无碴轨道

编辑:皱褶网互动百科 时间:2020-04-07 02:47:35
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无碴轨道是以混凝土或沥青砂浆取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式,它具有轨道稳定性高,刚度均匀性 好,结构耐久性强和维修工作量显著减少等特点,对于高速铁路较传统的有碴轨道有更好的适应性。砟(zhǎ),岩石、煤等的碎片。在铁路上,指作路基用的小块石头。传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成,钢轨固定放在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点,但容易变形,维修频繁,维修费用较大。同时,列车速度受到限制。
中文名
无砟轨道(或无碴轨道)
外文名
unballasted track
常用范围
铁路行业

无碴轨道结构整体性能

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作为最主要的无碴轨道结构型式之一,板式轨道日本新干线应用广泛。经过30余年的经验积累,日本新干线板式轨道在设计、施工及养护维修等方面日趋成熟。自20世纪至今,累计铺设里程已达2700多千米。国内对板式无碴轨道的研究是随着对高速铁路的研究不断深入进行的,已在秦沈线狗河特大桥(741)、双何特大桥(740),赣龙线枫树排隧道(719),遂渝线,并在京沪高铁上实现大规模铺设。
按照无碴轨道宜集中铺设的原则,本线在长度大于6km的隧道及相邻两铺设无碴轨道的隧道间小于500m的桥梁和路基铺设板式无碴轨道。铺设范围包括“三隧两桥”(依次为石板山隧道、黑水坪大桥、南梁隧道、孤山大桥、太行山隧道)以及其间的路基,共计铺轨95.045km。其中太行山隧道全长27.839,居亚洲在建铁路山岭隧道之首。

无碴轨道板式结构组成

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板式无碴轨道由60kg/m钢轨、弹性分开式扣件、轨道板、乳化沥青水泥砂浆(CA砂浆)、混凝土凸形挡台及混凝土底座等部分组成,轨下设置充填式垫板。
无碴轨道 无碴轨道
对无碴轨道的研究尚处于起步阶段,没有形成规范的无碴轨道计算理论,在本线板式无碴轨道设计过程中,我们在对中国内的三重叠合梁模型、德国的当量叠合梁模型深入研究基础上,采用更为接近实际的有限元梁—板模型。
石太客运专线作为中国国内唯一一条集高速客运与重载货运于一体的客运专线,将首次大规模铺设板式无碴轨道,而当前国内尚没有形成规范的无碴轨道计算理论,因此需深入研究板式无碴轨道受力规律,以保证设计经济、合理。采用有限元理论,建立了板式无碴轨道的梁—板模型,应用大型有限元工具软件A9BCB对模型进行求解。
应用有限单元理论建立板式无碴轨道结构的整体模型:钢轨采用弹性点支承梁模拟;扣件采用线性离散弹簧模拟;轨道板采用板单元进行模拟;CA砂浆调整层采用实体单元模拟;底座采用弹性地基板模拟,以反映下部基础对轨道结构的支承作用;地基系数采用k30进行计算。
为消除边界效应,模型选取3块相邻的轨道板进行计算,并以中间轨道板作为主要研究对象。计算时,采用大型工具软件ansys进行模型求解。

无碴轨道基本计算参数

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根据板式无碴轨道结构特点,选取基本计算参数。
板式无碴轨道参数影响分析
为获得最优的轨道结构,采用有限元梁—板模型研究了主要参数对轨道结构各组成部分力学响应的影响规律。如果没有特殊说明,荷载作用于板中,CA砂浆弹性模量取300MPa,其它基本参数,计算结果中轨道板或底座弯矩均为每米范围所受的弯矩值,单位取KN·m/m。

无碴轨道荷载作用位置

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根据试算,荷载作用于板中和板端两个位置时轨道结构受力为最不利情况,因此选
武汉至广州客运专线无碴轨道设计 武汉至广州客运专线无碴轨道设计
取这2种工况进行研究。由表2可知,荷载作用于板中时,轨道板纵向正弯矩、底座纵横向负弯矩较大;荷载作用于板端时,轨道板纵向负弯 矩、轨道板横向正负弯矩、CA砂浆最大反力以及底座横向纵横向正弯矩较大。设计中,应该综合考虑这两种荷载作用工况下的最大值。
扣件刚度
扣件刚度分别采用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm进行分析。轨道板和底座的弯矩以及CA砂浆最大反力都随着扣件刚度的增大而增大,但是当扣件刚度大于40KN/mm时,随着扣件刚度增大,轨道板和底座的弯矩变化趋缓,底座的横向负弯矩当扣件刚度大于60KN/mm时反而有所减小。

