02高速铁路的线路设计.docx
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02高速铁路的线路设计
2高速铁路的线路
2.1概述
高速列车首先要满足安全与舒适的要求。
影响列车安全和舒适的因素很多,虽然机车车辆性能及运营方式起着很大的作用,但高速铁路的线路参数也是重要的影响因素,在设计高速铁路时必须予以重视。
在高速条件下,列车的横向加速度增大,列车各种振动的衰减距离延长,从而各种振动叠加的可能性提高,相应旅客乘坐舒适度在高速条件下更为敏感,所以,要求
线路的技术标准也相应提高,包括最小曲线半径、缓和曲线、外轨超高等线路平面标准,坡度值和竖曲线等线路纵断面标准,以及列车风对线路的特定要求等。
在高速铁路的线路平、纵断面设计中应重视线路的平顺性,采用较大的线路平面曲线半径、较长的纵断面坡段长度和较大的竖曲线半径,以提高旅客乘坐舒适度。
表2-1列出了世界上一些高速铁路线路的平纵断面标准。
2.2高速铁路的线路平面设计
2.2.1最小曲线半径
最小曲线半径是限制列车最高速度的主要因素之一,且对工程费和运营费都有很大影响,因此合理地选择最小曲线半径是线路设计的重要任务之一。
最小曲线半径是高速铁路线路主要的设计标准之一。
它与铁路运输模式、速度目
标值、旅客乘坐舒适度和列车运行平稳有关。
我国京沪高速铁路在运输组织模式上为本线与跨线旅客列车共线运行的客运专线模式,最小曲线半径应考虑两个方面的因素:
一方面是高速列车设计最高速度Vmax、实设超高与欠超高之和的允许值[h+hq]等因素;另一方面为高速列车最高运行速度VG、跨线旅客列车正常运行速度VK、欠超高与过超高之和的允许值[hq+hg]等因素。
1•速度目标值
京沪高速铁路设计速度350km/h,初期运营速度300km/h,跨线旅客列车运营速度200km/h及以上。
最小曲线半径的确定首先要满足设计速度350km/h的要求,其次还要满足不同速
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hjh—现场实际设置的曲线超高(mm); Vx—理论计算的曲线均衡速度(km/h); Vh—曲线上实际运行列车的均方根速度(km/h) 由此造成实际列车运行中,欠超高或过超高可能超出允许值,故在确定Rmin标准 时,对于欠、过超高之和的允许值应留有厶h的余量,即: [hq+hg]=[hq]+[hg]-△h(2-4) △h随本线和跨线旅客列车对数、质量、速度有关,结合京沪高速铁路不同区段的客运量、列车对数等资料计算,△h值一般为30〜50mm。 在国外高速铁路线上,德国的客货混运高速铁路,vmax为250km/h,v货为120km/h,半径7000m曲线的欠、过超高之和为89mm,半径5100m曲线的欠、过超高之和为 初期本线与跨线旅客列车共线运行在半径为R的圆曲线上,其实设超高h与其相应的欠、过超高hq、hg及其允许值[hq]、[hg]之间满足式(2-1)、(2-2),考虑前述在本线与跨线旅客列车共线运行条件下存在厶h关系,最小曲线半径Rmin应按下式计 算确定: 京沪高速铁路初期本线与跨线旅客共线运营,考虑按300km/h与200km/h匹配,按上式计算得最小曲线半径Rmin,其一般值、困难值分别为5370m及4220m。 (3)远期高速列车运行不同速度匹配条件下最小曲线半径Rmin 考虑远期京沪高速铁路上的高速列车运行速度以350〜250km/h为主,同时可能存在少量运行速度为200km/h的列车。 根据高速列车运行不同速度匹配条件,计算最小曲线半径如下: 按式(2-7)计算,式中vg、vk设计速度如果按350km/h与250km/h匹配,则计算得出最小曲线半径Rmin的一般值、困难值分别为6440m及5060m。 式中vg、vk设计速度如果按350km/h与200km/h匹配,则计算得出最小曲线半径Rmin的一般值、困难值分别为8850m及6960m。 考虑到远期高速列车最高运行速度提高到350km/h时,届时跨线旅客列车预计能 够达到250km/h及以上,运行速度为200km/h的列车为数不多。 