1、东南大学硕士学位论文桥上无缝线路纵向附加力的计算姓名：倪巍丽申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：叶见曙;陆勤丰20090228，龃，。，羽屯：，东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东 南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：也立圣日期：型掣：笙！东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国
2、家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被 查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：在皿导师签名：嵫日期：兰牡镕一章绪论第一章绪论无缝线路概述概述在无缝线路问世之前， 传统的有缝线路钢轨标准长度一般为或，钢轨之间采用钢轨接头连接， 图为有缝线路接头区的基本组成。有缝线路的钢轨接头既是轨道结构不可缺少的组成部分，又是轨道结构的薄弱环节。由于列车
3、通过接头时发生对钢轨的冲击和振动，冲 击力最大可达到非接头区倍以上，影响了行 车平顺和乘客舒适度，并促使道床松散，加快材料磨损，维修费用增加。根本性的解决办法是把薄弱的钢轨接头焊接起来，成 为长钢轨。圈有缝线路接头区的基车组成随着经济的飞速发展，各经济发达国家高速铁路的建设也产生了飞跃，对铁路行车安全和舒适度要求的进一步提高，所谓无缝线路，就是把钢轨焊接起来的线路，也称焊接长钢轨轨道（，简称）我国铁路规定，无缝线路上的钢轨焊接长度至少，而 实际上无缝线路的钢轨焊 接长度一般都在以上。近年正试验开发超长无缝线路， 钢轨的焊接长度将贯通整个区间，并连同道岔焊接在一起，钢轨焊接长度将扩展到几十公里，
4、甚至几百公里，真正成为名副其实的无缝线路。国内外铺设无缝线路的实践经验证明，无缝线路与有缝线路相比，它在技术经济上有明显的优越性。因 为线路上减少了大量钢轨接头，行车阻力小，噪声低，可 显著提高列车运行平稳性和舒适度；降低机车车辆及轨道维修费用，延长使用寿命。实验表明，在各种机车车辆运行时，钢轨接头的消除可降低运行的基本阻力：减少用于车辆和机车走行部分修理费用：降低线路日常维护及修理支出“。无缝线路是轨道结构技术进步的重要标准，也是高速、重载轨道结构的最优选择，以无可争议的优越性为各国铁路所认同。世界各国在高速铁路和快速客运专线上均铺设无缝线路。截至年底，我国铺设第一章绪论无缝线路已达（其中未
5、包括城市轨道交通无 缝线路里程），占运行 总里程的。世界各国无缝线路铺设数量统计见表。曙表世界各国无缝线路数量统计国家法国德国英国美国俄罗斯日本中国无缝线路总长（）无缝线路占级线占新干线的，占营运线路占既有线比例（）无缝线路的组成和分类无缝线路结构按运营模式分，有三种类型即温度应力式无缝线路、定期放散应力式无缝线路和自动放散应力式无缝线路。目前，世界各国铁路广泛推广应用温度应力式无缝线路。温度应力式无缝线路在长轨条之间或长轨条与道岔之间设置根缓冲轨或钢轨伸缩调节器，构成缓冲区。随着钢轨温度的变化，在无 缝线 路的两端一定长度范围内，长轨条克服钢轨接头阻力、扣件及轨枕的纵向位移阻力而伸缩，这一范
6、围称为伸缩区。每段无缝线路的中间部分称为固定区。随着钢轨温度的变化，固定区不产生纵向位移而产生温度力，其量值大小与钢轨温度变化幅度及钢轨截面积成正比，而与钢轨的长度无关，该类型结构简单，铺设方便，但温度 应力高。温度应力式无缝线路轨道布置示意图见图。长钢轨标准长度钢轨长钢轨一卜叫卜一卜一卜叫卜一缓冲区图温度应力式无缝线路轨道布置图自动放散温度应力式系在焊接长钢轨两端设置钢轨伸缩调节器，随时释放温度应力，以消除温度应力和桥梁伸缩附加力的影响，适用于特大桥及温差较大的地区。定期放散应力式，结构形式同温度应力式，只是在放散时松开长钢轨的全部扣件，使它自由伸缩。适用于温差较大的寒冷地区。无缝线路按照其
