轨道结构理论与轨道力学(传力特性)

(1)因钢轨垂向抗弯梁的分压作用，正常 枕上压力0.4-0.6P，邻枕0.1-0.2P (2)轨下胶垫压应力2-3MPa， 木枕铁垫板压应力1-1.5MPa
4.枕上压力及垫板应力 枕上压力及垫板应力
(3)石碴名义应力计算图示
(4)5-25mm,40度 25-40mm,42度 25-50mm,45度 25-60mm,47度 25-70mm,50度
轨道结构理论与轨道力学
第二章 轨道承力与传力特性
第一节 轨道垂向承力与传力特性
作用在轨道上的垂向力： 作用在轨道上的垂向力： 轮载、 轮载、 轮轨垂向动附加力
(1)静轮载（机车、货车、客车、动车） (3)最大轮载限值40kN, 60kN
(2)动轮载P = (1.5 − 2.0) P0 , (2.5 − 4.0) P0
3.轮轨横向力在轨枕上的分配与传递
H 1设计取值
P
螺栓抗拨力 80 − 100 kN (1.5−2.0)H1
一般为50kN 扣件横向刚度 10 5 − 10 6 kN / mm (0.8−0.9)H1 (0.1−0.2)H1
胶垫剪切刚度 10 3 kN / mm
轨枕挡肩横向力 承载能力25-30kN
H1
l1、µ、W
轮轨横向力的量值： 曲线地段一般30-40kN， 小半径曲线70-80kN。 直线地段一般10-20kN， 特殊情况70-80kN
0.1 − 0.2 H1 0.8 − 0.9 H1 ≤ γ s
EJ H (EJ / 6)
H1
k pH (10 − 100k p )
k sH (k s / 10)
肩部阻力
肩宽cm
46cm
6.道床横向有荷阻力及横向力安全限值
道床横向有荷阻力：
2 × 枕上压力( W ) × 枕底摩擦系数(0.6)＋道床无荷阻力 4
＝0.3W + 10
轮轨横向力脱轨安全限值：
脱轨系数＝ H1 F1 − µP 1 = , (机车小于1.0，车辆小于0.8） P P 1 1
µP1 µP2
(1)木枕厚度：道钉(16cm,20cm)的长度与 抗拨力，15-16cm (2)木枕宽度：木枕横纹抗压应力－－铁 垫板宽度，20-24cm (3)木枕长度：木枕承载发生挠曲时轨距 不发生变化，2.7m
6.轨枕尺寸的确定原则 木枕 轨枕尺寸的确定原则(木枕 轨枕尺寸的确定原则 木枕)
(1)轨枕厚度：满足抗弯强度及断面上预 应力筋布置要求，20-26cm (2)轨枕宽度：满足道床阻力要求24-27cm
µP3
3
µP2
4
µP4
( 2 )导向轮缘力 F1 轮轨横向力 H 1 = F1 − µ P1
1.轮轨横向力
(1) H 1 p 1 / R
H1
(2) H 1 p V
H1
70 − 80kN
V = 70km / h 20 − 30kN
R = 300m
200m
1000m
R
V
2.影响轮轨横向力的因素
(3) H 1 p l1、 µ 、 W
(4)8-10年为合理的大修周期 75轨 7亿吨 60轨 6亿吨 50轨 4.5亿吨 43轨 2.5亿吨
9.轨道结构的合理配套 轨道结构的合理配套
第二节 轨道横向承力与传力特性
作用在轨道上的横向力： 作用在轨道上的横向力： 轮缘力、 轮缘力、 轮踏面蠕滑力或摩擦力的横向分力
F1
1
µP1
2
(1)转向架的位置： 自由位：1轮缘贴靠钢轨 最大倾斜位：1、4轮缘贴靠钢轨 最大外移位：1、3轮缘贴靠钢轨
(3)轨枕长度：满足预应力钢筋锚固长度 及扣件安装要求，2.4-2.5m
6.轨枕尺寸的确定原则 混凝土枕 轨枕尺寸的确定原则(混凝土枕 轨枕尺寸的确定原则 混凝土枕)
(1)道床第一层中(20cm)，应力与深度无 关，道床起不到扩散应力的作用
(2)道床第二层中(20-70cm)，应力与轨枕 宽度无关，与轨枕长度呈反比，应力沿 线路纵向均匀而沿线路横向不均匀。
(4)轮重减载率限值0.6, 0.65
1.轮载及动轮载 轮载及动轮载
(2)轮轨非正常接触
接触应力 2500,70007500MPa
(3)弹性极限3.1τ s , 安定极限4.0τ s
(1)轮轨踏面正常椭圆接触斑
2.轮轨接触应力 轮轨接触应力
2a=14mm
2b=10mm
正常接触应力110-1500MPa
道床纵向有荷阻力
