道岔。(一)无砟轨道无缝线路

无砟轨道取消碎石道床,轨道保持几何状态的能力得到提高,轨道稳定性相应增强,已成为高速铁路轨道结构的发展方向。与有砟轨道相比,无砟轨道更能适应高速铁路对于线路高稳定性、高平顺性及高使用率的要求。随着我国高速铁路无砟轨道的大规模铺设,CRTSⅠ型板式、双块式、CRTSⅡ型板式无砟轨道等得到广泛应用,形成高速铁路无砟轨道无缝线路。(二)高速道岔无缝化

我国高速铁路采用跨区间无缝线路,线路平顺性好,钢轨受力分布均匀,可保证轨道结构的高平顺性及高稳定性,实现高速列车的平稳安全运行。道岔无缝化是跨区间无缝线路的关键技术,18号、39号、41号、42号等多种道岔已经大量铺设于我国高速铁路。道岔的受力变形分析及动力特性已成为无缝道岔设计与应用的核心和主要难点,直接关系到高速铁路跨区间无缝线路的稳定性。(三)长大桥上无缝线路

为满足高速铁路跨越江河、山谷等的需要,桥梁长度及跨度不断增加,形成高速铁路长大桥上无缝线路。长大桥梁伸缩、挠曲变形大,梁轨相互作用复杂,列车制动或桥上发生断轨对结构施加的附加力也比一般桥梁大。如何减小梁轨相互作用是长大桥上无缝线路的核心技术。

随着我国高速铁路建设的开展,长大桥梁结构形式被广泛采用,长大桥上铺设无砟轨道和无缝线路是我国高速铁路建设的关键技术之一。对于长大桥上无缝线路,梁端设置钢轨伸缩调节器可以减少梁轨相互作用,但却影响行车舒适性,增加养护维修工作量,形成轨道结构的薄弱环节。钢轨伸缩调节器是否设置、如何设置一直是长大桥上无缝线路设计的难点。(四)高架站上无缝道岔

由于地质、地形条件或环保的要求,高速铁路无缝道岔需要设置在高架车站结构上,形成高架站上无缝道岔结构。高架站上无缝道岔涉及无缝道岔、桥上无缝线路、桥梁对道岔的适应性等相关问题,既要考虑无缝道岔中钢轨受力和变形的复杂关系,又要考虑桥上无缝道岔的梁轨相互作用,是迄今为止跨区间无缝线路方面难度最大的课题之一。

德国、法国、日本高速铁路上都曾在高架站上铺设无缝道岔,我国正在建设的高速铁路越来越多地出现道岔,并以各种形式布设在高架站上。高架站上无缝道岔技术已经成为高速铁路无缝线路的关键技术之一。

第二节

高速铁路无砟轨道发展概况

无砟轨道具有稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、养护维修工作量少等显著特点,是与高速铁路相适应的轨道结构。自20世纪60年代开始,为满足高速铁路发展的需要,许多国家相继开展了无砟轨道结构的研究与铺设,并得到不同程度的发展,其中以日本、德国最具代表性。我国也开展了对无砟轨道的一系列研究,在引进—消化—吸收—再创新的过程中取得一定的成果,并在实际建设运营中积累了大量的经验,形成具有我国自主知识产权的高速铁路无砟轨道技术。

一、国外发展现状

目前世界上高速铁路无砟轨道结构类型的发展方向可分为两类,即预制混凝土板式轨道和带轨枕或支承块的现浇混凝土式无砟轨道。其中预制混凝土板式轨道又分为单元板式(如日本板式轨道)和纵向连续板式(如博格板式轨道)。(一)日本新干线板式轨道

日本无砟轨道技术主要以新干线板式轨道结构为代表。20世纪70年代,板式轨道作为日本铁路建设的国家标准进行推广。因此,日本的板式轨道应用非常广泛。日本板式轨道主要由钢轨、扣件(扣件形式主要为直结型扣件)、轨道板、CA砂浆及底座等组成,见图1—1。

为节省建设成本,减小轨道板翘曲,改善横向应力分布,在标准A型轨道板的基础上,日本研制出普通混凝土和预应力混凝土框架式轨道板(图1—2),并自北陆、九州和东北(盛冈—八户)新干线开始推广应用。图1—1 整体板式无砟轨道图1—2 框架板式无砟轨道(二)德国Rheda型无砟轨道结构