7、所在区段划分，可以分为：路基上无缝线路、桥上无缝线路、岔区无缝线路、小半径地段无缝线路、寒冷地区无 缝线路和大坡道地段无缝线路等等。根据无缝线路长度，是否跨越车站，可以分 为普通无缝线路和跨区间无缝线路。根据长钢轨的连接形式，可以分为焊接无缝线路和冻结无缝线路（又称为“准无缝线路）桥上无缝线路桥上无缝线路，作为无缝线路中重要的组成部分，其作用和重要性是不言而喻地。桥上无缝线路不同于一般铺设在路基上的无缝线路。桥跨结构因温度变化而伸缩，同时受到列车荷载作用而挠曲，因此， 桥上无缝线路除受机车车辆荷载，轨温变化和列车制第一苹绪论动作用外，还将受到桥跨结构伸缩变形引起的伸缩附加力和挠曲变形引起的挠曲
8、附加力。与此同时，钢轨也对桥跨结构施加大小相等方向相反的反作用力。 桥上无缝线路一旦断裂，不仅 危及行车安全，也将对桥跨结构造成断轨附加力，所有这些均将通过桥跨结构而作用于墩台上。桥上无缝线路设计在进行桥上无缝线路设计时，设计的关键问题主要有：（）桥上无缝线 路的纵向力在桥上铺设的无缝线路，纵向力是无缝线路设计的重要因素。在钢轨强度检算时要考虑温度应力和钢轨附加应力值钢轨温度每变化臼钢轨内部将产生脱阮的温度应力晗。根据文献研究，某预应力混凝土简支梁桥，钢轨内部将产生彪砌的附加应力值。对于 桥梁墩台的检算，必 须考虑纵向水平力的作用，墩台所受的伸缩力可达删轨 以上，其断轨力达删轨。因此，考虑无缝
9、线路纵向力的荷载组合对桥梁下部结构设计一般起控制作用。纵向力研究是桥上无缝线路设计中非常关键的问题。 设计桥上无缝线路时，为保证轨道及桥梁结构的安全，提高行车的平稳性和舒适性，在设计中必须充分考虑无缝线路与桥梁的相互作用，进而严格控制轨道与桥梁相互作用的附加力，它们是控制长轨条的纵向力，保 证无缝线路的稳定性和钢轨强度；控制钢轨折断时的断缝，确保行车安全；控制桥梁墩台的纵向水平力值，确保桥梁的安全使用。纵向力研究是桥上无缝线路设计中非常关键的问题。因此，进行桥上无缝线路设计，首先 应根据梁轨相互作用对无缝线路纵向力进行计算，并对各个纵向力的规律和影响因素进行分析，然后才能根据纵向力计算结果进行
10、轨道和桥梁设计，并提出减少轨道和桥梁所受纵向力的措施。（）无缝线路强 度和稳定性分析无缝线路上的钢轨，夏季高温时承受较大的温度压力，冬季低温时承受较大的温度拉力，因此，夏季要防胀，冬季要防断。进行无缝线路的 强度检算，就是要控制 钢轨所承受的温度拉力，使之处于容许限度之内，以避免发生钢轨折断事故。无缝线路作为一种新型的轨道结构，其最突出的问题就是由于它在结构上限制了钢轨的伸缩，当温升 较大时， 钢轨内将积存巨大的温度压力，有可能造成轨道的膨曲，亦即丧失稳定。 这对列车运行的安全是个极大威胁。因此，无缝线路稳定性分析具有重要的理论与工程意义。钢轨强度和稳定性检算是无缝线路设计的重要组成部分，对于
11、桥上无缝线路设计，轨道强度和稳定性检算相对于路基区段增加了几项纵向附加力，因此在强度和稳定性分析时要考虑纵向附加力的参与。就目前来看，稳定性检算分等波长和不等波长两种理论，我国采用的统一公式属于等波长理论，强度检算分有碴道床计算理论和无碴道床计算理论。（）无缝线路设计锁 定轨温的确定锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准。因此，正确合理地设计锁定轨温是保证无缝线路运营安全的前提。以往习惯取当地中间轨温再加上徘为锁定轨温，现在采 第一章绪论用的是通过总结生产实践经验而得出的经验公式。无缝线路设计时，同一区间无缝线路多采用相同的设计锁定轨温，由于桥上无缝线路相对于路基上无缝线路增加了纵向附加力，因此要