无碴轨道轨道板宽度

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轨道板宽度分别采用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m进行分析。
随着轨道板宽度的增大,轨道板纵向弯矩逐渐减小;轨道板横向正弯矩当轨道板宽度小于2.4m时随轨道板宽度的增大而增大,当轨道板宽度大于2.4m时随轨道板宽度的增大而减小;轨道板横向负弯矩当轨道板宽度 小于2.2m时随轨道板宽度的增大而减小,当轨道板宽度大于2.2m时随轨道板宽度的增大而增大;CA砂浆反力当轨道板宽度小于2.4m时随轨道板宽度的增大而减小,当轨道板宽度大于2.4m时变化不明显;随着轨道板宽度的增大,底座纵横向正弯矩均逐渐减小,纵横向负弯矩变化不明显。
轨道板宽度为2.0m时,各别力学指标明显偏大,说明轨道板不宜太窄,同时可以看到轨道板宽2.2~2.4m是力学指标变化的一个转折点,因此结合力学计算及结构设计,从技术经济角度综合分析,轨道板宽度取2.2~2.4m是合适的。

无碴轨道CA砂浆弹性模量

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CA砂浆弹性模量分别采用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa进行分析。
随着CA砂浆弹性模量的增大,轨道板弯矩减小,CA砂浆本身的反力增大,底座弯矩增大,其中轨道板纵向负弯矩和底座纵横向负弯矩变化不明显。
当CA砂浆弹性模量大于300MPa时,各力学指标变化趋缓,计算时其最大值可取300MPa,同时考虑CA砂浆弹性模量的离散性和轨道板受力的最不利情况,最小值取100MPa。

无碴轨道地基弹性系数

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地基弹性系数采用K30,分别按50MPa/m、190MPa/m,500MPa/m,1000MPa/m
无碴轨道 无碴轨道
进行分析。
从表6可知,随着地基弹性系数增大,除轨道板横向负弯矩增大外轨道板其它弯矩减小,CA砂浆反力变化不明显,底座弯矩减小。由此可知,隧道、桥梁地段由于基础刚度较土质路基大,对轨道结构整体而言受力是有利 的。
列车竖向荷载作用下板式轨道最不利弯矩计算
基本参数取值,同时考虑荷载作用位置以及CA砂浆弹性模量的离散性对计算结果的影响,计算列车竖向荷载作用下板式轨道的最不利弯矩。
在板式轨道力学计算中,荷载作用位置、扣件刚度、轨道板宽度、CA砂浆弹性模量以及地基弹性系数等基本参数的取值是影响计算结果正确与否的主要因素,只有基本参数合理才能保证计算结果的准确,为结构设计提供依据。
计算列车竖向荷载作用下轨道板和底座的最不利弯矩时,荷载作用位置应分别考虑位于板中及板端两种工况;CA砂浆弹性模量应考虑离散性,按100MPa和300MPa分别计算。
路基地段地基弹性系数采用K30时取190MPa/m是最不利情况,计算结果较隧道和桥梁地段偏大。

无碴轨道优缺点

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无碴轨道优点

RHEDACITY的优点:
简单、透明的系统结构
完美的轨道定位
与街道建筑相融
交叉轨枕的使用确保了轨矩和轨道的几何精确度
轨道盘采用摩擦锁定式固定装置
由于热量可以充分进入轨道跨距,因此可以消除轨道构架的浇注不足现象。
采用优化的轨道系统,设计具有出色的粘合质量,可进行整体式施工
使用预组装部件确保轨道的弹性
轨道的弹性支撑或持续支撑
去除轨距连接杆
安全性极高、使用寿命长
符合电绝缘要求
具有“边建设边投入使用”的能力

