第七讲轨道力学课件.ppt

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1、1,任娟娟 博士、副教授Ren, juanjuan Ph.D. Associate professorSchool of Civil engineering, Southwest Jiaotong University,Railway track Engineering 铁路轨道,2,第四章 轨道力学track mechanics,本讲主要内容 main contents概述 Overview轨道结构竖向静力分析The vertical static analysis of track structure轨道强度检算 Track strength calculation扣件力学分析 Faste

2、ner mechanics analysis车辆脱轨条件 Derailment conditions轨道不平顺 Track Irregularity车辆曲线通过 Vehicle curving performance轨道动力学简介简介 Track dynamic introduction,3,三、轨道强度检算 Track strength calculation,1、轨道力学有限元计算 Finite element method(FEM) calculation of track mechanics 连续弹性支承梁解析算法，有利弄清作用规律但对钢轨接头、轨枕空吊与暗坑、基础刚度不均匀分布的路桥

3、过渡段、枕间距变化等工况无法计算弹性点支承梁则适用性较强，可采用差分法、有限单元法等求解有限单元法是最通用的求解方法，基本思想是连续介质离散化，ANSYS软件,轨道有限元模型,4,2、轨道横向静力分析 Track lateral static force analysis,计算模型Calculation model,计算公式 Calculation formula,刚比系数 Stiffness ratio modulus,三、轨道强度检算 Track strength calculation,5,3、轨道动力响应的准静态计算* The quasi-static calculation of t

4、rack dynamic response准静态计算 Quasi-static calculation 名义上是动力计算，实质上是静力计算。当由外荷载引起的结构本身的惯性力相对较小（与外力、反力相比），而不予考虑时，可基本上按静力分析的方法进行轨道力学计算，即准静态计算。理论与试验依据：高速行车条件下的钢轨弹性位移曲线与静态计算时 的基本相同荷载系数Load modulus 速度系数、偏载系数、横向水平力系数f Speed factor , eccentric load coefficient , lateral horizontal force factor f,三、轨道强度检算 Track

5、 strength calculation,6,3、轨道动力响应的准静态计算* The quasi-static calculation of track dynamic response速度系数 Speed factor直线区间动轮载增量与静轮载之比 Ratio of dynamic wheel load increment range and static wheel load in straight section 速度系数与轨道状态、机车类型等有关。一般采用经验公式进行计算，大多与行车速度成线性或非线性关系，轨下基础检算时取75%,三、轨道强度检算 Track strength cal

6、culation,7,3、轨道动力响应的准静态计算* The quasi-static calculation of track dynamic response偏载系数 Eccentric load coefficient modulus 列车通过曲线时，由于存在未被平衡超高，产生偏载，使内轨或外轨轮载增加，其增量与静轮载的比值称偏载系数 即 由静力平衡条件可推得 代入我国机车及轨道计算参数，可得,三、轨道强度检算 Track strength calculation,8,3、轨道动力响应的准静态计算* The quasi-static calculation of track dynami

7、c response横向水平力系数f Lateral horizontal force modulus 横向水平力系数是考虑横向水平力和偏心竖直力联合作用下，使钢轨承受横向水平弯曲及扭转，由此而引起轨头及轨底的边缘弯曲应力增大而引入的系数 定义：钢轨底部外缘弯曲应力与中心应力的比值,仅在计算钢轨应力中考虑 Only be considered in the calculation of rail stress,三、轨道强度检算 Track strength calculation,9,3、3、轨道动力响应的准静态计算* The quasi-static calculation of track

8、 dynamic response准静态计算公式：动力放大系数 Quasi-static formula: dynamic amplification modulus,三、轨道强度检算 Track strength calculation,10,4、钢轨强度检算* Rail strength calculation钢轨应力：基本应力、局部应力、残余应力和附加应力 Rail Stress: Basic stress, local stress, residual stresses and additional stress基本应力指动弯应力和温度应力 Basic stress refers to

9、 the dynamic bending stress and temperature stress局部应力指接触应力和应力集中 Local stress refers to the contact stress and stress concentration残余应力指钢轨轧制、生产、运输过程中产生的内应力 Residual stress refers to the internal stress generated in the process of rail rolling, product and transport附加应力包括制动应力、伸缩附加应力、挠曲附加应力Additional