12、采取一定的措旌来保证桥上无缝线路轨道的安全，我国铁路规范从轨道强度和稳定性的角度出发，对于桥梁下部结构纵向线刚度提出了要求，并在客运专线和高速铁路设计中普遍采用。我国铁路规范对于桥上铺设无缝线路的相关规定主要针对铁路普遍采用的简支梁，对于其它结构形式的桥梁则需要单独考虑。因此在其它结构形式的桥梁上铺设无缝线路时，应对该种桥型无缝线路纵向力进行计算分析，并从满足轨道和桥梁设计安全出发，合理的确定锁定轨温。无缝线路纵向附加力的存在是桥上无缝线路与路基上无缝线路设计的最主要区别，因此本文的研究主要围绕桥上无缝线路纵向力展开，而对于其它方面问题并未作深入探讨。桥上无缝线路研究现状国外桥上无缝线路的发展
13、）日本日本铁路世纪年代初期就开始研究桥上钢轨伸缩力的计算，引起了各国的关注。日本铁路规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件，且在桥梁墩台的设计中就考虑了无缝线路纵向力的作用，其新干线的各桥都铺设了无缝线路。日本在钢桥上铺设无缝线路时，是根据梁长和桥长的不同来决定桥梁支座的布置方式、伸缩调节器的设置和桥上线路纵向阻力等。在木枕线路、明 桥面上，跨度及以上的桥梁在其活动端设置钢轨伸缩调节器。伸缩调节器的动程有、之分。跨度以下，桥长大于的桥梁，将相邻桥跨的固定支座和活动支座设在同一桥墩上，线路纵向阻力采用驯（线）。钢桥跨度及以下、桥长不超过时，线路纵向阻力随桥长的增加而增大，有、溉锄线）之分，但在
14、既有线上，考虑钢轨的发展，不 论梁或桥的长度是多少，线路纵向阻力一律采用（聊线）。在板式轨道桥梁上也采用这一阻力值。桥上钢轨折断的容许断缝值：钢轨为 ，钢轨为。在高架桥和刚构桥上，采用板式轨道结构时， 应有相应的纵向力计算方法。）德国德国是率先发展高速铁路的国家之一。其高速铁路跨越山谷的桥梁，为适应列车高速运行的需要，规定在桥上不得设置钢轨接头，否 则，桥 梁跨度不能超过。主要参数和铺设条件规定如下：（）计算伸缩力的 线路纵向阻力参数 为：夏季（线），冬季（ 线）。梁温差：混凝土梁及结合梁为玩（）有碴桥采用重型混凝土枕，枕 长。 型扣件，碴肩宽度，枕下道床厚度。第一章绪论（）桥上设置钢轨 伸缩
15、调节 器的温度跨度为：混凝土梁，钢梁。伸缩调节器动程分别为、和等。（）铺设无缝线 路的多跨简 支梁最大跨度为，按结构又分为高架桥和山谷桥。单线的高架桥，跨度较小，约为，墩身 较矮， 约为；山谷桥的桥跨为，墩身较高。（）计算纵向力时， 应考 虑墩身和基础刚度的影响，道床在纵向力的传递中所起的作用与道床纵向阻力有关。（）牵引力和制 动力，在长桥上一部分通过道床经由梁体传给支座和墩台，另一部分则由钢轨承受。（）德国高速铁 路的某些桥 梁， 设有专门传递纵向力的结构，例如：利用传力杆传力。传 力杆由一端桥台至另一端桥台连续设置，全 桥简支梁的支座一律采用活动支座，由桥台承受纵向水平力。 这种结构的桥梁
16、铺设无缝线路时， 规定桥跨长度不得超过，桥梁总长不得大于，不设钢轨伸缩调节器。设徐变连接器（相当于水平支座）的传力装置。 连接器设在简支梁的梁与粱之间，或设在连续梁端部：连续梁的固定支座（一个或多个）设在全桥中部，固定支座所在的桥墩应设计成容许水平位移的弹性墩：在设置徐变连接器处，设置钢轨伸缩调节器。设纵向连接器。在简支梁的梁与梁之间或在连续梁的各联之间，在梁的截面中 轴处安设预应力元件或弹性橡胶支座，起传递纵向力和位移的作用。桥上钢轨伸缩调节器设在桥的一端或两端。）美国和前苏联（）美国铁路规 定，桥上铺设无缝线路时，跨度大于或等于英尺（）的钢梁桥，或总长大于英尺（），曲线转角为。，在梁的活动