无碴轨道缺点

无碴轨道具有高稳定性、少维修、寿命长的优点,并在国外铁路获得了广泛应用,2005年德国出版的《轨道概论》对无碴轨道的缺点做了如下总结:
1)Rheda投资要比有碴轨道多1.5倍以上。科隆法兰克福线预算46亿欧元,实际费用大约为60亿欧元,增加大约30%,如此高的初期投资包括巨大的资本成本。有碴轨道成本为350欧元/
无碴轨道 无碴轨道
m,无碴轨道最低为500欧元/m,最大为750—1100欧元/m。即使施工方法得到优化,建设长度增加,成本系数仍达到1.5—2.0。
无碴轨道相对有碴轨道的经济效益仅能从有碴轨道需要增加的维修费用计算得到。现有碴轨道的维修在很大程度上实现了机械化和自动化,比手工作业费用要低,并能够持久地保持轨道几何状态;无碴轨道也需要维修,钢轨打磨工作量相对有碴轨道要增加,随着无碴轨道使用时间的增加,伤损将增多,经济效益相对来说将降低,而且无碴轨道的修复工作比较复杂,并需要大量费用和时间,一旦损坏引起长期关闭线路带来的投入将相当大,也是初期无法计算或预料的。
隧道内的无碴轨道相对有碴轨道具有良好的经济效益。但桥上和路基上的无碴轨道往往经济效益差一些,限制基础的长期沉降需要额外的费用,比有碴轨道要增加2.0~2.5倍。
2)混凝土无碴轨道为刚性承载层,当达到承载强度极限时将产生断裂,并引起轨道几何尺寸的突然变化和难以预见的恶化。
高速铁路无碴轨道设计关键 高速铁路无碴轨道设计关键
3)总体上来说,无碴轨道建设和维修都没有达到自动化程度。无碴轨道的质量需要高水平的养护措施提供保障。这意味着在施工工序和质量控制方面都要增加额外的费用和时间。建设期间的质量缺陷将为整个使用寿命期留下隐患,并需要花费高昂的代价进行弥补。
4)无碴轨道作为刚性结构,在后期运营阶段仅允许做少量的完善,比如改善轨道几何状态,不仅十分困难,而且需要花费高昂代价。
5)无碴轨道不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设。
6)无碴轨道噪声水平比有碴轨道高5dB,必须采取有效的降噪措施。
7)对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施,修复代价也十分昂贵。混凝土的养生和硬化需要很长的时间。也就是说,严重的事故将导致线路关闭时间比较长,对运输影响比较大。
8)无碴轨道最严重的缺点是改进的可能性受到限制。
9)无碴轨道的另外一个缺点是,在路基上铺设时,任何情况下都要铺设防冻层(至少70cm厚)。要延长无碴轨道的寿命周期,水凝性材料层厚度几乎不能减少。路基处理深度也比有碴轨道深。
10)大部分经济研究没有考虑无碴轨道到了寿命周期后高昂的再建费用。既有无碴轨道类型众多也似乎是个缺点。逐渐采用双块式无砟轨道即Ⅰ型双块式代替的。

无碴轨道应用中问题

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京津城际的无碴轨道 京津城际的无碴轨道
中国的无碴轨道主要从2002年开始应用。主要是中国国内技术,参照国外的成熟的设计经验,以秦沈线为契机,设计了两种类型的无碴轨道,主要是日本的板式轨道;还有铁科设计的长枕式无碴轨道。当然在这之前,无碴轨道技术在秦岭隧道等都已有应用。
无碴轨道设计主要有几下的几个难点,一个轨道部件的设计,另一个道床设计。03年后就有了一个客运专线的想法,希望有一个跨越式发展,从原来的120km/h提高了200~250km/h。对于轨道部件的强度、稳定性及调整性都有了较高的要求。
对于无碴轨道技术,铁道部最初的想法是全部引进国外的技术。主要是日本和德国的技术。德国的主要的双块式(redar200)和博格板,日本主要是板式轨道。引进国外技术同时,对于部分的技术也应引进,因此国外的单位负责培训。铁道部已经组织了多次轨道工程技术的培训。
客运专线对于轨道部件的最大的特点是要求高平顺,因此对于轨道部件要求,精细制造和设计。轨道主要有3个主要部件,轨枕、扣件和道岔技术。
客运专线还有一个特别之处就是轨道电路。由于信号制式要求,要求轨道采用必要的绝缘措施,因此要求部件和道床设计应具有高绝缘性
路基上无碴轨道部件设计主要解决路基沉降的问题,因此往往在客运专线中,多用以桥代路的方式,反而节约投资。博格板和双块式具有较好的整体性,在德国有多年的应用经验,是一个成功的事例。

