[毕业设计精品]铁道无缝轨道线路设计.doc

第1章 绪论1.1 线路大修1.1.1 概述铁路线路是由路基、轨道和桥隧建筑物组成。它是一个整体工程结构，共同发挥各自的功用，其任何组成部分的改变或损坏，都将影响整体功能。铁路线路设备是铁路运输业的基础设备，它常年裸露在大自然中，经受着风雨冻融和列车荷载的作用，轨道几何尺寸不断变化，路基及道床不断产生变形，钢轨、联结零件及轨枕不断磨损，因而使线路设备的技术状态不断地发生变化。线路的残余变形，主要是机车车辆与线路相互作用的结果，往往又带有明显的不均匀性和不一致性，而构成线路的不平顺。这种线路的不平顺性，即使是微小的，亦将显著增加机车车辆对线路的附加动力作用。不平顺愈强，附加动力作用愈大，钢轨及其轨下基础负担愈重，残余变形的幅度及其积累愈快，线路承载能力愈低。而铁路运量即通过总质量(表示为轴载与其通过次数的乘积)愈大的线路上，上述过程将发展的愈加剧烈1。对目前的线路结构来说，产生不均匀的残余变形及其积累是无法避免的。人们只能设法延缓它的发展，通过线路维修把它限制在一定范围之内，但不能完全消除。为保证列车的正常运行，线路必须经常保持规定的技术完好状态，一旦这个技术标准被突破，靠线路维修又不能完全防止上述破坏现象的发生，线路各组成部件的疲劳与磨耗伤损，以及道床脏污程度等达到了规定的限度以至于不能继续使用时，就必须进行线路大修来修复轨道的承载能力。另一方面，随着铁路运量的增长，列车平均轴载的增加，行车速度的提高，以及新技术和新设备的发展与应用，需要强化或更新线路设备时，也必须由线路大修去完成。1.1.2 设计内容本设计中采取的方法及步骤如下：(1)根据设计任务书给定的运营条件及线路测量资料，对既有线路平纵断面进行改善。(2)线路大修平面设计14：线路大修平面改善设计，主要是矫正既有线路平面的位置，平面设计以原线路设计标准为依据，并遵循一定的原则和基本的技术条件，根据线路勘测资料，对线路曲线部分各测点进行拨距计算。(3)线路大修纵断面设计：线路大修纵断面设计的目的是改善原有线路设备的技术状态，本设计在既有路基面标高、轨面标高及既有道床厚度的基础上，利用Excel对计算轨面标高、设计轨面标高、设计道床厚度等进行计算，并绘制纵断面设计改善图4。1.2 铁路无缝线路1.2.1 概述随着高速、重载铁路的发展，要求强化铁路轨道结构，提高线路的平顺性和稳定性，消除现有一般无缝线路的缓冲区和道岔区钢轨接头的影响，实现线路的无缝化。把焊接轨条长度延长达整个区间或跨区间并与道岔焊联成一体，这种超长轨条的无缝线路称为区间无缝线路或跨区间无缝线路。由于无缝线路的施工工艺和机械化程度的提高，维修管理方法的不断完善，胶接绝缘接头的技术工艺过关并投入使用，无缝道岔的设计理论逐步完善和试铺成功，从1964年在日本建成第一条高速铁路开始，相继于1983年法国模式的高速铁路成功运营，至今国内外在区间无缝线路和跨区间无缝线路都取得了很大的发展。如日本青函海底隧道长53.83km，在12的坡道上铺设了轨条长53.7km的无缝线路；法国以巴黎为中心的几条高速铁路上，多数无缝线路的轨条长度贯穿整个区间，其中最长一条长达50km；德国焊接道岔数达11万组之多，截至1992年底德国已有93.2%的线路铺设了超长轨条的无缝线路；俄罗斯在顿涅茨铁路上铺设了一段轨条长17.5km无缝线路。中国截至1998年底全国已铺设超长轨条的无缝线路4359.5km。2001年在京沪线南京一上海区间成功铺设了一条轨条长为249km的跨区间无缝线路。秦皇岛至沈阳客运专线上计划全面铺设区间无缝线路或跨区间无缝线路5。在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，由于接缝的存在，列车通过是发生冲击和振动，并伴随有打击噪声，冲击力可达到非接头区的三倍以上。接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，并促使道床破坏、线路状况恶化、钢轨及连接零件的使用寿命缩短、维修劳动费用的增加。养护线路接头区的费用占养护总经费的35%以上；钢轨因轨端损坏而抽换的数量较其他部位大23倍；重伤钢轨60%发生在接头区。随着列车轴重、行车速度和密度的不断增长，上述缺点更加突出，更不能适应现代高速重载运输的需要。为了改善钢轨接头的工作状态，人们从本世纪三十年代开始至今，一直致力于这方面的研究与实践，采用各种方法将钢轨焊接起来构成无缝线路。