德国的无砟轨道结构形式很多,主要有两大类,一类为整体结构,另一类为轨枕支承式结构。整体结构中又分为现浇混凝土型和预制板型两种。

Rheda型无砟轨道结构是德铁无砟轨道最主要的结构形式。Rheda型无砟轨道于1972年铺设于德国比勒菲尔德至哈姆的一段线路上,以Rheda车站而命名。在使用过程中进行了不断优化,从最初的普通型发展到现在的Rheda2000型。

Rheda2000型无砟轨道系统由钢轨、高弹性扣件、改进的带有桁架钢筋的双块式轨枕、现浇混凝土板和下部支承体系组成,见图1—3。(三)德国Züblin型无砟轨道

Züblin(旭普林)型无砟轨道于1974年开发,见图1—4。Züblin型无砟轨道结构形式与Rheda2000型无砟轨道基本相同,但其双块式轨枕下部不露钢筋,中间由钢筋桁架相连。Züblin与Rheda的主要差异是在施工方式上。Züblin的施工方式是在现场混凝土道床板浇筑以后,通过振动方式将轨枕“振入”到新鲜的混凝土中,使轨枕和道床板成为一个整体结构。此时的混凝土必须具有一定的密度,以确保只能将轨枕“振入”其中,而不允许轨枕靠重力“沉入”其中。图1—3 Rheda2000无砟轨道基本组成(1998)

Züblin型无砟轨道主要优点为,结构整体性强,新老混凝土的结合面连接强;道床板混凝土的密实度较好;施工精度、机械化程度高。(四)德国博格板式无砟轨道

博格(Bögl)板式无砟轨道系统(图1—5)的前身是1977年铺设在德国卡尔斯费尔德—达豪的一种预制板式无砟轨道。博格公司对达豪试验段预制板式轨道进行包括预应力、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进,并为轨道板施工研制了成套设备,使得博格板式轨道施工机械化程度高于一般轨道结构。1999年,博格公司分别在卡尔斯鲁尔—海德堡的罗特马耳西车站铺设了656m(直线)Bögl轨道试验段、汉堡—威斯特兰德的哈特斯德特铺设了285m(曲线)Bögl轨道试验段,试验效果良好。2006年5月,投入运营的纽伦堡—英格施塔特线铺设了35km(双线)的Bögl轨道,设计速度330km/h。图1—4 Züblin无砟轨道图1—5 博格板式无砟轨道

路基上博格无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、砂浆调整层及水硬性材料支承层等部分组成。曲线地段超高在路基表层设置,其抵抗纵横向作用力的方式是轨道板间纵向螺杆和夹紧装置联结。(五)其他国家和地区无砟轨道

除了德国和日本外,许多国家和地区也进行了无砟轨道的试验和试铺。法国高速铁路以有砟轨道为主,但在TGV地中海线的一座长7.8km隧道内试铺了双块式(VSB型)无砟轨道结构。英国自1969年开始研究和试铺PACT型无砟轨道,到1973年正式推广,并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、隧结构上应用,铺设总长度约为80km。瑞士国铁于1966年在隧道内首次采用弹性支承块式无砟轨道结构(LVT),最高速度200km/h的英吉利海底隧道也采用弹性支承块轨道,此外,丹麦,韩国,法国,葡萄牙等国也采用了此种轨道结构。我国台湾地区高速铁路(台北—高雄)全线采用无砟轨道,区间高架桥上均为框架板式无砟轨道结构,站内及两端300m区段采用Rheda 2000型无砟轨道。

二、国内发展现状

我国对无砟轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床及框架式沥青道床等几种形式,正式推广应用的仅有支承块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1km的隧道内铺设,总铺设长度约300km。

进入90年代以来,我国开始针对高速铁路无砟轨道技术进行试验研究,在西康线秦岭隧道铺设了弹性支承块式无砟轨道,在秦沈客运专线双何、狗河、沙河桥上及渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道内分别试验铺设了长枕埋入式和板式无砟轨道。

为在我国高速铁路铁路积极推广无砟轨道技术,2004年铁道部决定在遂渝线建设成区段的无砟轨道综合试验段,通过综合试验段的实际试铺,以系统研究解决不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、过渡段、结构承载力及耐久性、路基结构形式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减振降噪措施及无砟轨道对ZPW-2000轨道电路的适应性等关键技术,为研究并推广具有自主知识产权的无砟轨道技术积累经验。

自2005年开始,铁道部先后引进国外高速铁路先进成熟的无砟轨道系统,包括德国的Bögl型、Rheda2000型、Züblin型及日本板式轨道的设计、制造、施工及相关接口技术。与此同时,成立了无砟轨道再创新攻关组,积极开展无砟轨道再创新的研究工作,使我国的无砟轨道结构获得迅速的发展。