17、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。（）前苏联铁路 规定，在跨度大于的桥上铺设无缝线路时，桥上线路要使用一定数量的型扣件扣紧钢轨。在 单跨超过和多跨 总长超过的桥上铺设无缝线路时，要按交通部的有关规定办理。综上所述，国外铁路对桥上无缝线路的纵向力问题虽未深入研究，但都从偏于安全考虑，制定了主要干线桥上无缝线路的技术条件， 这说明国外铁路对桥上铺设无缝线路的重视程度。我国桥上无缝线路的发展我国铁路对桥上无缝线路梁轨相互作用原理，从世纪年代开始 进行了大量试验研究，对中小跨度桥梁及大跨度桥梁的桥上无缝线路受力机理进行了深入探讨，为桥上无缝线路提供了理论和方法，为
18、完善无缝线路的理论和扩大无缝线路的铺设做出了贡献。世纪年代至年代初，以跨度梁为主要研究对象。在上承板梁和预应力混凝土梁上铺设了无缝线路，进行了伸缩力、 挠曲力、各种计算参数的实桥测试和模拟试验。气第一章绪论试验结果表明，伸缩 力不仅受梁温度变化、线路纵向阻力的影响，还与桥梁跨度有关，但不随桥跨数量的增多而无限增加。由伸 缩力的分布图可以看出，各跨的 线路纵向阻力存在变号的点。这一发现， 为研究梁、 轨相互作用理 论，拟定伸缩力计算方法提供了依据。试验还发现，梁因列 车荷载作用而挠曲，梁的上冀缘产生纵向位移，使钢轨产生挠曲力。跨度的上承板梁，固定端的位移量为，该处钢轨约产生的纵向拉力，活动端纵向
19、力较小。 桥跨两端钢轨纵向力之差反作用于桥梁，并传给支座和墩台。这一发现说明，挠曲力的作用在轨道和桥梁的设计中不可忽视。通过纵向力的测试，在研究梁轨相互作用原理的基础上，建立了中小跨度桥上无缝线路伸缩力、 挠曲力的计算理论和方法。 经过实际铺设的检验，这一原理和方法于世纪年代得到了普遍采纳和应用。我国铁路于年代开始研究高墩桥发生墩项位移时，对无缝线路纵向力的影响，研究人员曾发表墩顶位移对桥上无缝线路纵向力分布的影响的研究报告，并在捞刀河、永定河号桥、 兰家河桥 等处进行了对梁、墩、支座、钢轨纵向力和位移的实桥综合测试，提出了墩 顶位移、列车制动或牵引等情况下荷载组合计算方法的研究报告，为解决高
20、墩、大跨度桥梁纵向力的计算奠定了基础。在此之前世纪年代开始在大跨度钢桥上铺设了无缝线路，并对大跨度钢桥桥面系在温度变化和列车荷载作用下的变形与轨道产生纵向力的关系进行了研究，拟定了挠曲力、伸缩力的 计算方法。以后相继在武汉、南京、九江的长江大桥上铺设了无缝线路。在上述对桥上铺设无缝线路的试验研究和实践的基础上，我国铁路对简支梁和连续梁己经提出了较完整的桥上无缝线路的纵向力计算和结构设计方法，还总结了大中跨度桥上铺设无缝线路的科研成就和实践经验，至今已在大中跨度桥上广泛地铺设了无缝线路。年代以来，按照可靠度理论编制桥梁设计规范时，对大量的挠曲力、伸缩力实桥测试资料进行了统计分析，得到了挠曲力、伸
21、 缩力以及有关计算参数的统计特征，为桥梁设计预留无缝线路荷载提供了依据。近年，我国铁路还结合实际工程， 对新建重要干线铁路的桥梁预留无缝线路荷载及桥上无缝线路轨道结构进行了研究。由于新建桥梁不断采用新的桥式，给桥上无缝线路的研究带来了新的课题，同时也推动了桥上无缝线路技术向更深的层次发展。钱塘江二桥是多联、预应 力混凝土连续梁桥， 为铺设无缝线路，并降低制动墩的负荷，提出了利用焊接护轨产生的逆向纵向力来平衡主轨纵向力的构思。这一构思，是桥上无缝线路技术的新突破这些技术成果己在秦沈客运专线跨区间无缝线路设计暂行规定、京沪高速铁路设计暂行规定中应用，并己 编 入新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定嘲和