这中间首先遇到了接头焊接质量问题；其次就是长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定问题；还有无缝线路设计、长轨运输、铺设施工、养护维修等一系列理论和技术问题。随着上述一系列问题的逐步解决，无缝线路在世界各国得到了广泛的运用。在桥梁上铺设无缝线路，可以减轻列车车论对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量。这些优点在行车速度提高时尤为显著。实践证明，无缝线路由于消灭了钢轨接头轨缝，因而具有行车平稳，机车车辆及轨道维修费用降低，设备使用寿命延长，适合于高速行车等优点，是铁路轨道现代化的一项重要技术措施，也是当前高速、重载铁路的必需条件。1.2.2 路基上无缝线路路基上无缝线路设计主要包括69：(1)无缝线路钢轨强度计算，采用连续支承法；(2)无缝线路稳定性计算，采用统一公式模型；(3)无缝线路结构设计与计算。1.2.3 桥上无缝线路桥上无缝线路设计主要包括912：(1)钢轨的伸缩附加力的计算。梁因温度变化而产生的伸缩变形，通过梁轨相互作用，使钢轨产生伸缩附加力。伸缩附加力与梁的日温度差和扣件阻力的大小有关。(2)钢轨挠曲附加力的计算。梁在荷载作用下产生挠曲变形，通过梁轨相互作用，使钢轨产生挠曲附加力，与挠曲变形和扣件阻力的大小有关。(3)钢轨强度计算。钢轨在动应力、温度应力和伸缩附加应力(或挠曲附加应力，两种附加应力不叠加，取其中大者来计算)的作用下，不超过钢轨的容许应力。(4)稳定性检算。钢轨在温度力和伸缩附加力(或挠曲附加力)的作用下，满足稳定性的要求。(5)锁定轨温计算。根据强度、稳定性和缓冲区轨缝设置的要求，计算桥上锁定轨温，并与路基上无缝线路相比较。(6)断缝计算。桥上无缝线路焊接长轨一旦断裂后形成的断缝以及由于伸缩附加拉力而产生的钢轨缩短量叠加起来，检算断缝值是否超过规定的容许值。最后本设计对线路大修工作作了专题研究。通过本次毕业设计，对线路大修及无缝线路的知识进行一次全面汇总和学习，进一步巩固了专业知识，为以后学习和工作打下基础，为将来能承担发展我国铁路发展的重任奠定基石。第2章 线路大修平面设计2.1 概述线路大修平面设计主要是校正线路的平面位置。平面设计应以原线路设计标准为依据，并应遵循以下基本技术条件：(1)设计曲线时应尽量采用单曲线，仅在困难条件下允许保留复曲线，但复曲线的两个圆曲线间，应设缓和曲线连接，其长度按计算决定，但不应短于20m。如条件困难不能设缓和曲线时，两个连续圆曲线的曲率不应大于1/2000，每个圆曲线的长度不得短于50m。(2)直线与圆曲线间应采用缓和曲线连接，其长度一般应短于9×超高度(m)×容许最高行车速度(km/h)，特别困难地段不短于7×超高度(m)×容许最高行车速度(km/h)，计算结果取10m整数倍。如原线路的缓和曲线标准较高时，应采用原线路标准。两缓和曲线间的圆曲线长度一般不得小于20m，困难条件下可减至14m。(3)两圆曲线间的直线长度，原则上应不低于原线路标准。(4)并行的两线路中心距离在5m以下的曲线地段，内侧曲线的超高不得小于外侧曲线超高的一半，否则，应根据计算加宽两线的中心距离。(5)有条件时，应尽可能改善线路对桥梁的偏心及建筑物限界等，使其符合有关规定。(6)圆曲线外轨超高和顺坡，按工务段提出的数据设置，并应符合铁路线路维修规则规定。(7)大修平面设计时，应消除直线地段漫弯。如因建筑物限界关系等原因不能减少或消除时，允许保留原状。平面设计的重点是曲线整正计算，重新确定曲线要素及各主要点的里程，逐步计算每20m测点的拨量，然后根据计算的拨量将错动的线路拨正到正确位置上。曲线平面计算以既有线为参考标准，计算出的拨动量就是相对于既有线路上各测点应拨动的距离，拨正后的曲线是新的线路中心，大修施工时应按新的中线铺轨。计算既有曲线的拨距时，需要既有曲线的外业测量数据。而既有曲线的测量一般采用偏角法或矢矩法。偏角法是应用渐伸线原理，计算既有曲线各点和设计曲线各对应点的渐伸线长度，其渐伸线长度之差即为各点计算拨量。如图2-1所示，既有曲线B点的渐伸线长为，设计曲线上与B点相应的点渐伸线长为，因此，拨距就是两渐伸线长度之差： 0，曲线外挑，0，曲线内压。