铁道工程电子教材-轨道结构

铁道工程电子教材-轨道结构内容摘要：

概述 轨枕承受来自钢轨的各向压力，并弹性地传布于道床，同时，有效地保持轨道地几何行位，特别是规矩和方向。 轨枕应具有必要的坚固性、弹性和耐久性，并能便于固定钢轨，有抵抗纵向和横向位移的能力。 轨枕依其构造及铺设方法分为横向轨枕、纵向轨枕及短轨等。 横向轨枕与钢轨垂直间隔铺设，是一种最常用的轨枕。 纵向轨枕一般仅用于特殊需要的地段，短轨是在左右两股钢轨下分开铺设的 轨枕，常用于混凝土整体道床。 轨枕按其使用目的分为用于一般区间的普通轨枕，用于道岔上岔枕，用于无碴桥梁上桥枕、混凝土枕和混凝土宽枕。 一、木枕 木枕又称枕木，是铁路最早采用而且仍然继续使用的一种轨枕。 主要优点是弹性好，可缓和和列车的冲击作用；易加工，运输、铺设、养护维修方便；与钢轨联结比较简单；有较好的绝缘性能等。 但木枕要消耗大量优质木材，由于资源有限，其价格较贵。 木枕的主要缺点是易腐朽、磨损，使用寿命短，这也有来自生产工艺水平的原因；其次是由于木材种类和部位的不同，其强度、弹性不完全一致，在机车车辆作用 下会形成轨道不平顺，增大了轮轨动力作用。 木枕的使用寿命短，其失效原因很多，主要是腐朽、机械磨损和开裂。 木枕腐朽是生物作用的过程，而机械磨损和开裂则是列车反复作用和时干时湿的结果。 这三者是互为因果的。 木枕一旦腐朽，强度就要降低，同时又会促进机械磨损和开裂的加剧发展。 相反，木枕一旦出现机械磨损和开裂，木质受到损伤，这就为加速腐朽提供了有得条件。 为延长木枕 使用寿命，应对这三者进行综合治理。 二、混凝土枕类型 随着铁路高速、重载发展的需要，用混凝土枕代替已成为发展方向。 混凝土枕材源较多，并能保证尺寸，使轨道弹性均匀，提高了轨道的稳定性。 混凝土枕不受气候、腐朽、虫柱及火灾的影响，使用寿命长。 此外，混凝土枕还具有较高的道床阻力，这对提高无缝线路的横向稳定性是十分有利的。 混凝土枕的特点是自重大、刚度大，与木枕线路相比其轨底挠度较平顺，故轨道动力坡度小。 同时也存在列车通过不平顺的混凝土线路时，轨道附加动力增大。 故对轨下部件的弹性提出了更高的要求，以提高线路抗 振能力。 混凝土枕按使用部位的不同，可分为普通混凝土枕、混凝土岔枕及混凝土桥枕三种。 按结构型式分有整体式、组合式和半枕三种。 整体式混凝土整体性强，稳定性好，制作简便，是目前各国使用最多的一种类型。 组合式混凝土由两个钢筋混凝土块体用一根钢杆连接而成。 这种轨枕整体性不如整体式混凝土枕，但由于它用混凝土和钢材组合而成，能充分发挥各自的力学性能优势。 图 14为法国铁路上采用的双块式混凝土枕。 按配筋方式分有普通钢筋混凝土枕和预应力混凝土枕两类。 普通钢筋混凝土抗弯能力很差，容量开裂失效，已被淘汰。 预应力混凝土枕，制作时给混凝土 施加强大的预压应力，因而具有抗裂性能好，用钢量少的优点。 我国主要采用整体式、预应力混凝土枕，简称混凝土枕（ Pc 枕）。 预应力混凝土枕按照施工方法不同分国先张法和后张法预应力混凝土两类。 （二）混凝土枕外形及尺寸 混凝土结构设计主要决定于其受力状况。 轨枕为支承在弹性基础上的短梁，在钢轨传来的荷载作用下，轨枕底面对轨枕产生反力，轨枕各截面则产生弯矩。 混凝土枕受力状况与道床支承条件有密切关系，支承条件有中间不承、中间部分支承和全支承三种情况。 在不同支承情况下，轨枕承受弯矩的情况是不同的。 由图中可以看出，轨下截面正弯矩以中间部分不支承时为最大，而枕中截面负糨矩则以全支承时为最大。 1．轨枕形状 混凝土枕截面为梯形，上窄下宽。 梯形截面可以节省混凝土用量，减少自重，也便于脱模。 