京津城际是国内最早开工建设和最早建成的第一条高标准客运专线。为了满足高速铁路列车运行的平顺性和稳定性,铁道部组织专家论证,确定全线采用改进型的博格板式无砟轨道系统。作为我国第一条最高速度350km/h的客运专线,京津城际轨道交通工程既是我国铁路跨越式发展的标志性和示范性工程,同时也是2008北京奥运会交通配套工程。京津城际铁路铺设CRTSⅡ型无砟轨道,对于我国的高速铁路建设有着重要的借鉴意义。

为了在自主研发和引进消化吸收无砟轨道技术的基础上,实现我国铁路无砟轨道技术再创新,尽快形成具有我国自主知识产权、世界一流水平的无砟轨道技术体系,铁道部建设了武广高速铁路武汉综合试验段,并开展无砟轨道技术再创新试验研究。试验段内轨道类型有Rheda2000双块式无砟轨道和再创新的双块式、单元板式、纵连板式无砟轨道,以及道岔区轨枕埋入式等5种类型。

为适应发展高速铁路的需求,我国先后研发了CRTSⅠ型板式、CRTSⅠ型及Ⅱ型双块式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式无砟轨道等结构形式,并在郑西高速铁路、哈大客运专线、京沪高速铁路等得到成功应用。(一)CRTSⅠ型板式无砟轨道

CRTSⅠ型板式无砟轨道(图1—6)由预制混凝土轨道板、凸形挡台及周围填充树脂、水泥乳化沥青砂浆调整层及钢筋混凝土底座等组成。曲线超高在底座上设置。水泥乳化沥青砂浆充填层厚度50mm,减振型板式轨道的水泥乳化沥青砂浆厚度40mm。凸形挡台分圆形和半圆形,半径260mm,其周围填充树脂的厚度40mm。(二)双块式无砟轨道

路基地段双块式无砟轨道(图1—7)由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、支承层等部分组成,道床板为纵向连续的钢筋混凝土结构,曲线超高在基床表层上设置。桥梁地段双块式轨道结构由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、隔离层、底座(或钢筋混凝土保护层)、凹槽(或凸台)周围弹性垫层等部分组成。道床板或底座沿线路纵向分块,间隔缝100mm。道床板宽度范围的底座或保护层顶面铺设隔离层。曲线超高在底座或道床板上设置。图1—6 CRTSⅠ型板式无砟轨道图1—7 双块式无砟轨道(三)CRTSⅡ型板式无砟轨道

路基地段CRTSⅡ型板式无砟轨道结构由钢轨、弹性不分开式扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、支承层等部分组成,见图1—8。曲线超高在基床表层上设置。桥梁地段轨道结构由钢轨、弹性不分开式扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、底座板、滑动层、高强度挤塑板、侧向挡块及弹性限位板等部分组成。台后路基设置锚固结构(包括摩擦板、土工布、端刺)及过渡板。曲线超高在底座板上设置。

此外,基于“桥上单元,路基纵连”、“按单元板制造、按纵连板施工、形成双块式受力”的设计理念,我国自主研发出CRTSⅢ型板式无砟轨道(图1—9),并应用于成灌线、盘锦客运专线、武汉城市圈城际铁路等工程。图1—8 CRTSⅡ型板式无砟轨道图1—9 CRTSⅢ型板式无砟轨道

第三节

高速铁路无缝道岔研究现状

高速道岔是高速铁路无缝线路的重大技术环节。当轨温相对于锁定轨温发生变化时,道岔区钢轨将承受纵向力以及产生相应位移,将直接影响到道岔的强度、稳定性及高速行车的安全性。对于高速道岔,岔内钢轨接头焊接或胶接,且道岔两端与无缝线路长轨条焊连,形成直股和侧股都无轨缝的道岔。由于两侧轨条数量不同,其力的不平衡和位移的改变直接影响到高速道岔的安全使用。此外,高速道岔还受到刚度变化、温度梯度等岔区无砟轨道因素的影响,受力变形更为复杂,对结构安全性、列车运行平稳性等均提出更高的要求。

一、高速道岔的发展应用

高速铁路最为发达的国家过去有法国、德国和日本,这三个国家都根据道岔的研究实践和使用经验,分别研制出高速道岔并投入运用。现在,我国经过不断的研发和改进,也已经形成自己的高速道岔系列。(一)国外高速道岔