BANiN2N1B1B2BiB图2-1 曲线的渐伸线根据渐伸线的定义和性质，可导出如图2-1上B点对应的渐伸线长度的计算公式为： 式中，A点与曲线上任意点B之间的弧线长；曲线上任意点B处曲率半径与A点曲率半径的夹角。矢矩法测量如图2-2所示。ABC20806040100f120806040f2f3f4100始端切线图2-2 矢矩法测量图则各曲线段的照准线对始端切线转角为： (2-3)测出两置镜点连线与测点切线的夹角及每20m处的矢矩即可。计算拨距的方法较多，一般经常维修与中修采用绳正法；大修与改建则利用渐伸线法来计算。本设计为线路大修，故采用渐伸线法。2.2 既有曲线渐伸线长度计算既有线虽已错动，但基本线形仍保持原来的形状，可分为按缓和曲线和圆曲线的性质计算。(1)当置镜点在曲线的始切线上时，圆曲线各测点的渐伸线长度为： 式中，l圆曲线上测点的曲线长；圆曲线上测点的偏角，。缓和曲线上各点的渐伸线长度为： 式中，l缓和曲线上的测点至起点的曲线长；缓和曲线上测点的偏角，。结论：既有曲线的渐伸线长度，无论在圆曲线上还是缓和曲线上，其表达式均可表示为：渐伸线长度为测点偏角的弧度数乘该测点至置镜点的曲线长。(2)当置镜点由O点移至A点时，如图2-3所示，A点以后各测点的渐伸线长度： 式中，测点至始切线的累加偏角；、A、B点的偏角；置镜点A处的渐伸线长度；l测点至置镜点间的曲线长。HYAlyEAZHOxx0OBAEB图2-3 渐伸线计算示意图lBlABEAA结论：当置镜点移动时，置镜点后各测点的渐伸线长度等于置镜点处的渐伸线长度加上各测点至置镜的曲线长乘各测点弦线与始切线间的夹角(累加偏角)。2.3 设计曲线渐伸线长度计算(1)选择曲线半径与缓和曲线长度进行曲线计算与设计前，首先要根据既有技术资料和现场实测结果估算既有曲线半径，既有曲线半径可采用下列方法计算： 平均偏角法设L为测点间弦长(一般为20m)，在圆曲线范围内取n个点偏角、，可求得圆曲线内L所对应的偏角的平均值为： (2-7)然后代入下式估算既有曲线半径： (2-8)三点法在既有曲线的圆曲线范围内选取3个距离为L的测点A、B、C，三点的渐伸线长度分别为、，则通过此三点的既有曲线半径为： (2-9)多点法三个点不能体现整个曲线的全貌，当圆曲线较长、测点较多的时候，可以用下列公式计算既有曲线的半径： (2-10)式中，L测点间的长度，一般取为20m；测点既有渐伸线的二次差值；n二次差值的个数，比测点数少2。设计曲线半径R可取估算的既有曲线半径RJ，并根据转角的大小取整(参见表2-1)。表2-1 曲线半径取整转角度数1010202030306060半径取整(m)501051具体选定缓和曲线长度的选用应不低于基本技术条件规定的长度，并取10m的整倍数。比照既有曲线技术资料，不低于原有缓和曲线的标准。(2)推算曲线各主要点的里程曲线中点QZ的里程为保证测量终点不拨动，即终切线不转动也不平移，应该使终点设计渐伸线的长度与既有渐伸线的长度相等。K1/RLLRRZYYZR tg/2LKE=1/2RLxK (a) 平面图 (b) 曲率图E=1/2RLLxL(c) 角线图 (d) 渐伸线图图2-4 设计渐伸线长度计算示意图由图2-4可知，测量终点设计渐伸线的长度为： (2-11)式中，Ly圆曲线长，；l0 缓和曲线长；y测量终点至HZ点的距离；曲线转向角；X 为测量终点至曲线中点的距离。令，则 (2-12)曲线中点QZ的里程=测量终点里程X。ZH、HY、YH及HZ点的里程据QZ里程可推算出ZH、HY、YH及HZ点的里程：ZH里程=QZ里程HY里程=ZH里程HZ里程=QZ里程YH里程=HZ里程(3)设计曲线渐伸线长度的计算设计曲线渐伸线的长度，可根据测点所在位置，分别按下列公式计算： ZHHY第一缓和曲线上各测点： (2-13)式中，R设计曲线半径；l第一缓和曲线上测点至ZH点的曲线长度；l0缓和曲线长。 HYYH圆曲线的渐伸线长度是在ZY点处自始切线内移一段距离p值，因此，在计算渐伸线长度时，应再加p值： (2-14)式中，s圆曲线上测点至ZH点的曲线长；L圆曲线上测点至ZY点的曲线长，；p内移距，。YHHZ第二缓和曲线渐伸线长度，是从终切线向外移值，因此： (2-15)式中，外移量，其中l为第二缓和曲线上测点至YH点的曲线长，。ZH点以后直线段的渐伸线长 (2-16)2.4 拨距计算 (2-17)拨距计算的步骤：(1) 计算既有曲线各测点的渐伸线长度；(2) 选择曲线半径及缓和曲线长，确定各主要点的里程；(3) 计算设计曲线各测点的渐伸线长度；(4) 求出各测点的拨动距离。