毕业设计铁路无砟轨道结构与施工.docx
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毕业设计铁路无砟轨道结构与施工
第1章绪论
1.1课题研究的目的意义
传统的铁路有砟轨道通常由两条平行的钢轨组成,钢轨固定放在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟。
路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用,防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。
这种有砟轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点。
但随着经济的发展,人们对铁路运营的速度要求越来越高,国家要大力发展高速铁路,这时候有砟轨道便不能担当重任,它对列车速度有极大的限制,而且容易变形,已经很难满足需求,所以无砟轨道的发展已经成为时代发展的需要。
近几十年来,经济发达的国家已经在路基、隧道和高架桥结构上的各种无砟轨道结构有了很快的发展,德国、日本等国家的高速线路都是以修建少维修的无砟轨道为主。
日本新建铁路的无砟轨道铺轨里程已超过80%,德国新建高速铁路的无砟轨道占线路总长的70%以上。
随着京津城际铁路的开通,武广和郑西客运专线无砟轨道建设的顺利实施,我国客运专线以无砟轨道为主要选型的技术路线也已成为共识。
无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成,而路基也不用碎石,铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。
良好的轨道稳定性,连续性和平顺性,使用寿命长.结构耐久性好,维修工作量少等特点已证明无砟轨道是当今世界先进的轨道技术,而且可以降低粉尘、美化环境,列车时速可达到200公里以上。
我国在近年来规划了多条客运专线,大量采用了无砟轨道。
而无砟轨道施工技术是生产过程中的一个重要环节,所以研究无砟轨道施工具有重要意义。
1.2国内外研究现状
国外研究现状
1964年,世界上第一条高速铁路——日本东海道新干线开通,标志着高速铁路建设进入一个新的发展阶段。
继日本之后,德国、法国、西班牙、意大利、瑞典、韩国等国家相继开始兴建高速铁路,各国开始对高速铁路轨道结构型式进行研究。
日本是发展无砟轨道较早的国家之一,从20世纪60年代中期开始进行板式无碴轨道的研究到目前大规模地推广应用,走过40年的历程。
日本的高速无碴轨道占当年铺设铁路的比例,在20世纪70年代达到60%以上,而90年代则达到80%。
目前,其累计铺设里程已达2700多km(其中新干线约1600多km),为世界上铺设无碴轨道最长的国家。
在规模发展的同时,日本还不断改进、完善结构设计参数和技术条件,最终将普通A型和框架型板式结构作为标准定型。
框架型在混凝土和CA砂浆用量上较A型板少,可减少板的成本,也可减少日温差引起的板的翘曲。
最初的A型和框架型板为普通钢筋混凝土结构,适用于温暖地区和隧道内,在东北、上越新干线等寒冷地区则采用双向预应力A型板。
另外,为解决新干线的噪声及振动问题,实现客运专线高速铁路发展与社会环保兼容的目的,经试验后,将减振G型板式轨道作为标准形式,规定在减震降噪区段铺设。
德国也是世界上研究及应用无碴轨道较早的国家。
德国铁路研究开发无碴轨道采用的体制是由德铁制定统一设计基本要求,有公司、企业自行研制开发。
新开发的无碴轨道在进入德铁路网之前,必须通过指定试验室的实尺模型激振试验及性能综合评估,并经EBA(德铁技术检查团)认证、批准后,方有资格在铁路线上进行有线长度的试铺。
试铺的无碴轨道要经过5年的运营考验并经EBA的审定,通过后方可正式使用。
德国自1959年开始研究、试铺无碴轨道,首先在希尔塞德车站试铺了3种结构,随后又在雷达车站和奥尔德车站试铺了2种结构,1977年又在慕尼黑试验线试铺了6种。
1959-1988年是德国无碴轨道的试铺期,共铺设无碴轨道36处,累积21.6km。
在此期间先后在土质路基、高架桥及隧道内试铺了各种混凝土道床的无碴轨道。