22、铁路轨 道设计规范 洲。桥上无缝线路经过近年的实践， 证明技术经济效果明显，其安全、可靠的程度己为运营部门所公认。我国桥上无缝线路在研究和应用方面虽然起步较早，但未能及时纳入规范，因而影第一章绪论响了无缝线路在桥梁上的广泛应用。不少新线桥梁的设计，均未考虑铺设无缝线路时产生的纵向力。相比之下，国外由于高速铁路的大发展，桥上也要铺设无缝线路，因而十分重视桥上无缝线路的纵向力问题，并在有关规范中都规定了桥上无缝线路纵向力的计算方法。研究对象与工程背景城市轨道交通无缝线路的发展城市轨道交通以市区和市郊运输为主要目标，具有客运量大、行车密度高等优点，我国城轨建设走步较晚，但城轨高架桥上无缝线路设计直接
23、吸收和利用了铁路桥上无缝线路的研究成果和成熟技术。桥上无缝线路技术已经在城轨建设中成功应用，并取得了良好的效果。年月我国第一条高架城市轨道交通线一上海城市轨道交通明珠线建成通车后，城市轨道交通高架桥在我国很多城市大量兴建。据统计，目前在建和已建的高架城市轨道交通项目已经占到城市轨道交通线路长度的。我国城市轨道交通一般均采用了无缝线路轨道结构，目前国内在建和已建的轨道交通高架桥统计见表。旧表国内主要城市交通高架形式一览表序线路长度高架长度轨道结构号项目名称状态区间标准梁形式（）（ 拥）形式上海明珠线一期运营，简支箱梁无缝线路北京城市铁路运营连续箱梁无缝线路北京地铁八通线型简支组运营无缝线 路合梁
24、北京地铁号线运营连续箱梁无缝线路上海莘闵线运营 简支箱梁无缝线路上海共和新路高架运营简支箱梁无缝线路南京地铁一期运营连续箱梁无缝线路武汉轨道交通一期运营简支箱梁无缝线路天津津滨轻轨运营连续箱梁无缝线路天津地铁号线运营 连续箱梁无缝线路重庆轻轨较新线简如运营无缝线路轨道梁大连快轨号线连续箱梁、运营无缝线路组合槽梁广州地铁号线运营 简支箱梁无缝线路上海地铁号线简支在建，。无缝线路组合箱梁部分国内轨道交通高架桥见图。第一章绪论由苜竹崮轨邑馗向策册第一章绪论口和为南京地铁一号线高架；和硝上海莘 闵线高架；和，为天津津滨轻轨高架；和为重庆轻轨高架。与铁路情形不同的是：除了已大量使用的简支梁结构外，城轨高
25、架为了跨越地面构造物以及减少占用城市空间，大跨度连续梁桥、刚构桥、钢拱桥、斜拉 桥、悬索桥等特殊的新式桥跨结构将会逐步地大量采用。新式桥跨结构的出现也给桥上无缝线路理论和计算方法提出了新的研究课题。另外，城 轨高架车站与桥跨连为一体，无缝线路纵向附加力对于车站基础和结构的影响近来也倍受关注。研究对象）轨道形式的 选择轨道结构按道床形式可分为有碴轨道和无碴轨道两种有碴轨道为传统的轨道形式，其道床由散体材料碎石组成。运行电力机车的有碴轨道线路的典型断面如图所示，路基段断面构造如图所示。图复线轨道的线路断面图图路基段有碴轨道断面构造城市轨道交通的地面线大多采用有碴轨道，其结构形式、功用和性能无特殊之
26、处。有碴轨道线路的优点是具有良好的弹性和抗震性，结构简单，便于维修，造价低廉，梁的上拱度可随时用道碴调整，缺点是养护维修工作量大，对于城市轨道交通，养护过程引起的噪音还会影响居民休息。无碴轨道为用整体混凝土结构代替传统有碴轨道中的轨枕和散体碎石道床的轨道结构。无碴轨 道的优点是轨道建筑高度小，自重轻，整体性强，能减少养 护维修工作量，缺点是整体道床刚度大，弹性差，混凝土梁的上拱度及桥墩基础的不均匀沉降，容易使梁体道床开裂，同时轨道水平度也难以保持，需高质量的扣件提供弹性及调整轨道几何第一￥镕论尺寸的变化，造价较高，施】艺复杂酎路基段无碛轨道城市轨道交通高架线路于建筑净空及养护维修等方面的原因，