各条曲线拨距计算见表2-2表2-3。选取曲线、曲线测量资料进行曲线拨距计算。拨距计算 e=EsEj15+0.0310.0540.0660.0780.0780.0910.1050.1090.1060.102表2-2 既有曲线拨距计算表设计曲线渐伸线长度计算Es140.0000.0400.2630.8291.8983.6306.1469.46113.57718.492l36Rl0130.0000.0400.2630.8291.898l122.88922.88942.88962.88982.889l02/24R110.8330.8330.8330.8330.833L2/2R与Xa102.7975.3138.62812.74417.659L或X952.88972.88992.889112.889132.889设计曲线主要设计点里程8ZH：K115+457.111ZY：K115+507.111HY：K115+557.111既有曲线角面积计算Ej70-0.031-0.0140.1970.7511.8203.5396.0419.35213.47118.39020bf60-0.0310.0170.2110.5541.0691.7192.5023.3114.1194.919±f500.3950.3470.153-0.19-0.7051.5950.8120.003-0.805-1.605曲线既有曲线测量资料f400.3950.7420.8950.70501.5952.4072.412.395020b(弧度)30.3643.3147.319a( ' ")21-02-308-27-051-28-25测点里程1K115+440+460+480+500+520+540+560+580+600+620+640续表2-2拨距计算 e=EsEj15+0.1140.1060.0870.1110.0850.0870.0900.1050.1070.1180.127设计曲线渐伸线长度计算Es1424.20830.72438/.03946.15555.07064.78675.30186.61798.733111.648125.364l36Rl013l12l02/24R110.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.833L2/2R与Xa1023.37529.89137.20645.32254.23763.95374.46885.78497.900110.815124.531L或X9152.889172.889192.889212.889232.889252.889272.889292.889312.889332.889352.889设计曲线主要设计点里程8QZ：K115+845.542既有曲线角面积计算Ej724.09430.61837.95246.04454.98564.69975.21186.51298.626111.530125.23720bf65.7046.5247.3348.0928.9419.71410.51211.30112.11412.90413.707±f51.6150.795-0.015-0.773-1.6221.5950.7970.008-0.805-1.5951.617既有曲线测量资料f41.6152.412.3951.62201.5952.3922.41.59501.61720b(弧度)311.30915.324a( ' ")21-25-501-30-10测点里程1+660+680+700+720+740+760+780+800+820+840+860续表2-2拨距计算 e= EsEj15+0.1180.1080.0940.0760.0780.0710.0540.0410.0140.1030.068设计曲线渐伸线长度计算Es14139.879155.195171.310188.226205.941224.457243.773263.888284.804306.519329.035l36Rl013l12l02/24R110.