经过不断改进、优化和完善,形成了德国铁路无碴轨道系列和比较成熟的技术规范及管理体系,研制了成套的施工机械设备和工程质量检测设备,为无碴轨道在德铁的推广应用创造了良好的条件。
经过几十年的开发和研究,德国已经成功研发了雷达型、Bogl型、ZubⅠn型、ATD型、Getrac型、BTD型、SATO型、FFYS型、Walter型、HeⅠtkamp型等十几种无碴轨道结构形式。
到2003年,德国铁路无碴轨道总铺设长度600多公里。
德国无碴轨道的主要结构式轨枕埋入式和博格板式无碴轨道。
初期铺设的雷达型和博格板式轨道都经历了30年的运营考研,轨道状态始终良好。
国内研究现状
我国于20世纪60年代开始对无砟轨道进行研究,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以及框架式沥青道床等多种型式。
无砟轨道开发初期,在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1km的隧道内铺设支承块式整体道床,总铺设长度约300km。
20世纪80年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床,全部铺设在大型客站和隧道内,总长约10km。
1995年开始对弹性支承块式无砟轨道展开研究,并得到推广应用。
1996—1997年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设弹性支承块式无砟轨道试验段,在秦岭隧道一线、秦岭二线隧道正式推广使用,合计铺设36.8km;以后又陆续在宁西线(西安—南京)、兰武复线、宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用,累计铺设弹性支承块式无砟轨道近200km。
在国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究”,我国提出了适用于高速铁路桥隧结构中上的长枕埋入式、弹性支承块式、板式3种无砟轨道结构型式及其设计参数;在铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究”中,完成了以上3种无砟轨道实尺模型的铺设及各项性能指标试验,初步提出高架桥上无砟轨道的施工方案。
1999年在秦沈客运专线沙河特大桥开始试铺长枕埋入式无砟轨道,在渝怀线鱼嘴2号隧道进行了试铺;同年,在秦沈客运专线狗河特大桥直线和双河特大桥曲线上开始试铺板式轨道,在赣龙线枫树排隧道也进行试铺验证。
经过40多年的无砟轨道的理论研究、室内模型试验、桥上和隧道内试验段铺设,我国取得了一系列的研究成果。
通过实践,我国在无砟轨道的结构设计、施工方法、轨道基础技术等方面积累了宝贵的经验,为进一步发展无砟轨道技术打下了坚实的基础。
2004年开展了遂渝线无砟轨道综合试验段关键技术研究,通过引进、消化吸收、再创新,掌握无砟轨道的关键修建技术,致力于打造具有中国自主知识产权的高速铁路。
1.3论文研究内容
本设计主要围绕无砟轨道的结构与施工进行研究,为无砟轨道在客运专线和高速铁路上的使用提供理论基础。
主要研究内容为:
(1)完成系统功能是无砟轨道的主要目标,不同的结构型式和部件组成,其功能实现方式各异。
无砟轨道的理论体系建立在系统功能设计上,有利于分析结构如何服务于功能,明确各部件的功能需求,识别结构体系可存在的主要问题。
从系统的角度认识并分析无砟轨道典型的层状体系和复杂的功能实现,是建立科学合理的无砟轨道设计理论与方法的基础。
(2)根据国内外对无砟轨道建造及运营的实践经验,无砟轨道的结构类型应符合施工性、维护性、动力性、适应性、经济性五大基本原则。
基于设计理论体系,针对不同的工程条件和环境条件,不同类型的无砟轨道系统(CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅠ型双块式和岔区无砟轨道),确定了不同结构物上(路基、桥梁、隧道、道岔区)的标准设计断面及技术要求。
(3)无砟轨道的初始质量决定了其运营质量,无砟轨道的高质量是铁路高速度运营的基础和保障。
另外无砟轨道是一项系统性非常强的特殊工程,具有“不可逆”特点,按照标准化管理模式进行系统地管理和施工是非常重要的。
