高速铁路跨区间无缝线路的发展.docx
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高速铁路跨区间无缝线路的发展
一高速铁路跨区间无缝线路的发展.......................................
二、高速铁路跨区间无缝线路设计.......................................
2.1无缝线路设计...................................................
2.1.1轨条布置....................................................
2.1.2锁定轨温..................................................
2.1.3桥上无缝线路设计锁定轨温..................................
2.1.4隧道地段无缝线路设计锁定温................................
2.2设计检算......................................................
三、高速铁路跨区间无缝线路的施工.....................................
3.1300m长轨节基地焊接.........................................
3.2300m长轨节运输及铺设........................................
3.3长轨节现场焊接与线路锁定.....................................
3.4轨道整理及钢轨预打磨.........................................
四、高速铁路无缝线路动力稳定性概率分析...............................
4.1无缝线路动力稳定性判断则.......................................
4.2无缝线路动力稳定性分析中的不确性...............................
4.2.1轨道不平顺及其随机拟........................................
4.2.2机车车辆的蛇行运动的模拟....................................
4.3无缝线路动力稳定性分析模型.....................................
4.4车辆一轨道横向随机振动分析.....................................
4.5无缝线路的动力稳定性分析.......................................
五、高速铁路无缝线路铺轨机组的国外发展概况...........................
5.1国外发展况.....................................................
5.1.1单枕法......................................................
5.1.2群枕法......................................................
5.1.3长轨排法....................................................
一、高速铁路跨区间无缝线路的发展
1964年10月1日,一条列车运行最高速度为210km/h的铁路在日本正式投入载客运输,这就是闻名世界的东海道新干线,它标志着世界铁路进入了高速列车时代。