轨枕顶面宽度应结合轨枕抗弯强度、钢轨支承面积、轨下衬垫宽度、中间扣件尺寸等因素进行综合考虑加以确定。 轨枕项面支承钢轨的部分 称为承 轨槽，做成 1： 40的斜面 ,以适应轨底坡的要求。 轨枕底面在其纵的方向上采用两侧为梯形、中间为矩形的形状，两端有较大的首床支承面积，以提高轨枕在道床上的横向阻力。 当中产部分不支承时，能使钢轨压力R与道床反力 q 的合力昼靠拢，有利于防止中间断面上出现过大的负弯矩。 轨枕底面宽度应同时满足减少道床压力和便于捣固两方面的要求。 底面上一般还作出各种花纹或凹槽，以增回轨枕与道床间的摩阻力。 2．轨枕长度 轨枕长度与轨枕受力状态有关。 根据图 16 三种不同支承情况，对不同轨长进行计算表明，长轨枕可以减少中间截面负弯矩，但轨 下截面上正弯矩将增大，这是矛盾的，一般应收轨下截面正弯矩与枕中截面负变矩保持一定比例来确定轨枕的合理长度。 混凝土枕彻长度一般在 ~ 之间，我国I、 II 型枕均为。 为适应高速、重截的需要，国外向增加轨枕长度的方向发展，在主要干线上普通采用长度 的轨枕。 有关试验结果表明，轨枕长度增加有以下优点：可减少中间截面外荷载弯矩，以提高轨枕结构强度；提高纵横向稳定性和整体刚度，改善道床和路基的工况，对无缝线路的铺设极为有利；提高了道床的纵横向阻力，可适当减少轨枕配置根数。 我国新设计的 III 型轨枕长度有 和 两种。 3．轨枕高度 混凝土枕的高度在其丛长是不一致的 ,轨下部分高些 ,中间部分矮些。 这是因为轨下截面通常在荷载作用下产生正弯矩 ,而中间截面则在荷载作用下产生负弯矩。 而混凝土采用直线配筋，且各截面上的配筋均相同，所以配筋的重心线在轨下部分应在截面形心之下 ,而在中间部分同应在截面形心之上。 这样对混凝土施加的预压应力形成有利的偏心距，使混凝土的拉应力不超过允许限度，防止裂缝的形成和扩展。 （三）我国混凝土枕现状 我国铁路使用的混凝土畹，随着轨道荷载（轴重、速度、通过总重）的增加，轨枕截面的顾载弯矩有所加强。 在设计中，主要采用提高混凝土等级，增加预应务的截面高度等措施。 目前使用的 I型和 II型枕，其外型尺寸完全相同，主要尺寸见表所示。 1． I 型轨枕。 当前我国线路上 I 型轨枕还占有相当比例，从线路上更换下来的轨枕，主要是螺栓孔间的纵裂及轨下正弯矩裂缝。 产生的主要原 因是： （ 1） 使用条件与承载能力不相匹配； （ 2） 结构薄弱， I 型枕原先没有设计箍筋及螺栓筋 ，因此抵抗纵裂及螺栓孔裂纹的能力较差； （ 3） 由于中间截面承载能力低，道床需要掏空，给养护维修带来不便。 2． II型轨枕。 II 型轨枕的设计是根据重载线路承受荷载大，重复次数多的特点，采用疲劳可靠性进行设计的。 设计标准是按年运量 60Mt，轴重机 25t、货车 23t，最高行车速度 120km/h，铺设 60kg/m 的苋轨。 与 I型轨枕相比，轨下截面正弯矩的计算承载能力提高 13%~25%，中间截面正弯矩提高约 %，中间截面负弯矩提高 14%～ 41%。 J2 型轨枕是采用 4 根直径 10mm 的高强度钢筋， C58 级混凝土。 3． III 型轨枕，如图 18 所示。 III 型轨枕是从 1988 年开始，由铁道部专业设计院、铁道部科学研究院等单位研制，现已正式出图。 III 型轨枕分有挡肩和无挡肩两种形式。 （轨枕长度原设计为 ，为适应不同线路的需要，同时有 和 两种长度，其结构强度相同）。 III 型轨枕适用范围为：标准轨距铁路，有挡肩轨枕适用于直线或 R≧ 300m的曲线轨道；无挡肩轨枕适用于直线或 R≧ 350m 的曲线轨道。 作用条件见表。 III 型枕的主要特点： (1)结构合理，强化了轨道结构。 