27、日前我国卞要城市交通中高架线路和地卜线路基奉采用尤碴轨道结构，地面线路则采用有碴轨道。随着我国轨道交通发展，无 碴轨道将会进一步发展和心用。根据我国轨道变通应用现状和发展方向，取兀硪轨道结构作为研究对象。闰广州地铁四号线高架无硝轨道截面）桥 型选择我国城市轨道交通中， 对于区间标准跨，以 简支粱为主，部分采用连续梁结构。随着轨道交通长距离高架形式的采用，综合考虑桥梁的连续性、整体性和剐度要求，连续剐构体系的应用也开始出现。对于跨越河流、山谷等路段可以采用的桥型较为丰富，可以考虑选用刚度较大的粱式桥、斜拉桥或拱桥等桥型。本文结合在。州轨道交通号 线沙洲湾特大桥的设计实践，侧重对简支粱和连续刚构桥
28、进行计算分析以及结构设计研究。研究背景广州轨道交通号线北起萝岗新城， 经科学城、奥林匹克体育中心、东圃、琶洲、官洲牛物岛、大学城、石荽、 东涌、黄 阁等地，南至南沙新港止。线路全长约枷，共设座车站。目前号 线万盛围金洲段共、座车站已开通运营。号线高架段采用 标准跨 简支粱，沙湾以北采用整孔预制吊装架设沙湾以南采用仃段预制拼装架设：道岔区段采用跨度左右的现浇预应力混凝土连续粱。线路跨越沙湾河时采川（）小的预应力混凝土连续刚构。第一章绪论号线四号线是广州市轨道交通第一条高架线路，在国内率先采用了直线电机系统，该系统具有爬坡能力强、转弯半径小、利于小 编组高密度运营等特点。车辆最高运行速度为，辆编组
29、。且该线路串联了大学城以及广州新城等规划新区，对桥梁的景观和工程的安全提出了较高的要求。因此为使结构轻盈美观并为后续广州市城轨高架的建设提供可靠的参考，应对城轨中普遍采用简支梁、 连续梁以及连续刚构进行线桥一体的分析。研究内容首先，本文整理、研究了国内外桥上无缝线路计算理论、计算参数以及不同的有限元计算模型，其次，采用有限元 计算程序，针对广州轨道交通四号线简支桥进行了多模型计算分析，研究了模型跨数、跨度以及下部结构刚度对计算结果的影响，提出了在设计中应注意的问题；最后研究分析了四号线沙湾大桥连续刚构轨道布置方式的选择、考虑不同的冲刷条件下不同基础刚度的建模计算，以及合拢控制和减小裂缝开展的措
30、施。第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型无缝线路纵向附加力产生的基本原理钢轨温度力无缝线路与传统的准轨线路在受力方面的根本区别在于钢轨承受着较大的温度力，因此，研究无缝线路的应力和稳定性问题时，首先要了解钢轨的温度力及其变化规律。钢轨的温度力是在轨温发生变化，而钢轨不能自由伸缩的情况下发生的，如果将一段长度为三且处于自由状态的钢轨两端完全固定，其初始轨温为乃，当轨温相对珏七升或下降埘，相当于把钢轨压缩或拉伸了一个对应芒的自由伸缩量三，于是钢轨内产生了纵向温度力尸钢轨的自由伸缩量为口由虎克定律得知，钢轨的温度应力 为矾：防（一）其中一式中卜一钢轨钢的弹性模
31、量，；口一一钢轨的线胀系数，口玩出相对零应力轨温的轨温变化幅度（窃，以升温为正，称之为温升；瓦零应力轨温，即长度被固定的钢轨，当温度力为零时的轨温（）。我国铁路习惯称零应力轨温为锁定轨温。将和口的数值代入式（），则得仉（毖巳）（）由式（）可知钢轨温度力只，为一（）（）式中一钢轨 的断面积（）。由式（）可知，在两端固定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨温变化幅度和钢轨截面面积有关，而与 钢轨本身长度无关。因此，从理论上讲， 钢轨可焊成任意长，且对轨内温度力没有影响。控制温度力大小的关键是如何控制轨温变化幅度。为降低长钢轨内的温度力，需选择一个适宜的锁定轨温，又称零应力状态的轨温，设计中确定的锁定轨温