1.德国道岔

德国道岔的先进技术,以BWG道岔为代表。BWG道岔采用多机多点牵引方式,尖轨分动,由控制电路实现同步。转辙连杆设置于钢岔枕中,安装调整比较容易。采用S700K型转辙机,要求转换力不大于6kN,锁闭力大于90kN。HRS钩型外锁可满足尖轨、心轨伸缩位移的要求。采用Rodamaster2000道岔监测系统,可对尖轨的位置、转辙机牵引电流等进行同步监测。BWG道岔采用了高弹性的硫化橡胶基板,并合理设置道岔前后过渡段长度和刚度,能够保证道岔区各部位的轨道整体刚度一致,减缓列车在道岔内的振动。

BWG道岔尖轨采用整根钢轨制造,尖端附近采用轨距加宽15mm的处理技术(FAKOP技术),能够改善尖轨范围内的动力不平顺,延长尖轨使用寿命。心轨尖端为整体结构,采用与钢轨相同材质的钢坯机加工而成,并与长短心轨焊接。长短心轨在焊接断面后设置4~5块间隔铁式顶铁,再往后一直到固定点设置内轨撑。辙叉跟端下部设置很长的大垫板,心轨与心轨、心轨与翼轨间长大间隔铁通过螺栓与大铁垫板连接,同时还有横向螺栓连接,心轨的不足位移通过预加反向变形消除,控制标准在2m范围内为0.5mm。翼轨用UIC60钢轨制作,轨腰设扁长圆孔,心轨的牵引杆件从轨腰穿出。心轨在与翼轨密贴时,顶铁的扣压面和心轨轨底上斜面的间隙为1mm,能够限制心轨的跳动。BWG道岔轨下基础分为有砟和无砟两种类型。既有线路道岔区轨下基础采用有砟轨道,长岔枕采用柔性铰接。高速线路轨下基础采用无砟轨道。

2.法国道岔

法国拥有道岔世界速度纪录,道岔技术以科吉富为代表。1975年开始,科吉富公司就成为法国国铁最紧密的合作伙伴。法国高速铁路采用的道岔最大号码为65号,最小为15.3号。65号道岔的侧向速度为230km/h,15.3号为80km/h。65号和46号道岔采用圆缓线型,其余采用圆曲线型。

法国高速道岔尖轨材质为UIC60D不淬火整长钢轨,尖轨跟端不设跟端限位器,通常采用刚性滑床板。心轨采用双肢弹性可弯、高锰钢铸造翼轨结构。长短心轨用UIC60D钢轨拼接而成,短心轨始端约在长心轨50mm断面处并嵌入长心轨中。长短心轨用螺栓连接,轨头与轨底的联结面密贴。心轨跟端设有长间隔铁,用防松螺栓连接。翼轨前后与普通钢轨焊接。为保证心轨的自由伸缩,道岔辙叉部分安装Paulve道岔转换状态检查器。

法国道岔采用一机多点牵引方式,尖轨联动,在第一牵引点设置外锁闭装置,其他牵引点通过直角拐和导管由转辙机间接锁闭。采用MCEM91型转辙机,安装在岔枕上。要求转换力控制在7kN以内,锁闭力大于5.2kN。尖轨采用VCC拐肘型外锁,适应尖轨伸缩位移量可达±50mm。心轨采用VPM拐肘型外锁,适应心轨位移量为±10mm。

法国高速线路岔区轨道刚度为75~105kN/mm,区间轨道刚度为50~80kN/mm,道岔前后分别采用5根岔枕进行刚度过渡。岔区扣件系统刚度设计的原则为:岔枕的垂向位移应不超过0.5~0.7mm,钢轨的垂向位移应不超过1mm;在较大动荷载作用下,道床提供一定的弹性。法国高速铁路道岔区全部采用混凝土岔枕。

3.日本道岔

日本道岔技术自成体系,以铁道机器(株)公司为代表。日本最早于1964年前后开始研制18号高速道岔,除了18号道岔,日本高速铁路使用的道岔主要有12号、14号、16号、30号和38号。其中,18号用于进站停车和出站,38号用于高速线出岔,14号用于到发线间的连接,16号用于段线,12号用于站线。

日本采用高锰钢整铸框架式翼轨,长短心轨也采用高锰钢铸造,为滑动接头,属单弹性支。岔区设1∶40轨底坡。道岔采用一机多点的转换方式,但不设置道岔监测系统。日本道岔采用刚性扣件,不设橡胶垫板,双层铁垫板实现无级调距,弹性扣压通过弹簧垫圈实现。(二)我国高速道岔

我国铁路高速道岔的研发始于2005年6月,分为两个阶段。第一阶段为2005年6月至2006年12月,历时1.5年,研制出250km/h有砟和无砟道岔;第二阶段为2007年2月至2008年12月,历时1年10个月,研制出350km/h无砟道岔。