10、stress including brake stress, telescopic additional stress, deflection additional stress,三、轨道强度检算 Track strength calculation,2022/11/29,11,4、钢轨强度检算* Rail strength calculation钢轨强度检算 Rail strength calculation容许应力检算，考虑基本应力和附加应力 Computation of allowable stress, considering the basic stress and addition

11、al stress疲劳检算Simth图 Simth figure of fatigue check calculation .,三、轨道强度检算 Track strength calculation,12,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算*钢轨动弯应力d,13,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算*钢轨温度应力t无缝线路普通线路,14,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算*钢轨附加应力c普通线路制动应力10MPa桥上无缝线路伸缩或挠曲附加应力无缝道岔伸缩附加力视情况是否叠加,15,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算*钢轨强度检算公式,s为钢轨屈服极限（MPa）普通碳素轨s405MPa低合金轨s4

12、57MPa,K为安全系数新轨K1.3再用轨K1.35,16,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算钢轨接触应力一般不进行直接检算，而是根据研究问题的性质，通过理论分析或实验方法确定局部应力与基本应力之间的关系，并以基本应力为表达式建立局部应力的强度条件,钢轨抗断裂性能试验,17,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算钢轨接触应力轮轨接触状态单点接触两点接触多点接触,18,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算钢轨接触应力弹性力学赫兹接触理论,接触斑,19,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算钢轨接触应力控制剪切应力不超限，否则剥离=0.5赫兹弹簧1.2GN/m2,20,三、轨道强度检算,4、钢轨强度检算钢轨

13、残余应力,最大值达到了250MPa应用中轨头拉应力变成了压应力道岔钢轨刨切发生扭转不易测量，我国未纳入检算中，仅在安全系数中考虑,21,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算* Sleeper strength calculation轨枕强度检算木枕顶面承压应力混凝土轨枕弯矩木枕顶面承压应力,F垫板与木枕的接触面积 木材横纹容许承压应力 ，桉木4.2MPa,22,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算*混凝土轨枕弯矩木枕有足够的抗弯强度，一般不进行检算 视为支承在弹性基础上的短梁，分别取最不利支承 轨下正弯矩，枕中负弯矩轨枕弯矩分布与道床支承有关系,型枕全支承,23,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算

14、*混凝土轨枕轨下截面最大正弯矩,a1荷载作用点距枕端50cm e轨枕半支承长95cm b 轨下衬垫宽度，一般取轨底宽152mmKs 轨枕设计系数，暂定为1Mg轨下截面容许弯矩，型枕11.9kNm，型枕13.3kNm,倒支承求解正弯矩负弯矩,24,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算*混凝土轨枕枕中截面最大负弯矩,Mc中间截面容许负弯矩，型枕8.8kNm，型枕10.5kNm,支承力分布正弯矩负弯矩弯矩之和取负,25,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算*型混凝土轨枕枕中截面最大负弯矩,26,三、轨道强度检算,5、轨枕强度检算*混凝土轨枕枕支承,27,三、轨道强度检算,6、道床强度检算* Ballas

15、tbed strength calculation道床顶面应力 ballast stress on the top surface 道床顶面应力，在纵向和横向上分布不均匀 道床顶面平均压应力 道床顶面上的最大应力为,b轨枕底面宽度， e 有效支承长度 m应力分布不均匀系数，1.6,I型枕,II型枕,III型枕,28,三、轨道强度检算,6、道床强度检算*道床内部应力 ballast stress inside the ballastbed,单根轨枕,多根轨枕,29,三、轨道强度检算,6、道床强度检算*道床内部应力,应力扩散理论应力锥应力扩散角计算假设道床顶面压力均匀分布以扩散角按直线扩散规律向下

16、传播不考虑相邻轨枕的影响,台体体积与其上作用力平衡,30,三、轨道强度检算,6、道床强度检算*道床内部应力横向及纵向压力扩散线交点将道床划分为三区域,道床及路基应力传递示意图,31,三、轨道强度检算,6、道床强度检算*道床内部应力第一区域，轨枕影响区 第二区域，轨枕长度有影响，宽度无影响区第三区域，轨枕无影响区,将台体转换成柱体，柱底面为平行四边形，柱高为道床应力第一区域：长e宽b第二区域：长e宽2htg第三区域：长宽2htg即可得证。,应力分布台体,32,三、轨道强度检算,6、道床强度检算*道床及路基面的强度检算 ballast stress inside the ballastbed an