此后,一些发达国家高速铁路的发展方兴未艾,高潮迭起。
图1为高铁技术比较先进的国家具有代表性或里程碑式的事件记录。
图1各国高铁发展大事记
从图1中可以看出,中国的高速铁路虽然起步晚,但发展迅速。
短短几年,中国高铁实现了从追赶到引领的重大跨越。
刚刚开通的京沪高铁时速达到380km/h,为现今运营的最高时速的高速铁路。
美国总统奥巴马曾在一次演讲中这样说道:
“美国应把中国当作榜样。
未来25年要让80%的美国人口享受高铁。
”
众所周知,对于铁路轨道而言,保证开通时达众所周知,对于铁路轨道而言,保证开通时达到设计速度的关键是其高平顺性和高稳定性。
轨道作为铁路固定设备的重要组成部分,其自身的结构特点起着至关重要的作用。
无缝线路具有行车平稳、旅客舒适、节省接头材料、降低维修费用、延长线路设备和机车车辆使用寿命等优点,是铁路轨道结构的发展方向.无缝线路(jointlesstrack)是用焊接长轨条铺设的轨道,因为长轨条没有轨缝而得名,西方国家叫作焊接长钢轨轨道(ContinuousWeldedRailTrack,英文简称CWRTrack)。
无缝线路被公认为是20世纪轨道结构最突出的改进与创新。
无缝线路的出现不但在理论上修正和丰富了轨道结构的设计、计算内容,而且在结构上改变了轨道的连接方式,最大限度地减少甚至消除了钢轨接头,减少列车在接头区的冲击与振动,不但延长了轮、轨部件的使用寿命,减少了维修费用,而且提供了平滑的运行表面,给列车运营和行车安全也带来诸多好处。
照美国统计,可减少行车阻力4%,延长钢轨寿命40%,线路维修费用每年每千米可节省约30%~50%。
尤其对高速与重载铁路来讲,无缝线路已成为它们不可或缺的轨道结构形式。
我国最早于1957年开始在京沪两地各铺设lkm无缝线路,1961年底全国共铺设无缝线路约150km。
20世纪六七十年代我国开始对在特殊线路(桥梁、楼道、小半径曲线,大坡道等)铺设的无缝线路进行了理论和试验研究,并取得了成功,为无缝线路的连续铺设创造了条件。
至今,京广、京沪、京哈、陇海等主要干线均已铺成无缝线路。
我国的无缝线路现以每年新铺1000km的速度发展。
二、高速铁路跨区间无缝线路设计
目前,我国高速铁路特别是客运专线铁路已经进入大规模建设阶段,轨道结构由传统的有碴轨道发展为现在的板式无碴轨道和更为先进的双块式无碴轨道,线路均采用跨区间无缝线路。
线路技术水平的提高一方面对无缝线路设计提出了更高的要求,另一方面是无缝线路的施工技术由/标换长0到/一次性新建0。
本文考虑客运专线跨区间无缝线路轨道技术水平的提高,从设计与施工的实际需要出发,对我国当前客运专线无缝线路轨道设计理论和施工方法进行了探讨和总结。
2.1无缝线路设计
我国的高速铁路或客运专线铁路建设已经进入实施阶段,目前无缝线路设计主要参照5京沪高速铁路设计暂行规定6、5新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定6及5铁路轨道强度检算法6等规范和标准。
2.1.1轨条布置
高速铁路无缝线路轨节单元长度根据线路和施工条件等综合确定,一般取1000~2000m,但最短Y200m。
一般情况下,设计中基地焊接长轨节按300m以上考虑,即100m定尺轨在焊轨厂或焊轨基地焊接成长500m以内的长轨节,运抵现场后再进行单元焊和锁定焊。
轨节单元的焊接接头应尽量出现在过渡段范围
内、桥台前后各50m、跨度>64m桥跨的两端各30m范围内、隧道内距隧道口200m范围内的等轨温变化较大、钢轨承受较大附加纵向力的地方。
2.1.2锁定轨温
跨区间无缝线路的设计锁定轨温应根据气象资料、无缝线路的允许温升和允许温降确定,并满足桥上无缝线路的断轨检算要求,同时还应满足相邻轨节单