我国客运专线道岔主要分为250km/h和350km/h两个速度系列,道岔号数有18号、42号和62号3个号码。高速道岔设计参数见表1—1。表1—1 客专高速道岔设计参数

我国客运专线道岔基本轨、导轨均采用国产60kg/m钢轨制造,尖轨、心轨采用60D40钢轨制造,尖轨、心轨可动部分采用整根钢轨制造。钢轨件材质为U71Mn(K)或U75V,要求道岔钢轨与区间钢轨材质一致。

道岔尖轨采用藏尖式结构,藏尖深度为3mm。转辙器部分扣件系统采用瑞士施维格公司开发的“几”形弹性夹扣压基本轨,在部分滑床板上安装了该公司配套的辊轮系统,安装位置沿岔枕方向可调,辊轮高度可在-0.5~+6.0mm之间调整。尖轨跟端采用Ⅱ型弹条扣压。滑床台均采用减摩涂层。为防止斥离尖轨在列车通过时跳动,加设了多对尖轨防跳限位装置。

18号道岔长短心轨进行拼接处理,具有制造简单、实现容易的特点。由于侧向速度较高,42号、62号道岔心轨采用双肢弹性可弯结构,取消了尖轨后端的斜接头,将短心轨直接与线路钢轨连接,改善了列车侧向通过时的运行条件。采用可动心轨辙叉,可减少轮轨动力效应,降低轨道养护维修费用,提高行车安全性和舒适性。

道岔尖轨及心轨转换采用多机多点牵引方式。18号道岔尖轨设3个牵引点,心轨设2个牵引点;42号道岔尖轨设6个牵引点,心轨设3个牵引点;62号道岔尖轨设6个牵引点,心轨设3个牵引点。尖轨外锁闭机构主要由锁闭杆、锁闭框、锁钩、尖轨连接铁和防护罩组成,心轨外锁闭机构由锁闭杆、锁闭框、锁钩组成。心轨外锁闭机不仅适应心轨自由伸缩,而且稳定可靠,通过改用轧制翼轨、优化工电结合部部件结构,解决了心轨转换时外翻及4mm不锁闭的问题。

客运专线道岔的主要扣件结构为带铁垫板的弹性分开式结构,铁垫板上部结构为有螺栓扣件系统。钢轨与铁垫板间的橡胶垫板主要起缓冲冲击作用,铁垫板与混凝土岔枕间设弹性垫层以发挥系统弹性作用。铁垫板与混凝土岔枕采用螺栓与预埋套管配合紧固方式联结。通过合理设置扣件系统刚度,解决岔区轨道刚度合理化和均匀化问题。

我国高速铁路岔区无砟轨道有长枕埋入式和板式两种形式。岔区长枕埋入式无砟轨道由横向穿孔轨枕、道床板、底座等构件组成,铺设在桥上时在道床板和底座之间设置隔离层;底座采用C40混凝土现场浇筑,与基础上的预留钢筋浇筑成为一个整体;道床板也采用C40混凝土进行现场浇筑,浇筑前将轨枕润湿,以保证轨枕和道床的粘结。岔区板式无砟轨道由多层结构组成,自下而上为防冻层、找平层、混凝土支承层和道岔板(预制);找平层铺设在防冻层上,厚度为20cm,混凝土强度等级为C20(C25);混凝土底座板是厚度为18cm的钢筋混凝土结构,混凝土强度等级为C40,自流动性强;预制道岔板板厚为24cm,混凝土强度等级为C55,钢筋混凝土结构,其长度和宽度随道岔几何尺寸确定。

二、高速无缝道岔的设计理论

国外如欧洲已有部分国家铺设了不少无缝道岔,在铺设与焊接工艺上积累不少成熟经验,并发展了一些无缝道岔计算理论。

德国无缝道岔纵向力的计算采用有限元法,假定基本轨为岔枕的支承点,在导轨力的作用下,岔枕产生弯曲变形,导轨通过岔枕传递至基本轨的纵向力与岔枕刚度、扣件阻矩等有关。轨温变化25℃时,12号无缝道岔的理论计算结果表明,在尖轨跟端位置,基本轨的附加纵向力最大,约为基本温度力的37%。

法国在路基无缝道岔设计中,提出基本轨温度力峰值约为固定区温度力的1.4倍。日本铁道技术研究所的柳川秀明和三浦重在进行温度荷载作用下无缝道岔纵向力分布试验的基础上,提出了计算模型和计算方法,并对无缝道岔的受力变形进行分析。此外,国际铁道联盟委托欧洲铁道研究所研究了纵向列车荷载下无缝线路的爬行机理,建立无缝道岔有限元分析模型。