枕下压力 × 枕底摩擦系数 ≈ 2倍无荷阻力
4.轨道爬行 轨道爬行机理
车轮向前滚动
钢轨断面未转动
钢轨
距车轮70 − 80cm处 钢轨断面发生最大转动 车轮正下方，因钢轨受压， 钢轨断面依靠轨头前移恢复竖向
轨道爬行的规律
(1)在不存在轮轨纵向力的情况下，仅仅因为轮轨垂向 力作用，轨道也会产生向行车方向的爬行。 (2)机车下因牵引力作用，轨道爬行与行车方向相反， 制动情况下，轨道爬行与行车方向相。 (3)下坡地段及双线上轨道爬行较单线平坡严重。 (4)无缝线路地段，因温度力不均匀变化会引起较大的 轨道爬行，而轨道爬行反过来又影响温度力的均匀 性，造成无缝线路稳定问题。
P
EJ 0.4 − 0.6 P
0.2 − 0.3P
k p (30 − 50 ×103 kN / mm)
k s (10轨垂向抗弯梁的分压作用 钢轨垂向抗弯梁的分压作用
(3)轨下胶垫拉伸强度大于 20MPa，胶垫受热老化
(4)木材横纹抗压强度3-6MPa， 设计限值1.4MPa，强度贮备 不够。
k sx
2.扣件纵向阻力 扣件纵向无荷阻力
Pc (8.8 − 9.8) × [ f1 (0.25) + f 2 (0.65)] ≈ 9kN
扣件纵向有荷阻力
枕上压力 × 钢轨与胶垫的摩擦系数 ≈３倍无荷阻力， 但计算中通常取２倍无荷阻力
3.道床纵向阻力 道床纵向无荷阻力
枕底纵向摩擦力 (50%) + 道碴盒石碴反力 (50%) ≈ 10 − 15kN / 枕
梁位移αl∆t
钢轨伸缩力分布
挠曲力
梁轨位移分布
A
B
C k
D
轨位移
梁位移
钢轨受力分布
钢轨挠曲力分布
4.轮轨横向力在扣件上的分配与传递
5.轨枕横向力分配及传递
横向力的传递表现出较强的非线性特性，当轮轨横向 力较小时，单根轨枕分配的横向力比例较大，当轮轨 横向力较大而超过单枕道床阻力(10-15kN)时，通过钢 轨横向弯曲将横向力传递到相邻轨枕上。 无荷道阻力的分配：枕底摩擦力50%，肩部石碴反 力20-30%，轨枕间道碴盒中道碴摩擦力20-30%。
(3)路基施工标准偏低及容许 应力过高是既有线路基产生 大量病害的根本原因。
(1)路基面名义压应力0.1-0.2MPa，路基 面道碴颗粒平均接触应力590-800MPa。
8.路基面应力 路基面应力
(1)合理配套的含义：轨道结构与运营条 件的合理配套；轨道内部各结构强度及 寿命周期的合理配套。 (2)运营条件：速度、轴重、年 运量 (3)轨轴比：宜大于３ 75/23=3.26 60/23=2.6 50/23=2.17
P 1 F1
轮轨横向力轨排横移稳定性安全限值：
H1 − µP2 ≤
W + 10 3
H1
µP2
第三节 轨道纵向承力与传力特性
作用在轨道上的纵向力： 作用在轨道上的纵向力： 轮踏面蠕滑力或摩擦力的纵向分力 温度力
1.纵向力的传递
T ≤ µP
0.3 − 0.4T ≤ γ px
EA
k px
0.3 − 0.4T ≤ γ sx
轨道爬行的危害
(1)使轨缝不均匀甚至造成瞎缝，促使轨道失稳，或造 成大轨缝致使接头螺栓受剪力。 (2)道岔内钢轨或道岔前后轨道爬行，会严重影响道岔 的几何尺寸。 (3)影响无缝线路稳定性。
(4)显著增加轨道维修费用。
5.桥上无缝线路钢轨纵向力传递 伸缩力
梁轨位移分布
A
B
C k
D
轨位移
钢轨受力分布
e
b
φ
h1 =
b ctgφ 2
1
h2 =
e ctgφ 2
(4)道床厚 度确定原 则：路基 面应力不 超限，或 路基面应 力均匀。
2
7.道床厚度的确定原则 道床厚度的确定原则
(3)道床第三层中(大于70cm)，应力与轨 枕宽度和长度均无关，应力沿线路纵向 和横向均匀分布。
(2)路基压实密度与容许应力 我国 90-95%,98% 0.13MPa 前苏联 98% 0.0785MPa 德国 103% 0.06-0.08MPa
φ
1%等应力线 等应力线
(1)枕下名义支承面积5000-7000平方厘米， 枕底石碴名义应力0.2-0.6MPa
(5)石灰岩290-3570MPa，花 岗岩1120-4000MPa
(2)枕底范围内实际支承轨枕 的道碴320-350颗，石碴平均 接触应力1680MPa，约1.6-2 倍的波动。
5.枕下压力及石碴应力 枕下压力及石碴应力