元间锁定轨温差Z5e、左右股锁定轨温差Z3e、同一区间内轨节单元的最高与最低锁定轨温差Z10e的要求。
11211区间路基上无缝线路设计锁定轨温设计锁定轨温一般由强度条件和稳定性条件确定,由公式
(1)计算:
Te=(Tmax+Tmin)P2+([△Td]+[△Tc])/2±△Tk
(1)
式中Te=(T+T)P2+([△T]+[△T])/2±△T设计锁定轨温;
Tmax----当地历年最高轨温;
Tmin----当地历年最低轨温;
$Tk-----设计锁定轨温修正值,一般可取0e~5e
[△Tc]----允许温升,一般由稳定性条件和强度条件计算确定:
[△Tc]=([P]-2△P)/(2EFA),其中E为钢轨的弹性模量;A为钢轨的线膨胀系数,取11.8*10-6/°C;F为钢轨的截面积;[P]=P/1.3为允许压力,P为钢轨临界温度力,由/统一公式0计算确定;$P为钢轨纵向附加力,对于路基地段的无缝线路,△P=0。
[△Td]-----允许温降,一般由强度条件计算确定:
[△Td]=([σ]-σd-σf)/(Eα),其中[σ]为钢轨允许应力;σd为钢轨动弯应力;σf为钢轨附加纵向应力,对于路基上的无缝线路,σf=0。
2.1.3桥上无缝线路设计锁定轨温
桥上无缝线路设计锁定轨温的计算,首先应根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》计算附加力,由强度和稳定条件确定允许温升和允许温降,然后确
定锁定轨温并进行断缝值检算。
桥上无缝线路钢轨断缝值由式
(2)检算:
λ=EA(△T)²/γ≤[λ]
(2)式中的E为钢轨的弹性模量值;A为钢轨的截面积;α为钢轨钢的线膨胀系数;△T为无缝线路钢轨最大温降;γ为线路纵向阻力;[λ]为允许断缝值,高速铁路轨道取7cm。
2.1.4隧道地段无缝线路设计锁定轨温
隧道内距隧道口200m范围内无缝线路的设计锁定轨温应与两端区间无缝线路设计锁定轨温一致。
隧道出入口处轨温过渡段应根据温度力计算加强锁定。
跨区间无缝线路设计锁定轨温确定时,应避免出现轨温频繁变化的情况,一定范围内的锁定轨温应根据最不利条件(如大跨度桥梁、道岔等)确定,全段尽量采用统一的锁定轨温。
同时应满足设计锁定轨温上、下限的要求,即上限Tm=Te+(3℃~5℃)、下限Tn=Te-(3℃~5℃),设计锁定轨温上、下限应满足公式(3)要求:
Tmax-Tn≤[△Tc]
Tm–Tmin≤[△Td](3)
2.2设计检算
设计锁定轨温确定后,应对桥上无缝线路的强度稳定性和断缝,以及对道岔区无缝线路的强度、稳定性和伸缩位移等进行检算。
桥上无缝线路检算应根据桥梁类型、轨道结构等计算桥上无缝线路的伸缩力和挠曲力;道岔区无缝线路应计算基本轨附加纵向力,具体检算分别按轨道强度理论、稳定性理论和相应规定进行。
三、高速铁路跨区间无缝线路的施工
高速铁路无缝线路的成熟技术为无碴轨道体系,铺轨施工均采用新建铁路一次性铺设。
一般在焊轨基地设焊轨作业流线,GAAS80P580直流闪光接触焊机将100m定尺钢轨焊接成300m长轨节。
在无碴轨道的混凝土底座施工完成后,采用长轨节运输车和长轨节推送车将300m长钢轨配对推送至待铺轨的混凝土底座上,完成长轨节放送。
待轨道板铺设和调整完毕,且CA砂浆浇筑48h后,将300m长钢轨收放至板式轨道承轨槽内,安装轨道扣件,并进行轨道调整。
一周后用K922移动接触焊焊机进行单元轨节以及锁定焊接,形成跨区间无缝线路。
最后对全段线路轨道进行调整、打磨等,以确保达到客运专线轨道线路高平顺性和稳定性控制标准。
3.1300m长轨节基地焊接
钢轨进入焊接基地后,存放于具有移动式龙门吊的钢轨存放场地。
钢轨卸车后应对钢轨进行超声波探伤检查,对检验合格的钢轨进行同温条件下的长度丈量,按长度配对并统一编号,在自动作业流水线上按顺序焊接钢轨。