因此,《京沪高速铁路设计暂规》中选择最小曲线半径7000m,主要是考虑满足远期350km/h列车运行、350km/h列车与250km/h列车共线运行,近期300km/h与200km/h两种速度列车共线运行,同时兼顾350km/h与200km/h列车共线运行等情况下的旅客舒适性。 另外,考虑满足各种不同速度列车组合运行条件下的舒适性,京沪高速铁路最小曲线半径一般采用9000〜11000m较好。 综观世界一些国家和地区高速铁路,目前比较一致的意见是新建高速铁路的最大超高应不超过180mm,欠超高允许值不超过60mm,既确保旅客舒适度又留有一定发展余地。 图2-2为一些国家和地区高速铁路的最高设计速度和最小曲线半径的比较。 2.2.2最大曲线半径及曲线半径的选用 1.最大曲线半径 最大曲线半径标准关系到线路的铺设、养护、维修能否达到要求的精度。 由于曲线的线形或轨道的平顺主要是依据基桩控制曲线的正矢值或偏矢(不等弦测量)来保 持。 基桩决定于测设精度;正矢值则与曲线半径成反比,与弦长的平方成正比。 当曲线半径大到一定程度后,正矢值将很小,测设和检测精度均难于保证极小的正矢值的 准确性,可能反而成为轨道不平顺的因素。 因此,对圆曲线的最大半径加以限制 图2-2各国速铁路的最高设计速度和最小曲线半径 根据国外高速铁路的测设经验,如日本、法国,在曲线地段沿线每隔10m设置 一基桩作为线路的基准。 法国高速线路基桩的点位误差控制在1mm。 综合考虑线路测设精度和轨道检测精度,并参考国外实验线上最大曲线半径情况,对于我国京沪高速铁路最大曲线半径一般不宜大于12000m,个别不大于14000m。 2•曲线半径的选用 曲线半径是确定线路容许速度、曲线超高、缓和曲线长度、曲线正矢和曲线地段 建筑限界加宽等诸多要素的重要参数,应根据标准化原理进行统一、简化、协调,形成系列。 京沪高速铁路曲线半径宜采用以下数列: 14000、12000、11000、10000、9000、8000、7000m。 为增加曲线半径选择的灵活性,以适应特殊地形条件下节省工程投资的需要,必要时可采用以上数列间500m整倍数的曲线半径。 高速铁路由于曲线半径直接决定行车速度,应根据线路不同地段的行车速度适当 选定相应的曲线半径;对于大型车站两端减、加速地段或必须限速的站外引线上,由于行车速度较低,为减少工程,可选用与实际行车速度相适应的较小曲线半径;对于 地形、地质条件困难,工程艰巨地段,也可适当选用较小曲线半径并宜集中设置,以免列车频繁限速,恶化运营条件。 2.2.3缓和曲线 为使列车安全、平稳、舒适地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线,在直 线与圆曲线间必须设置一定长度的缓和曲线。 缓和曲线是在直线与圆曲线的一段变曲 率、变超高线段,其作用是在缓和曲线范围内完成曲率半径由直线上的无限大逐渐变化到圆曲线的曲率半径,曲线外股钢轨高度从直线上左右股钢轨水平一致逐渐变化到圆曲线时达到外轨超高值。 在高速行车条件下,旅客对乘坐舒适度比较敏感,因而对缓和曲线的设置要求也更为严格。 对于高速铁路的缓和曲线研究的重点是缓和曲线线型和缓和曲线的长度。 1•缓和曲线线型的选定 目前世界上常速铁路和高速铁路常用的缓和曲线线形有: (1)三次抛物线型 平面: 3 (2-8) x y二 6RIo 立面: (2)三次抛物线余弦改善型 平面: 立面: (3)三次抛物线圆改善型 平面: 3 (2-12) x y二 6RIo 立面: (4)七次四项式型 平面: 立面: (5)半波正弦型 平面: 立面: (6)一波正弦型 平面: 立面: (2-19) 式中,R—曲线半径(m); lo—缓和曲线长度(m); ho—实设超高(mm); h—三次抛物线改善型立面头尾插入的曲线长度(m)。 从理论上讲,曲线型超高顺坡的缓和曲线,最能全面满足高速列车的运行要求(例如,日本新干线采用半波正弦型),但是缓和曲线的长度势必增长,且缓和曲线的支 距和超高的递升很慢,有时甚至在1。 /4范围内,缓和曲线尚未偏离切线,给缓和曲线的铺设和养护带来了很大的困难,使得缓和曲线的有效长度实际上变得很短,所以有些国家的高速铁路不去追求所谓的理想缓和曲线。 从研究和实测结果表明,只要缓 和曲线长度达到一定要求各种线型均能保证高速行车安全和旅客舒适度要求。 