17、d subgrade stress,新建线路,既有线路,碎石道床,筛选卵石道床,冶金矿渣道床,道床,路基面,33,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例 Example,（1）计算参数 首钢京唐钢铁联合有限责任公司300t铁水包车专用线，位于河北省东北部唐山市滦南县境内的曹妃甸工业区。气温条件：年平均气温11.3；极端最高温度34.1；极端最低温度-16.2地质条件：曹妃甸岛地处滦河冲积扇的前部，多为粉、细砂线路主要技术指标：轨距1435mm；最大坡度：普车厂外线4，厂内普车线5，铁水线0。最小曲线半径：厂外线350m，厂内普车线180m，厂内铁水线180m；曲线超高0mm；曲线加宽15mm；

18、未设缓和曲线。线路等级：铁水线采用冶IA级；普车线、正线、到发线以及运量400万t/年的线路选用普IB级；站线及其它线选用普II级。线路类型：厂内铁水线采用有缝线路设计。钢轨：厂内铁水线采用60kg/m钢轨，钢轨材质U75V扣件：直线地段采用太钢C型扣件及垫板，接头处采用弹条II型扣件轨枕：采用新II型混凝土枕，铁水线直线地段1840根/km；高炉下铺设1920根/km。曲线地段铺设数量较直线地段分别增加80根/km,34,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（1）计算参数 parameters轨枕：厂内线采用碎石道床。道床厚度：铁水线45cm，道床顶面宽度为3.0m路基：地基承载力150

19、kPa 车辆：每转向架8轴，轴重及轴距如下，5km/h,35,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（2）计算要求 calculation requirements特种荷载作用下的钢轨、扣件、轨枕、道床及路基承载能力 （3）曲线加宽核算 curve widening check最小曲线半径180m，加宽15mm，检算通过（略）超高设置0mm，欠超高检算通过（略）不设缓和曲线，检算通过（略）无缝线路检算，考虑高炉温度影响，检算通过（略）接头冲击检算，通过,36,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算考虑钢轨磨耗6mm,37,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨

20、强度检算步骤1：计算刚比系数,38,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算步骤2：计算轮群作用下静位移、静弯矩、枕上静压力,静位移,39,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算步骤2：计算轮群作用下静位移、静弯矩、枕上静压力,静弯矩,计算结果：最大钢轨下沉量为1.562mm；钢轨最大弯矩为28.3kN.m；钢轨支点力最大值为109.3kN。,40,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算步骤3：计算动力放大系数,最大欠超高2mm，偏载系数为0.004；横向水平力系数取为2.0,41,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度

21、检算步骤4：计算准静态荷载步骤5：计算钢轨弯曲应力,42,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算步骤6：计算制动应力一般制动应力取为10MPa，本线由于轮载比较大，有频繁的制（启）动，需要建立有限元模型单独考虑，计算得35.2MPa,制动力,制动位移,43,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（4）钢轨强度检算步骤7：温度应力，取为53.18MPa步骤8：钢轨容许应力步骤9：,44,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（5）轨枕强度检算,45,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（6）道床强度检算满足要求。（7）路基强度检算不满足要求,46,三、轨道强度检算,7

22、、轨道强度检算实例,（8）路基加固处理措施 subgrade strengthening methods,47,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（8）路基加固处理措施 subgrade strengthening methods,振冲碎石桩成桩工艺,加固设计3排桩 采用“等边三角形”布置桩间距1.5m 桩长4.0m桩直径0.8m 采用碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料，粒径为20mm50mm计算得承桩的承载力 524kPa复合地基承载能力大于190kPa,48,三、轨道强度检算,7、轨道强度检算实例,（9）弹条强度检算 fastener clip strength check步骤1：计算钢轨外翻导致弹条上拱0.785mm步骤2：计算弹条应力，未超限五年多的运营表明，理论检算正确，未出现安全问题,钢轨受力,弹条应力,49,三、轨道强度检算,8、轨道强度检算课程作业 Homework,50,三、轨道强度检算,8、轨道强度检算课程作业 Homework,51,谢谢大家！,