我国自20世纪90年代铁道部组织开展无缝道岔研究以来,各科研院校投入大量的精力进行研究和试验,相继形成不同的无缝道岔设计计算理论,并在我国既有道岔的无缝化改造中发挥了重要作用。

1.两轨相互作用的计算方法

两轨相互作用的计算方法采用“两轨相互作用”的原理,由中国铁道科学研究院(以下称铁科院)卢耀荣研究员提出。对于可动心轨道岔,该方法采用以下基本假定:①12号以上的道岔,可采取分离两股钢轨分别计算;②无缝道岔从锁定轨温一次升温或降温,基本轨受力计算时,忽略扣件阻矩影响;③钢轨件及道床纵向阻力为非线性函数,计算模型以约束弹簧表示。根据作用于导轨力的平衡条件、限位器力的平衡条件、基本轨与导轨的位移相容条件、作用于基本轨力的平衡条件进行求解,得出导轨、基本轨的纵向力和位移。

2.解析法

西南交通大学蔡成标、王其昌教授提出无缝道岔钢轨温度力力学解析模型,其基本假设为:扣件阻力大于道床阻力,且道岔区范围内每根轨枕的道床阻力与其长度成正比。根据基本轨力的平衡条件、长轨条力的平衡条件、导轨及翼轨力的平衡条件、基本轨的变形协调条件,采用牛顿-拉斐逊方法,通过编制程序求解道岔受力及变形。

3.超静定二次松弛法

兰州交通大学许实儒、童本浩教授提出用一种基于结构力学基础上的三节点力学模型和二次松弛法来分析无缝道岔的受力与变形特性。按照结构力学解超静定结构的松弛法原理,首先将各节点锁住,求出此时各轨节温度力,然后将轨节点放松,节点产生位移,随着位移的发展,道床纵向阻力将发挥作用,直到节点受力平衡为止。按此条件即可求出各节点位移和各杆的温度力,后再将尖轨跟部和基本轨间的约束去掉,导轨将产生相对基本轨的位移,引起各轨内力分布,从而求得最终分析结果。

4.广义变分原理的计算方法

中南大学陈秀方教授等提出将广义变分原理应用于铁路无缝道岔结构体系的分析,在假设钢轨纵向位移函数的基础上,计算无缝道岔结构体系各部分的能量,设体系的总势能为П,则1234Π=U +U +U +U   (1—1)123式中,U 为轨枕弯曲形变位能;U 为钢轨轴力作用的应变能;U 4为道床阻力耗散功;U 为扣件阻力耗散功。

由势能驻值原理可知,结构体系处于平衡状态时,其势能的一阶变分等于零。另外,根据边界条件和变形协调条件,即可建立相应的非线性方程组,利用数值解法求解得出道岔的受力及变形。

5.当量阻力系数法

北京交通大学(以下称北京交大)范俊杰教授认为道岔是一个整体结构,道岔各股钢轨之间通过岔枕、扣件及其他部件而相互连接。同时道岔又铺在道床中,道岔各股钢轨的受力与变形也将受到道床阻力的影响,因而在计算无缝道岔的受力与变形时要考虑各种部件的作用及其对无缝道岔受力与变形的影响程度。为简化计算,用一个“当量参数”来综合考虑各种影响。如前所述造成道岔里轨产生伸缩位移和基本轨承受附加温度力的根本原因是道岔里轨的末端承受有巨大的温度力,这一温度力首先使里轨产生位移,与此同时又会通过岔跟结构(限位器)、岔枕的弯曲刚度、钢轨扣件的阻距把一部分温度力传给基本轨。在传力的过程中当然会受到道岔道床阻力的影响,最终形成道岔基本轨的附加温度力。显然,道岔里轨的伸缩位移与道岔基本轨的附加温度力是相关联的,但是里股刚轨的伸缩位移是第一位的,应当首先算出。得知里轨伸缩位移之后,才能精确地掌握限位器的接触状况、岔枕的弯曲变形,进而求得道岔基本轨的附加温度力及道岔其他部件的受力情况。

6.有限元法

为对道岔进行精确分析,更好适应铁路提速后道岔检算的需要,笔者建立基于有限元方法的纵-横-垂向耦合无缝道岔非线性计算理论,形成了基于纵-横-垂向空间耦合模型的无缝道岔精细化设计方法。这种设计方法考虑了尖轨、心轨截面的实际变化、限位器安装误差、牵引点之间的位移耦合以及钢轨的纵向位移对轨距的影响等因素。此外,还考虑到行车方向对道岔尖轨、心轨尖端位移的影响及基本轨前侧仅单侧有扣件的实际情况。