国外高 速铁路的运营实践也证明了这一点。 考虑到三次抛物线线形简单,设计方便,养护经验丰富等特点,我国高速铁路采用三次抛物线形,当曲线半径采用困难条件标准或缓和曲线不能保证足够长度时,可采用三次抛物线圆改善型缓和曲线。 2•缓和曲线长度的选定 缓和曲线长度是高速铁路线路平面设计重要参数之一,随着列车运行速度的提 高,要求缓和曲线应有足够的长度,使缓和曲线上的曲率和超高的变化不致太快,满足旅客乘车舒适的要求和确保行车的安全,但过长的缓和曲线长度会影响平面选线和纵断面设计的灵活性,会引起工程投资的增大。 缓和曲线线型选定以后,就可考虑以下一些因素来确定缓和曲线长度: ①车辆脱轨;②未被平衡横向离心加速度时变率(欠过超高时变率);③车体倾斜角速度(超高时变率)。 (1)按车辆脱轨条件确定缓和曲线长度 由于在缓和曲线上一个车辆转向架的四个车轮处于三点支承状态,因此脱轨条件的分析应给予充分重视。 为防止车辆脱轨,假设车体和转向架刚性接触,并且车体对扭转有无限抵抗,缓和曲线长度由转向架中心间距决定;在完全心盘支承,且不考虑其摩擦力的情况下,缓和曲线长度由转向架轮对间距和轮缘高度决定。 我国现行《铁路线路设计规范》中规定,为防止车辆脱轨的最大超高顺坡率不大于2%。 ,即1/500。 所以对于超高线性变化的三次抛物线及其改善型缓和曲线上,由车辆脱轨条件确定的缓和曲线长度为: I。 -ho/imax=0.5h°(2-20) 式中h0—实设超高(mm); I0—缓和曲线长度(m); imax—缓和曲线最大超高顺坡率(%。 )。 由上式不难看出,对于缓和曲线普遍较长的高速铁路,由脱轨安全要求计算的缓和曲线长度显然不起控制作用。 (2)按未被平衡横向加速度时变率(欠超高时变率)确定缓和曲线长度 列车通过曲线时,超高、曲率与列车速度不适应,就会产生未被平衡的横向加 速度。 在缓和曲线上,未被平衡加速度是不断变化的,过大的未被平衡横向离心加速度变化率会引起旅客乘坐条件的恶化。 因此,对最大未被平衡横向离心加速度时变率 应有所限制,以保证旅客必要的舒适度。 即: 式中 「未]—允许的未被平衡横向加速度时变率(m/s3); 被平衡横向加速度时变率限制下的缓和曲线长度为: 式中Vma—设计最高速度(或该曲线限制速度)(km/h) 对未被平衡横向离心加速度时变率的限制,实际上就是对欠超高时变率的限制。 国内外的研究表明,未被平衡横向离心加速度值为: [未岂0.015g/s,欠超高时变率dhq/dt空23mm/s,95%旅客在“轻微感觉”内; [未乞0.025g/s,欠超高时变率dhq/dt—38mm/s,20%旅客有“明显感觉”; 一: 未乞0.034g/s,欠超高时变率dhq/dt空51mm/s,50%旅客有“明显感觉”。 对于客运专线高速铁路,要考虑更高的旅客舒适条件要求,建议允许未被平衡横向离心加速度时变率「未]及对应的超高时变率限制值[dhq/dt]为: 一般条件下: 「未]"0%他[叽/町23mm/s; 困难条件下: 「未I"025? /%[dhq/dt]=38mm/s。 据此,可得出缓和曲线长度: 一般条件下: 1。 -12.410Smaxhq(2-23) 困难条件下: 1。 一7.410Sxhq(2-24) (3)根据车体倾斜角速度(超高时变率)要求确定缓和曲线长度 车辆通过缓和曲线,由于外轨超高的变化,车体产生倾斜角速度,过大的车体 倾斜角速度也会引起旅客乘坐舒适条件的恶化。 因此,对最大车体倾斜角速度亦应有 所限制,以保证必要的旅客乘坐舒适度。 故要求: (2-25) vdh [-]s1dl 式中[]—允许的车体倾斜角速度(rad/s)。 列车运行在超高线性变化的三次抛物线及其改善型缓和曲线上时, dh/dl二ho/l。 。 则车体倾斜角速度,与超高时变率f(dh/dt)、超高顺坡i的关系如 下: 式中k—超高时变率倒数(s/m)。 任何一个,就可得出缓和曲线长度为: vmaxh01vmaxh。 1 loVmaxhok, 3.6s[]3.6[f] 根据对国内外高速铁路的研究,为使客运专线的高速列车具有较高的舒适度,建议: 一般缓和曲线长度时: k=11,[‘]=0.0168rad/s;[f]=25mm/s;最小缓和曲线长度时: k=9,匸’]=°.