32、也称为中和温度：在铺设无缝线路中，将长钢轨始、终端落槽就位时的平均轨温称为施工锁定轨温：无缝线路在运营过程中处于零应力状态的轨温称为实际锁定轨温。施工 锁定轨温不一定等于设计锁定轨温，但应在设计锁定轨温允许变化范围之内。锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，因此根据强度、 稳定条件确定锁定第二犟桥上无缝线路纵向力计算方法及模型轨温是无缝线路设计的主要内容。在无缝线路的设计、铺设及养护维修过程中，涉及到三种不同的轨温，它 们具有各自的涵义。（）中间轨温是当地最高轨温及最低轨温的中间值，也就是这两者的代数平均值。（）铺轨轨温是铺设焊接长钢轨最适宜的温度。它可以等于、大于或小于当地中间轨温，随具体情况
33、而定。又因为施工过程中， 轨温可能有波动，所以确定铺轨轨温时，容 许有一个上下的波动范围，这样铺轨轨温将是一个“幅度，而不是一个“单一值。（）锁定轨温就是焊接长钢轨铺设完毕，并上紧全部扣件，装好全部防爬设备及接头夹板时的轨温，锁定轨温锁是铺轨轨温幅度范围内的一个特定单一值。中间轨温、铺轨轨温及锁定轨温的关系，如 图。寓匮图三种轨温及其关系示意图阻力无缝线路锁定后，焊接长钢轨两端由于温度变化而引起的伸缩量收到很大的限制。并在其中部积存巨大的温度力。产生这种情况的原因是因为轨道具有抵抗钢轨和轨道框架（钢轨和轨枕钉连在一起，也称轨排）纵向位移的阻力。它包括（）接头阻力钢轨两端接头处由钢轨夹板通过螺栓
34、拧紧，产生阻止钢轨纵向位移的阻力，称接头阻力。主要是由钢轨与夹板之间的摩擦力而产生的。摩擦力愈大，接头阻力愈大。摩擦力取决于接头夹板的螺栓孔数，螺栓的直径、强度及其拧紧程度。（）扣件阻力钢轨中间扣件和防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面纵向位移的阻力，称扣件阻力。如果钢轨的扣件阻力小于轨枕在道床中的纵向移动阻力，钢轨就要沿轨枕作相对纵第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型向移动。（）道床阻力道床纵向阻力指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力，一般以每根轨枕的阻力，或每延米分布阻力裱示。分纵向及横向两种。是由轨枕的底面、侧面和端面与道床之间的摩阻力而产生的。道床纵向阻力阻止轨枕在道床中作纵向位移，横向阻力阻止轨枕
35、在道床中作横向位移。前者对无缝线路长钢轨的伸缩起限制作用，后者对无缝线路的稳定（防止胀轨、跑道）起保证作用。为了防止钢轨爬行，一般无缝线路设计均要求扣件阻力大于道床纵向阻力。因此道床纵向阻力是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。温度纵向力分布规律道床分布阻力体身是个标量，没有方向；而阻力是有方向性的，总是和钢轨位移甜的方向相反。将道床纵向阻力取为代数值只即，为负时取正号，材为正时取负号。实际的道床阻力是作用于每根轨枕的，沿钢轨长度方向呈离散的集中力分布。应用时多将其折合成作用于每股钢轨单位长度上的分布阻力厶够取为常量。 以钢轨长度为横坐标，钢轨温度力为纵坐标所构成的图形称为钢轨温度力图。温度
36、力图的斜率称为钢轨温度力梯度。现取一钢轨微段出作为割离体（如图），以研究 钢轨温度力梯度与道床阻力梯度的关系。二二！卜一卜（固定值）出图钢轨温度力图图中温度力以压为正，以向右为正。取，可得 钢轨纵向受力的平衡微分方程：护夕出护一出础坐出得可而从第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型式中型；即轨道的温度梯度。、“、譬均以的正向为正。口由以上分析可以看出：钢轨温度力梯度与道床阻力梯度等值同向。换言之， 钢轨温度力图的斜率实质上反映了道床纵向分布阻力的大小和方向。道床纵向阻力总是伴随着钢轨位移而产生的且道床阻力梯度总是与钢轨位移甜反向相反。无论轨温如何变化，只要钢轨不发生方向位移，道床阻力梯度的方向