由于轨枕长度增加到 ，并适当加宽了枕底，使枕下支承面积增加 17%，端侧面积约增加20%，轨枕重量增加 31%，因此，可有效提高道床的纵、横向阻力，减缓重载运输所产生的道床累积变形，提高线路的稳定性； (2)轨下和中间截面的设计承载力，较 II 型轨枕分别提高了 43%和 65%。 提高了轨枕的强度； (3)采用无螺栓扣件的扣压力能保持线路稳定。 无纵横向移动，有利于保持轨道的几何尺寸，减少养护修工作量。 三、轨枕间距 轨枕间距与每公里配置的轨枕根数有关，后者应根据运量、行车速度及线路设备条件确定，并和钢轨及道床等综合考虑，合理配套，以求在最经济的条件下，保证轨道具有足够的强度和稳定性。 轨枕密一些，道床、路基面、钢轨以及轨枕本身受力都可小一些。 同时，使轨距、方向易于保持，对行车速度高的地段尤为重要。 但也不能太密，太密则不经济，而且净距过小，也会在一定程度上影响捣固质量。 我国 铁路规定，对木枕轨道，每公里最多为 1920 根，混凝土枕为 1840 根；每公里最少均为 1440 根。 轨枕的级差为每公里 80 根。 每公里铺设数量由线路等级决定，对于正线轨道，可根据“正线轨道类型”表选定（见表 115）。 符合下列条件之一的地段，下线轨道应加强，除按表 115 列出的每公里铺枕根数外，对于混凝土 枕每公里增加 80 根，木枕增加 160 根，当条件重合时，只增加一次，但不能超过前述允许最大铺设数量。 R≦ 600m 的曲线（包括缓和曲线和圆曲线）或木枕轨道、电力牵引线路 R≦ 800m的曲线地 段； 12%0的下坡制动地段； 3.长度等于或大于 300m 的隧道内线路。 普通轨道上，钢轨接头处车轮的冲击动荷载大，接头处轨枕的间距应当比中间的小一些并且从接头间距向中间间距过渡时，应有一个过渡间距，以适应荷载的变化，如图 19 所示。 设 代入上式： 代入式求得 b值 式中 L—— 标准轨长，（含一个轨缝宽度，一般取 8mm) n—— 一节钢轨下轨枕的根数 a—— 中间轨枕间距 c—— 接头轨枕间距 b—— 过渡轨枕间距 根据上式算出的轨枕间距 a取整，然后代入式求得 b 应有的值。 对于无缝线路，轨枕间距应均匀布置。 轨枕间距尺寸按“维修规则”有关规定设置。 （一）混凝土宽枕的特点 混凝土宽枕是一块预制的混凝土块，与混凝土枕外形相似，又称轨枕板。 基制造工艺与混凝土基本相同。 宽枕长度与普通混凝土枕长度相同，均为 ，而宽度约为后者的两倍。 宽枕由于宽度较大 ，直接铺设在预先压实的道床面上，在制造中以其厚度的控制要求较严格。 混凝土宽枕在道床上是密排铺设，每公里铺 1760 块，每块枕上安装一对扣件，由钢轨传来的力处于宽枕轴线的对称位置，可避免荷载的偏心。 宽畹由于宽度较大，在纵横两个方面上都有弯矩作用，是一块支承在弹性基础上的板。 图为混凝土宽枕轨道平面示意图。 1．混凝土宽枕宽 55cm，支承面积较混凝土枕大一倍， 使道床的应力大为减少。 同时，每块宽枕的质量为 500kg 左右，可以减小道床的振动加速度，使道床的变表减小，残余变形积累过程延缓，轨道几何形位易于保持，整个轨道结构得到加强。 2．轨枕与道床接触面上的摩托车阻力增大，提高了轨道的横向稳定性，道床阻力增加约 80%，有得于铺设无缝线路。 3．宽轨枕密排铺设，枕间空隙用沥青混凝土封塞，把道档顶面全部覆盖起来，防止雨水及脏污浸入道床内部，从而有效地保持道床的整洁，延长道床的清筛周期。 4．宽轨枕轨道的维修养护工作量少，仅为混凝土枕轨道的 1/2~1/4，从而减 轻和改善了养护工作条件，减少服务业次数，节省养护费用。 再由于养护维修作业基本上可在轨道两旁进行，对行车。