°2°6rad/s;[f]=31mm/s;个别缓和曲线长度时: k=8,厂]=0.0233rad/s;[f]=35mm/s。 于是,可得出由车体倾斜角速度要求控制的缓和曲线长度: 一般缓和曲线长度: lo-1110‘Vmaxho(2-28) 最小缓和曲线长度: lo-910‘Vmaxho(2-29) 个别缓和曲线长度: lo-81O”Vmaxho(2-30) 经计算分析,对高速铁路而言,多以根据车体倾斜角速度(超高时变率)要求确定缓和曲线长度为控制条件。 从式(2-28)、式(2-29)和式(2-30)可看出,对某一曲线而言,Vmax为定值,故影响缓和曲线长度的要素只是设计超高ho的取值问题,ho值越大,缓和曲线越长,反之则短。 在《京沪高速铁路设计暂行规定》中规定: 缓和曲线长度应根据曲线半径和地形条件按表2-2合理选用,一般宜选用一般长度,困难条件下不宜小于最小长度,特殊困难条件下亦不应小于个别最小长度。 缓和曲线长度在三档之间插值选用时,应以10m为单位。 表2-2缓和曲线长度(m 曲线半径 缓和曲线长度 一般长度 最小长度 个别最小长度 14000 280 250 220 12000 330 270 250 11000 370 300 280 10000 430 350 330 9000 490 400 360 8000 570 470 410 7000 670 540 460 3•限速曲线的缓和曲线长度标准的确定 在铁路选线定线设计时,在受地形、地物等各种条件控制的困难地段及位于大型车站两端减、加速地段,往往只能采用较小半径的曲线,曲线地段的行车速度也受到限制。 同时在限速地段内,往往有小偏角的曲线需要采用较大曲线半径和较小的缓和曲线的情况,因此缓和曲线长度应与限速曲线的行车速度相适应。 2.2.4夹直线及圆曲线最小长度 在地形困难曲线毗连地段,两相邻曲线间的直线段,即前一曲线终点(HZi)与 后一曲线起点(ZH2)间的直线段,称为夹直线。 高速铁路中缓和曲线和圆曲线的最小长度主要受到列车运行平稳性和旅客乘坐舒适条件控制。 理论上列车运行平稳、旅客乘坐舒适所要求的夹直线和圆曲线的最小长度,通常 按列车在缓和曲线出入口(即夹直线或圆曲线的起终点)产生的振动不致叠加考虑,与列车振动、衰减特性和列车运行速度有关。 根据实验结果,车辆振动的周期约为1.0s,列车在缓和曲线出入口产生的振动在一个半至两个周期内基本衰减完毕,按两个周期计算则夹直线或圆曲线的最小长度为 (2-31) vmav Lmin-2'0.6vmax 3.6 式中Lmin――夹直线或圆曲线的最小长度(0); Vmax――设计最高速度(km/h)。 我国既有干线一般地段夹直线长度标准约为(0.6〜0.67)vmax。 国外高速铁路相应最高运营速度200〜350km/h的夹直线和圆曲线的最小长度大约为(0.4〜1.0)vmax。 计算机模拟计算结果表明,夹直线长度为0.8Vmax时,在夹直线起终点对高速车辆产生的激扰振动不会叠加,对行车平稳和旅客乘坐舒适性没有明显的影响,所以,京沪高速铁路夹直线及圆曲线最小长度一般按0.8Vmax计算确定;困难条件下按 0.6vmax计算确定,按远期速度目标值350km/h计。 2.2.5建筑限界 建筑限界分为铁路建筑限界、隧道建筑限界和桥梁建筑限界。 世界各国的高速铁路建筑限界,由于所采用的机车车辆性能、结构尺寸、最高速度以及运输模式各不相同,加之国情也不一样,所采用的研究方法和基本尺寸亦有所不同。 建筑限界是高速铁路的基本技术标准之一,与设备设施的设计密切相关。 通过分析,电气化铁路建筑限界的高度主要与接触网悬挂方式、结构高度、导线高度、带电体对地绝缘以及隧道、桥梁的断面尺寸和施工误差等因素有关;建筑限界的宽度主要、机车车辆限界的宽度、机车车辆运行中横向振动偏移量、轨道状态及一定的安全裕量等因素有关。 结合我国高速铁路的特点,根据各种条件的计算结果,并考虑留有一定的安全裕量,我国高速铁路建筑限界的基本尺寸取最大高度7.25m,最大宽度4.6m,
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