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.833L2/2R与Xa10139.046154.362170.477187.393205.108223.624242.940263.055283.971305.686328.202L或X9372.889392.889412.889432.889452.889472.889492.889512.889532.889552.889572.889设计曲线主要设计点里程8既有曲线角面积计算Ej7139.761155.087171.216188.150205.863224.386243.719263.847284.790306.416328.96720bf614.52415.32616.12916.93417.71318.52319.33320.12820.94321.62622.551±f50.8-0.002-0.805-1.611.6150.805-0.005-0.8-1.6151.6950.77既有曲线测量资料f42.4172.4151.6101.6152.422.4151.61501.6952.46520b(弧度)319.32823.321a( ' ")21-28-101-26-20测点里程1+880+900+920+940+960+980K116+000+020+040+060+080续表2-2拨距计算 e= EsEj15-0.014-0.027-0.037-0.032-0.030-0.014-0.001a=7733'45"，R=500m，l0=100m，L=776.862m，T=452.411m+0.0270.002设计曲线渐伸线长度计算Es14352.350376.466401.381427.038453.288479.969506.922533.986561.060l36Rl0130.0010.0590.3250.9592.122l126.02726.02746.02766.02786.027l02/24R110.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.8330.833L2/2R与Xa10351.517375.633400.548426.264452.780480.095508.211533.986561.060L或X9592.889612.889632.889652.889672.889692.889712.889394.458414.458设计曲线主要设计点里程8YH：K116+133.973YZ：K116+183.973HZ：K116+233.973既有曲线角面积计算Ej7352.323376.464401.395427.065453.325480.001506.952534.000561.06120bf623.35624.14124.93125.67026.26026.67626.95127.04827.061±f5-0.035-0.82-1.610.9410.351-0.065-0.34-0.437-0.45既有曲线测量资料f42.431.6100.9411.2921.2270.8870.45020b(弧度)326.61127.074a( ' ")29-25-351-19-40测点里程1+100+120+140+160+180+200+220+240+260备注拨距计算 e= EsEj15曲线编号+0.0190.0250.0440.0710.0930.1150.1510.1530.1480.1480.141表2-3 既有曲线拨距计算表设计曲线渐伸线长度计算Es140.0120.1120.3950.9561.8913.2945.261l36Rl0130.0120.1120.3950.9561.8913.2945.261l1218.4138.4158.4178.4198.41118.41138.41l02/24R111.3611.3611.361L2/2R与Xa106.5149.79413.741L或X988.41108.41128.41设计曲线主要设计点里程8ZH：K117+421.590ZY：K117+491.590HY：K117+561.590QZ：K117+623.464既有曲线角面积计算Ej70-0.019-00130.0680.3240.8631.7763.1435.1087.72711.00714.96120bf60-0.0190.0060.0810.2560.5390.9131.3671.9652.6193.2803.954±f500.3150.290.2150.04-0.243-0.6171.270.6720.018-0.643-1.317曲线既有曲线测量资料f400.3150.6050.820.860.61701.271.9421.961.317020b(弧度)30.2962.6375.942a( ' ")20-50-506-42-259-28-10测点里程1K117+400+420+440+460+480+500+520+540+560+580+600+620续表2-3拨距计算 