基地长轨节焊接必须采用闪光焊,焊接前需对钢轨进行钢轨校直、除锈和预热等预处理准备作业,校直的目的是保持钢轨的平直度和消除轨头硬弯;钢轨除锈是为了保证焊机的电极与钢轨有良好的导电性能;预热可以使钢轨焊接到达理想的施焊质量。
钢轨接头基地焊接采用GAAS80/580直流闪光接触焊轨机焊接,经对中、调尖峰、闪光、顶锻、推出工序将短轨焊接成设计长度的长轨节。
钢轨焊接过程中,钢轨伸出长度、闪光流量、闪光初速、闪光末速、焊接时间、接触压力、夹紧压力、顶锻压力等工艺参数是保证焊接质量的关键,不得随意变动。
焊接接头轨温降到500℃以下后,应利用正火机把接头重新加热,加热宽度应以焊缝为中60~100mm,轨头加热温度900℃±20℃,轨底脚加热温度800℃~900℃,此工艺称为正火。
对已焊接钢轨应在焊接接头范围内进行钢轨截面的初次粗打磨;然后使用FMG-22/2型电动手推摆式钢轨仿形打磨机对焊头左右500mm范围内的轨顶面和工作边进一步细磨,使钢轨工作面的不平度≤0.3mm/m。
最后对接头焊缝逐一进行超声波探伤检测验收,将焊接合格的300m长轨节统一存放在成品轨节场,以备铺轨使用。
3.2300m长轨节运输及铺设
300m长轨节装运设备包括19台2t固定龙门吊、CPG500型长轨节运输车、DF4型内燃机车或重型轨道车等。
在焊轨基地通常用固定龙门吊联合起吊装车,
封锁紧固后由机车牵引运至施工现场。
铺设长轨节时,首先准备好滚筒、胶轮小推车、钢轨拉伸器、临时钢轨接头等工具,随铺轨前进方向编组的长轨节推送车到达铺轨现场。
在底座混凝土上布设滚筒形成长轨节输送通道后,用长轨节推送车上的卷扬机将长轨节由长轨运输车组拖出,再通过钢轨分离装置,将两根长轨节分为1435mm间距,使用钢轨推送装置向前推送长轨节,再由滚筒形成的输送引道上向前推送,直至长轨节推送就位。
长轨节推送就位后,利用钢轨拉伸器调整轨缝,移出滚筒,使长轨节落入底座混凝土上预埋的螺栓槽内,安装临时钢轨接头,将长轨节与底座混凝土进行临时固定,并将轨距调整为标准轨距,完成长轨节就位。
然后按工序进行后续长轨节铺设。
所有300m长轨节推送就位后,由最后一对长轨节开始,将轨距从标准轨距调整为3100mm,然后接铺长度100左右的工具轨,进行轨道板铺设作业。
轨道板运输采用轮轨式运板车,铺板机由长轨节铺设的反方向进行轨道板铺设就位,经过精确调整后,浇筑CA砂浆。
待CA砂浆的强度达到规定强度后(一般需48h),利用收轨器将轨距调整为3100mm的长轨节依次收缩并回落到轨道板的承轨槽内,安装轨底垫板,调整轨距后紧固扣件锁定钢轨,完成铺轨作业。
3.3长轨节现场焊接与线路锁定
在300m长轨节铺设完成后,形成跨区间无缝线路还需进行长轨节现场焊接和线路锁定两道关键工序。
现场焊接包括单元焊接和锁定焊接两步完成,单元焊接是将300m长轨节焊联成轨节单元,每一轨节单元长度一般为1000~2000m锁定焊接是轨节单元之间的焊接。
单元焊接和锁定焊接均采用闪光接触焊,一般使用K922移动式闪光接触焊机进行焊接。
由于现场焊接钢轨的时间和环境温度不同,所形成的无缝线路在不同地段所蓄积的应力分布不均匀,存在现场焊接点的应力集中现象,因此,必须进行应力放散和重新锁定作业。
应力放散是将已经达到初期稳定无缝线路,重新松开扣件、支起钢轨、垫上滚筒、使钢轨处于由伸缩状态,或自由伸缩后进行适当的强制拉伸,放散钢轨内的温度应力和附加应力,然后按设计锁定轨温将无缝线路在“零”应力状态条件下锁定,形成钢轨内力分布均匀的无缝线路。
3.4轨道整理及钢轨预打磨
线路开通前必须进行无缝线路整理作业,即线路达到成型稳定后,对全线钢轨进行预打磨,打磨次数不少于两遍。
钢轨打磨采用钢轨打磨列车作业,打磨前要确认打磨车的测量和打磨装置放置是否正确,并确定每遍打磨作业的打磨深度、打磨角及作业压力等作业参数。