这种方法对道岔结构的考虑较为详尽,可按实际情况考虑基本轨与导轨间的相互作用关系,道床、扣件阻力均可为非线性阻力,取值可与实测值一致;考虑限位器、间隔铁等部件的实际传力作用,并可详细得出每一组限位器、间隔铁的受力;可计算不同尖轨跟端结构形式及各种工况的无缝道岔的力学特性,并对道岔进行结构检算,进而得出满足各项控制条件的可铺设轨温变化幅度范围;可对采用不同尖轨跟端结构形式的无缝道岔的尖轨钢轨横向变形进行计算分析与比较;还可对限位器结构的铺设与养护维修、扣件阻力的合理选择和翼轨末端间隔铁的合理布置方法等提供指导意见。

高速铁路列车速度较高且多采用无砟轨道结构,对道岔的受力、变形及几何形位的要求均较普通无缝道岔更严格。当轨温变化幅度较大时,高速铁路无缝道岔易形成碎弯,可能影响到列车高速通过道岔时的行车安全性和旅客舒适性;岔区无砟轨道在长期反复荷载作用下发生变形,也有可能影响道岔的几何形位。对于高速铁路无缝道岔而言,不仅需要进行常规检算,还应对道岔及岔下基础的垂横向受力变形进行深入研究。为此,有必要结合高速道岔的特点,建立更加完善的高速铁路无缝道岔设计方法。

第四节

长大桥梁无砟轨道无缝线路技术

高速铁路跨越地界广、地形要素多样,跨越大量江河、山谷,桥梁长度及跨度不断增加,形成高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路。与传统桥上无缝线路相比,长大桥梁在温度荷载、车辆荷载作用下的变形明显较大,梁轨相互作用非常复杂。从20世纪60年代中后期起,随着桥上无缝线路日益增多,国内外关于桥上无缝线路受力与变形问题的研究进入一个新的历史时期,对其进行大量的理论和试验研究。经过几代铁路工作者的不断努力,我国桥上无缝线路的研究与实践取得了显著的成绩,跨越大江、大河的长大桥上均铺设了无缝线路,铺设规模世界领先。

一、桥上无缝线路的发展应用(一)国外桥上无缝线路

1.德国桥上无缝线路

德国将铺设无缝线路的多跨简支梁按结构分为高架桥和山谷桥,铺设无缝线路的多跨简支梁最大跨度为60m。德国对桥上无缝线路纵向力的传递很重视,高速铁路的某些桥梁设有专门传递纵向力的结构,如RSB传力杆、桥上徐变连接器(相当于水平支座)等传力装置及纵向连接器等。目前,德国高速铁路铺设无砟轨道的最大跨度桥梁为科隆至法兰克福的美因河桥,其主跨为130m。

德国规定桥上设置钢轨伸缩调节器的温度跨度为:混凝土梁180m;钢梁120m。新型SAV系列伸缩调节器采用尖轨固定、基本轨伸缩的方式,最大动程为830mm,可适应不同温度跨度桥梁伸缩对钢轨的作用。

2.日本桥上无缝线路

20世纪50年代,日本国铁研究所为修建东海道新干线开始进行桥上无缝线路的研究,根据理论研究和现场试验结果,建立桥上无缝线路伸缩力的计算理论和计算方法,此后将这一成果广泛应用于新干线桥上无缝线路的设计。日本《全国新干线网建筑物设计规范》中规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件,并在墩台设计中考虑了线路纵向力的作用。

日本根据桥长的不同来决定伸缩调节器的设置与桥上线路纵向阻力等参数,并进行了大跨度混凝土桥上无砟轨道无缝线路的研究与实践。日本高速铁路铺设无砟轨道的最大跨度桥梁为第二千曲川大桥,其主跨为135m。

对于明桥面上跨度60m及以上的桥梁,日本铁路在桥梁活动端均设置钢轨伸缩调节器。适应高速铁路的伸缩调节器有JIS50N轨和JIS60轨系列产品,动程分为±62.5mm、±100mm、±200mm等,形式为曲线刨切。

3.其他国家及组织

国际铁路联盟(UIC)试验研究所(ORE)于1966年成立D101委员会,专门对桥上无缝线路的制动力和启动力进行多方面的研究,前后延续了十几年,包括各种类型桥梁的轨面制动力率和有效制动力率的测试。随着桥上无缝线路研究的深入,国际铁路联盟编制了《梁轨相互作用计算的建议》(UIC774-3),作为桥上无缝线路的设计参考。