e= EsEj15-0.006-0.013曲线编号a=2511'10"， R=600m，l0=140m，L=403.748m，T=204.344m+0.1500.1430.1410.1230.0830.0470.0230.1940.000设计曲线渐伸线长度计算Es1419.71624.99630.94337.55044.75452.46060.57268.99577.63486.39395.185l36Rl0130.0060.0830.3240.8261.6832.9914.845l1214.62234.62254.62274.62294.622114.66134.66l02/24R111.3611.3611.3611.3611.3611.3611.3611.3611.3611.3611.361L2/2R与Xa1018.35523.63529.58236.19643.47651.42360.03769.31779.26489.87895.185L或X9148.41168.41188.41208.41228.41248.41268.41288.41308.41328.41216.536设计曲线主要设计点里程8YH：K117+685.338YZ：K117+755.338HZ：K117+825.338既有曲线角面积计算Ej719.56624.85330.80237.42744.67152.41360.54969.00177.44086.40695.18520bf64.6055.2875.9496.6257.2447.7428.1368.4528.4398.9668.779±f51.3770.655-0.007-0.683-1.3020.6770.283-0.033-0.02-0.547-0.36既有曲线测量资料f41.3771.9921.9851.30200.6770.960.9270.9070.36020b(弧度)38.4198.791a( ' ")27-05-451-04-00测点里程1K117+640+660+680+700+720+740+760+780+800+820+840备注第3章 线路大修纵断面设计3.1 纵断面设计的特点及原则3.1.1 设计特点线路大修的纵断面设计是在原有建筑设备的基础上进行，并在保持原有限制坡度的条件下，修正和改善原有纵断面上不符合技术要求的部分。因此，纵断面的改善设计，必然会受到原有建筑物的严格限制。例如拉坡设计，会受到车站内的天桥、地道、站台及区间的跨线桥、架空桥、桥梁和隧道等建筑净空的限制，一般说是不能随意抬道或落道的。过多的抬道，会造成前后道岔群抬高，站线顺坡工作量加大，路肩宽度不足，复线区段上下行道口通行不便，并行地段邻线有被砂埋和雪埋之虑；过多的落道，会造成路堑刷坡，增大施工困难，甚至造成不良后果，等等。因此，如何在原有建筑设备的基础上，寻求最合理最经济的设计方案，就成为线路大修设计人员的首要任务。3.1.2 设计原则线路大修的纵断面设计是一项复杂而费事的工作，而线路大修施工又是在营业线上列车间隙内或“天窗”中进行的。这些特点决定了大修设计的特殊性。因而设计时必须充分了解掌握线路上设施物的技术状态，结合提高线路质量和改善技术设备的要求，充分考虑设计断面与原有设备间的协调性与适应性，并应特别注意以下几项原则：(1)从确保行车安全出发，消除线路纵断面上不符合技术要求的地段。(2)从改善列车运行条件出发，提高牵引定数。(3)从利用列车间隔时间或“天窗”中施工的条件出发，确保安全施工的现实性。(4)从减小工程量和施工难度出发，应尽量避免落道或过高抬道。为保证设计质量，做到精心设计，适应运营条件，就必须研究和掌握线路纵断面设计的基本原理，熟知设计的基本技术条件，并在变化复杂情况下灵活地运用，才有可能达到上述要求。3.2 纵断面设计技术条件线路大修纵断面设计，须符合下列各项基本技