打磨作业视钢轨打磨部位轨面不平顺状态,可采用停车集中打磨或列车行进中打磨两种不同方式,列车进行中打磨一般打磨进度约控制在8km/h,打磨深度设置在0115~0120mm。
经全线打磨的钢轨接头必须满足平直度的要求,即符合表1的各项指标规定。
四、高速铁路无缝线路动力稳定性概率分析
高速铁路是世界铁路发展趋势,是铁路现代化的标志。
高速铁路无缝线路动力稳定性分析及其安全评估是高速铁路跨区间无缝线路的关键技术之一。
无缝线路在温度荷载及动轮载共同作用下的动力稳定性关系到行车的安全,吸引各国铁路部门的高度重视。
随着行车速度的不断提高及重载列车的开行,列车作用于铁路轨道的动力作用加剧,无缝线路的动力稳定性问题日益突出。
高速铁路无缝线路动力稳定性分析主要研究在温度力与列车荷载共同作用下无缝线路胀轨跑道的发生规律,产生的力学条件和丰要影响因素,以及无缝线路动力稳定性的安全储备等,从而为确定无缝线路设计锁定轨温、允许温升标准、维修作业轨温条件提供理论依据,服务于有关技术规范的制定以及安全管理体系的建立。
4.1无缝线路动力稳定性判断准则
无缝线路的动力稳定性了属于结构概率(随机)稳定性的范畴,根据李雅普诺夫数学意义的概率稳定性理论,无缝线路动力稳定性的判断准则可以从随机反应的动力可靠度的角度来定义。
轨道横向变形超过安全界限作为无缝线路动力稳定失效准则。
根据李雅普诺夫数学意义的概率稳定性的数学定义[21,无缝线路动力稳定性判断准则可定义为:
式
(1)所定义的无缝线路动力稳定性判断准则可表达为:
在随机列车荷载作用下,在规定的时问内、规定的条件下,无缝线路动力反应过程不超越安全界限的概率(aP无缝线路反应过程动力可靠度)大于无缝线路稳定性的目标叮靠度,无缝线路是稳定的;反之,无缝线路足不稳定的。
无缝线路动力稳定性的判断准则以概率的形式来表达,无缝线路动力稳定性的安全度以概率来度量。
4.2无缝线路动力稳定性分析中的不确定性
工程中不确定性是不可避免的。
无缝线路动力稳定性分析包含多种不确定因素,如轨道不平顺,车辆的蛇行运动,轨道结构材料性能的离散性等。
在诸多的参数中轨道竖向不平顺、车辆蛇行运动及道床横向刚度随机性较强。
本文用随机过程描述轨道竖向不平顺、车辆蛇行运动,采用随机模拟方法产生随机过稗的样本函数及随机变量样本。
4.2.1轨道不平顺及其随机模拟
轨道不平顺是指轨道儿何空间坐标、位置的偏差。
主要包括方向、前后高低、水平和轨距等。
轨道不平顺不能用一个确定性的数学表达式来描述,只能用随机过程理论来描述和分析其幅值和波长结构。
研究表明,轨道不平顺町采用高斯随机过程描述,高速铁路跨区间无缝线路的轨道不平顺可视为沿线路走向的各态历经过程。
根据我国干线铁路轨道谱,采用三角级数法模拟出干线铁路轨道不平顺样本函数闭.见网1。
根据秦沈客运专线山一绥高速试验段的轨道不平顺实测数据,采用时间序列分析的ARMA模型,模拟出高速铁路跨区问兀缝线路轨道不平顺样本函数,见图l、2。
4.2.2机车车辆的蛇行运动的模拟
由于机车车辆的蛇行运动的复杂性。
其概率描述是比较困难的。
机车车辆轮对的蛇行运动很难测试,但构架蛇行波相对来说容易得到.根据构架实测加速度蛇行波可以模拟出大量构架蛇行波。
称为构架人工蛇行波。
高速列车构架人T蛇行波町根据高速列车实测蛇行波标准差统计资料进行随机模拟,构架横向加速度见图3、4。
4.3无缝线路动力稳定性分析模型
本文将振动理论和稳定理论结合,建立无缝线路动力稳定性分析模型及运动程。
无缝线路动力稳定性分析模型视机车车辆与轨道为一个空间耦合系统。
系统模型如图5所示。
轨道模型采用包含钢轨.轨枕的双层模型.钢轨采用Timo.shenko梁模型.考虑钢轨的剪切变形和旋转惯性矩的影响;车辆模型包括一个车体、两个转向架和四个轮对。
蠕滑力与蠕滑率的关系、悬挂元件(包括阻尼元件和弹性元件)的特性、轨道横向力与轨道横向位移的关系均视为线性。