37、就不变，而大小则始终恒定，此时温度力图的斜率也不变，表 现为温度力图的平行移动。也就是 说，轨温的变化仅能改变温度力的大小，只有钢轨位移方向的改变才有可能改变温度力图的斜率。在长度为上的钢轨上，温度应力式长钢轨基本温度力见图。伸缩区固定区伸缩区图长钢轨基本温度力图在图中，横坐 标表示长钢轨 的长度，纵坐标表示钢轨温度力，（拉力为正，压力为负）。 为长钢轨锁 定 轨温，当温度降低，长钢轨温度力只小于接头阻力 时，长钢轨不能伸缩，只呈矩形分布。当 钢轨温度力大于接头阻力时，钢轨克服接头阻力伸缩，钢轨温度力只呈梯形分布。其梯形斜边的斜度，为钢轨单位长度上道床纵向阻力值。当轨温变化幅度厶硪基到最大值全
38、时， 钢轨温度力达到最大值。此时钢轨端部发生伸缩的区域最大，此区域称为伸缩区。在 长钢轨中部， 钢轨承受大小相等的温度力，钢轨受力与两端固结梁温度变化厶寸相同。此 时钢轨不发生应变而存在应力，称为虚应变。长钢轨中部不能发生总体伸缩的区域称为固定区。长钢轨最大温度力和伸 缩区长度三可按下式计算：只（）（）：，（），路基上无缝线路对于铺设在路基上的无缝线路长钢轨，当温度变化时，由于线路纵向阻力的作用，只有两端一定范围内钢轨能够克服纵向阻力自由伸缩，而中间部分钢轨不能伸缩。如长钢轨相对锁定轨温升温乃其位移和温度力如图所示。在长钢轨端部一定区域，钢轨能够克服纵向阻力产生少量伸缩，在中部钢轨承受大小相等
39、的温度力，不能伸缩。不第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型考虑接头阻力影响，在长钢轨端头部位钢轨力为零， 钢轨伸缩量最大。雠阻力融一髓墅钢轨温度力图路基上无缝线路。桥上无缝线路桥上无缝线路不同于一般铺设在路基上的无缝线路。桥跨结构因温度变化而伸缩，同时受到列车荷载作用而挠曲，因此桥上无缝线路除受机车车辆荷载、轨温变化和列车制动等作用外，还将受到桥跨结构伸缩变形引起的伸缩附加力和挠曲变形引起的挠曲附加力。与此同时，钢轨也对桥跨结构施加大小相等、方向相反的反作用力。桥上无缝线路一旦断裂，不仅危及行车安全，也将 对桥跨结构施加断轨附加力。所有这些均将通过桥跨结构而作用于墩台上。因此设计桥上无缝线路
40、时，应能在上述各种力的最不利组合时，保证钢轨、桥跨结构及墩台满足各自的强度条件、 稳 定条件以及钢轨断缝条件，同时要求结构简单，养 护维修方便。图桥上无缝线路受力机理）伸缩附加力梁因温度变化而伸缩，并带动轨枕位移， 轨枕位移使扣件产生纵向力，作用于钢轨，这一作用力称之为无缝线路的伸缩附加力。桥上钢轨伸缩附加力与梁轨温差、线路纵向位移阻力、桥梁跨度、跨数有关，而 线路阻力的方向又由梁轨问的相对位移来决定。现以处于无缝线路固定区单孔简支梁桥为例，来阐述桥上无缝线路伸缩力的产生。当温度变化时，长钢轨产生虚应变，不 产生位移却产生温度力，而简支梁则随着温度变化产生伸缩位移量鳓，若梁的跨度为，梁的温度变化为珞， 则在简支梁的活动端位移量“础 。梁伸缩带动桥枕和扣件位移，扣件对长钢轨施加纵向力。此力 为机械力，长钢轨在此机械力作用下产生实应变，且产生与梁位移方向相同的位移蜥，见图，在临近活动端一定范围内材蜥。两端 桥头线路提供与梁位移方向相反的阻力，阻止长钢轨第二章桥上无缝线路纵向力计算方法及模型位移。葡；拉力、曼垄辋孰砑自、；，果位飘弧（图温度变化（升温情况）梁轨相互作用示意图由于长钢轨是连续的，在梁的固定端，即使梁的位移量，长钢轨依然产生位移蜥，故在梁的固定端及其临近， 长钢轨 位移并对梁施加纵向力，梁 对长钢轨作用大小相等、方向相反的反作用力。梁轨