美国铁路规定,桥上铺设无缝线路时,对于跨度不小于300英尺(91.4m)或总长大于500英尺(152.39m)的钢梁桥,在梁的活动端应设钢轨伸缩调节器;桥上轨道要安设弹簧防爬器,其数量视桥跨长度而定。(二)我国桥上无缝线路

从20世纪60年代开始,我国曾对铁路桥上无缝线路梁轨相互作用的原理进行大量试验研究,对不同跨度桥梁的桥上无缝线路受力机理进行了深入探讨,为桥上无缝线路的铺设提供了理论和方法。90年代后,我国相继在武汉长江大桥、南京长江大桥、九江长江大桥、济南黄河大桥、洛阳黄河大桥、三道坎黄河大桥及广深线石龙特大桥上铺设无缝线路。秦沈客运专线在国内首次采用新建铁路一次性铺设跨区间无缝线路技术,其中多座混凝土连续梁上铺设了跨区间无缝线路。

近年来,随着我国高速铁路建设的大规模开展,京津城际铁路、武广高速铁路、郑西客运专线及京沪高速铁路都已相继建成并开始运营,大跨度混凝土桥上铺设无砟轨道无缝线路成为我国高速铁路建设的关键技术之一。

我国在武广高速铁路和郑西高速铁路上铺设了双块式无砟轨道,在沪宁城际铁路全线铺设了单元板式无砟轨道。对于桥上双块式和单元板式无砟轨道无缝线路,主要通过扣件进行梁轨相互作用力的传递。为减少梁轨相互作用,大跨度桥上需要采用小阻力扣件。但在温度力的作用下,长大桥梁梁端处小阻力扣件的爬行量较大;且为防止钢轨爬行或者在低温断轨时钢轨断缝值过大,扣件纵向阻力也不宜太小。

桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟轨道是一种全新设计理念的无砟轨道结构,CRTSⅡ型板式无砟轨道系统通过采用隔离层以减弱轨道和线下基础间相互作用,隔离层包括两种类型,一是桥上底座板和梁面间的“两布一膜”,又称之为“滑动层”;二是台后底座板与摩擦板间的“两层土工布”。通过采用“两布一膜”滑动层,减小梁体伸缩对轨道结构的受力的影响;而台后底座板和摩擦板间的两层土工布主要是为了避免摩擦板区段的集中受力。CRTSⅡ型板式无砟轨道系统不仅改变了无砟轨道的设计理念,同时也对桥上无缝线路设计产生深远影响。由于底座和梁面之间设置了滑动层,彻底改变了传统梁轨相互作用的力学传递机理,从理论上讲,如果滑动层处于理想状态时摩擦系数比较小,可以减弱温度变化和列车荷载引起的梁轨相互作用,减少轨道和桥梁承受的纵向附加力,有利于桥梁和轨道的受力和变形。

目前,我国已相继制定实施了《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》、《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》、《铁路轨道设计规范》、《京沪高速铁路设计暂行规定》、《新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定》、《高速铁路设计规范(试行)》等,这些规范在不同的时期规定了桥上无缝线路纵向力计算及结构设计方法,反映出我国桥上无缝线路的发展历程。(三)我国大跨度桥上无缝线路

1.大跨度桥上有砟轨道无缝线路发展应用概况

我国铁路上铺设无缝线路总长度超过200m的桥梁,至少已有500座,其中著名的有武汉长江大桥(主桥3×128m连续钢桁梁)、南京长江大桥(主桥3×180m连续钢桁梁)、九江长江大桥(图1—10,主桥180m+216m+180m连续钢桁梁)、芜湖长江大桥(主桥180m+312m+180m连续钢桁混凝土板结合梁),济南黄河大桥(图1—11,主桥112m+2×120m+112m连续钢桁梁)、孙口黄河大桥(主桥4联108.9m+2×108m+108.9m连续钢桁梁)、钱塘江二桥(主桥8×80m混凝土连续梁)、马口河特大桥(主桥60m+100m+100m+60m混凝土连续梁)、驷步河特大桥(主桥60m+108m+60m混凝土连续梁)等。

秦沈客运专线在国内首次采用新建铁路一次性铺设跨区间无缝线路技术,在181座大中桥上铺设了无缝线路。柳树屯特大桥(主跨40m+64m+40m)、跨阜锦公路特大桥(主跨48m+80m+48m)、

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