该模型考虑了机车车辆荷载的影响,以轨道不平顺作为竖向激振源,将构架蛇行波作为参数输入振动系统。
采用动力学势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了车辆一轨道耦合系统运动方程。
4.4车辆一轨道横向随机振动分析
车辆系统随机振动分析的目的是要在概率意义下定量地评价无缝线路横向稳定性的安全度.即动力町靠性分析。
本文采用随机模拟法(Monte—Carlo)进行轮轨随机振动分析。
Monte—Carlo进行随机振动分析具有以下优点:
Monte—Carlo法既能适用于随机荷载作用下确定性结构的随机振动分析,又能适用于随机结构的分析:
Monte—Carlo法无需求解复杂的特征值问题,也不必将稳定性控制方程解耦。
而是直接采用逐步积分的方法求各时刻方程组的解.得到反应的时间历程;采用时域内的随机模拟法进行随机振动分析.对于无缝线路动力稳定性町靠度分析更为方便。
根据随机模拟法(Monte—Carlo)编制了车辆一轨道随机振动分析程序.将车辆一轨道随机振动分析的结果与试验进行了对比分析.见图6—9。
从以上计算结果和测试结果的对比町以看出,轨道结构振动响应的计算时程曲线与实测时程曲线走势基本一致,计算值与实测值幅值最大值比较接近.频域特性在总体上吻合较好。
说明本文的分析模型、计算方法和计算程序用于车辆一轨道系统随机振动分析是切实可行的。
4.5无缝线路的动力稳定性分析
根据无缝线路动力稳定性的判断准则,无缝线路动力稳定性町以通过随机反应的动力可靠度来进行评估。
引入更新随机过程141,采用随机过程的峰值分布理论,建立铁路列车荷载作用下无缝线路反应的更新过程模窄,提}lj了设计基准期内尤缝线路稳定性基于反应更新过程模型首次超越的动力町靠度分析方法。
通过对既有干线铁路无缝线路动力稳定性町靠度的校准分析,提出高速铁路无缝线路动力稳定性的可靠指标建议值为4.2。
在可靠指标为4.2时,不I司IIlI线半径的高速铁路无缝线路允许温升的计算结果见表1,安全允许温升与曲线半径的关系见图10。
南以上计算结果可见.高速铁路无缝线路动力稳定性允许温升随着曲线半径的增大而提高,但总的提高I幅度不人,当曲线半径>12000m时,允许温升增长较为缓慢。
允许温升60%所对应的曲线和直线无缝线路稳定性均能达到日标可靠指标。
因此,建议高速铁路无缝线路稳定性安全温升标准定为60℃。
五、高速铁路无缝线路铺轨机组的国外发展概况
5.1国外发展概况
目前,国外在高速铁路无缝线路的施工中,使用的铺轨机组按施工工艺主要分为三大类,即单枕法、群枕法和长轨排法。
5.1.1单枕法
单枕法又可分为单枕连续铺设法(一次连续铺设根以上的轨枕)和单枕间歇铺设法(一次连续铺设根轨枕)两种。
单枕法的施工特点是先把长钢轨放置到道床两侧,再将轨枕单个、依次、顺序地放置在道碴上,接着进行轨枕间距的调整和轨枕定位工作,然后把长钢轨收拢、就位。
这种方法适应曲线能力强,铺出的线路圆顺,质量好。
单枕连续铺设法使用的是大型机组,自动化程度高,工效高,但投资大,代表机型主要有瑞士MATISA公司的TCM60型、奥地利PLASSERδTHEURER公司的SVM1000CH型和美国TAMPER公司的NTCP811型铺轨机组(三个机型主要技术参数见表1);单枕间歇法使用的是两个一组的中小型机械,投资小,但往返次数多,工效也低。
代表机型主要有德国ROBEL公司的PK1—20ES型铺枕机和43.32型收轨机。
5.1.2群枕法
群枕法的施工特点是先把长钢轨放置到道床两侧,然后用两台龙门铺枕机带着特制的吊具,到轨枕运输列车上一次提取根轨枕,走到工位后,
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