(4)标准化的管理和高效合理的施工方法能够保证无砟轨道的使用质量,提高列车运行的安全系数。
施工质量是至关重要的,工程进度和施工效率要服从于施工质量,而且对关键工序的监控也是非常有必要的。
(5)养护维修技术是高速铁路技术体系的重要组成部分,保证轨道结构的安全性、稳定性、耐久性是延长轨道寿命所必需的。
无砟轨道应用在客运专线和高速铁路线路上,确保轨道的安全、稳定与耐久是保证线路通畅的关键,而无砟轨道的养护与维修难度比较大,本文提供的方法可以作为参考。
第2章无砟轨道的设计与结构
设计理论与方法
从系统的角度认识并分析无砟轨道典型的层状体系和复杂的功能实现,是建立科学合理的无砟轨道设计理论与方法的基础。
通过深入分析无砟轨道的功能需求、结构特征和组件的功能定位,实现无砟轨道系统功能模块化,组件设计功能化,可以为结构设计和选材、结构优化奠定基础。
无砟轨道功能设计的主要内容
(1)分析无砟轨道的功能需求,明确设计条件为列车提供安全、可靠的运行平台,实现承载、传力和限位要求是无砟轨道的基本功能。
功能需求分析通过研究运营条件和应用环境,确定修建的必要性,提出功能指标和相关标准。
根据不同的线路要求和环境条件,可以确定主要技术指标,如轨道刚度、耐久性和可维修性、适应性、可施工性和减振降噪要求等。
(2)无砟轨道功能设计。
在明确功能需求和设计条件的基础上,分承力传力、变形控制与调节、稳定性与耐久性要求、特殊功能要求和接口技术等功能模块,初步确定结构型式和功能实现方式。
某一功能可能由多个部件协同完成,同一个部件也可出现在不同的功能模块中。
功能模块化后,各结构部件将有较明确的功能定位,为进一步的参数选择和结构设计等提供依据。
(3)结构分析与参数选择。
功能设计后,需要建立合适的计算模型,验证和考察功能设计的可行性与合理性,修改和确定相关技术参数,优化轨道结构。
这是一个需要反复调整功能模块的划分和部件功能设计的过程。
(4)结构定型及材料选择。
结构定型和材料选择是结构分析和参数选择的结果,标志着无砟轨道结构设计基本完成。
在定型和选材过程中可能需要一定量的实验室或现场试验验证是否达到功能要求,必要时修改和完善设计。
无砟轨道主要功能模块
根据无砟轨道的承力与传力、变形控制与轨道几何调整(轨向、高低、轨距和水平等)、稳定性和耐久性、特殊条件和相关接口等可以划分主要的功能模块。
.2.1承力、传力模块
承力与传力是轨道结构最基本、最重要的功能,主要有垂向、水平荷载的传递。
(1)垂向荷载的传递。
列车活载是主要的垂向荷载,一般按从上至下逐层扩散传递。
德国和日本在设计理念上略有区别。
德国沿用有砟的“单枕承载”理念。
各层刚度由上至下逐层递减,确保垂向荷载由扣件、轨枕至道床板逐层扩散传递。
钢轨支点力以“单枕”的形式传至道床,应力流影响范围较小(只影响到应力扩散角作用范围内),各支点间的道床板应力梯度较大,结构部件主要承受压力,属于低应力设计,只需采用单层配筋控制裂纹宽度,保证结构的耐久性。
日本板采用了“整板承载”的设计理念。
板下CA砂浆层提供了适当的弹性,垂向荷载从扣件传至轨道板后,由整个轨道板分布传递,应力流影响范围较大,枕跨间应力梯度较小。
CA砂浆有效调整了轨道板的变形,协调了轨道板与底座的变形差,保证了轨道板整板受力和应力均布。
不管基于哪种理念,钢轨支点处是受力最集中、应力梯度最大和疲劳作用最为严重的区域,该处的结构强度和耐久性直接影响到结构的使用寿命,为保证垂向传载的可靠性和耐久性,宜设计为高强度的预制件。
(2)水平荷载的传递。
层间约束直接影响到水平荷载的传递。
纵向连续、层间紧密联结的无砟轨道,一般不再设计专门的水平荷载传递部件,如路基地段的雷达轨道。
层间联结不太紧密或单元式的无砟轨道结构,需要设计凸形挡台、侧向挡块、板下凸台(凹槽)和销钉等水平力传递部件,实现水平限位和水平荷载的传递,如日本板式无砟轨道等。
.2变形控制模块的扣件系统及三者的有机统一
结构上对扣件安装平台采用预制甚至机加工等措施,充分考虑扣件的调整能力和施工工艺的实现,确保几何形位满足要求。
动态位移一般由轨道的刚度及结构部件间的构造缝隙决定,包括控制动态位移幅值及沿线路变形控制是高速轨道技术的核心技术,包括几何形位的保持和调整、动态位移的控制等方面。
几何形
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