无碴轨道应用中的优点

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无碴轨道 无碴轨道
用,现正计划或目前准备投入使用。
这种轨道系统的一个主要优点就是在无形中见完美。这些无碴轨道系统几乎无需维修,但却能提供出色的乘坐舒 适度,支持重载运输并确保最大的安全性。RHEDACITY的功能在设计原则上与RHEDA系列的其他系统相同。但是,RHEDACITY却是专为城市快速轨道交通而设计的,尤其适用于有轨电车及地面通勤列车线路。RHEDACITY的特点是施工技术简单:改进的带有钢筋桁梁的双块式轨枕,以方便安装,同时保证了精确的轨距。通过其轨道支撑层的整体式结构以及较低的安装结构高度,RHEDACITY具有额外的优势。但施工优势并未将RHEDACITY与普通轨道单独区分开:它可以将道岔整合进同一技术。
RHEDACITY可以根据需要铺上沥青、混凝土或路石。对于那些偏爱在绿色道路上旅行的人士而言,RHEDACITYGREEN是一种极具吸引力的备选方案。

无碴轨道研究与应用

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我国对无碴轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床及框架式沥青道床等多种形式。正式推广应用的仅有支承块式整体道床,在成昆线京原线、京通线、南疆线等长度超过1km的隧道内铺设,总铺设长度约300km。20世纪80年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床,全部铺设在大型客站和隧道内,总长约10km。此外,还铺设过由沥青灌筑的固化道床,但未正式推广。在京九线九江长江大桥引桥上还铺设过无碴无枕结构,长度约7km。
在此20多年期间,我国在无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技术要求及出现基础沉降病害时的整治等方面积累了宝贵的经验,为发展无碴轨道新技术奠定了基础。
1995年我国开始了对弹性支承块式无碴轨道的研究,1996-1997年,先后在陇海
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线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段。在秦岭隧道一线、秦岭隧道二线正式使用,一、二线合计无碴轨道长度为36.8km,并先后于2001年、2003年开通运行。以后又陆续在宁西线(南京-西安)、兰武复线、宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用,已经铺设和正在铺设的这种无碴轨道累计近200km。
随着京沪高速铁路可行性研究的进展,无碴轨道在我国得到更大的关注。在“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”中,提出了适用于高速铁路桥隧结构上的3中无碴轨道,即长枕埋入式、弹性支承块式和板式。
1999年完成的“秦沈客运专线桥上无碴轨道设计、施工技术条件”的研究与编制,在秦沈客运专线上试铺了三段。其中,沙河特大桥(长692米)试铺长轨埋入式无碴轨道;狗河特大桥(长741米)直线和双河特大桥(长740米)曲线上的板式轨道。
为适应高速铁路的线路条件,已在渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道分别铺设了长枕埋入式和板式轨道试验段,隧道长度分别为710米和719米。计划在线路开通后对隧道内的无碴轨道结构进行动力测试和与长期观测。

无碴轨道技术特点

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与有碴轨道相比,无碴轨道具有如下技术特点:
(1) 采用整体化道床,从根本上克服了有碴道床易变形、粉化、脏污及需要频繁维修的缺点,轨道稳定性好,线路养护维修工作量显著减少,养护维修费用只占有碴轨道养护维修费用的20%~30%,线路利用率高。
(2) 钢轨扣件与整体化道床连接,施工后的轨道状态及几何形位能长久保持,提高列车运行的安全性;客货混跑时的曲线过超高和欠超高不会引起轨道位置的改变。
(3) 耐久性好,延长了使用寿命,在使用期结束时可整体更换。
无碴轨道 无碴轨道
(4) 钢轨刚度的均匀性好,能满足高速运行舒适性和对轨道高平顺性的要求。
(5) 轨道结构高度低、自重轻,可减轻桥梁二期恒载,降低隧道净空
(6) 避免环境破坏及高速运行时的道碴飞溅。
(7) 无碴轨道可供一切轨道车辆使用。
(8) 从寿命周期成本综合考虑,经济效益体现在以下几个方面:额外运营费用低;交通系统的磨损程度相对较小;乘客满意会带来更高的利益。
(9) 轨道必须建于坚实、稳定、不变形或有限变形的基础上,一旦基础变形下沉超出轨道可调整范围或导致轨道结构损伤等,其修复和整治将十分困难。
(10) 振动噪声相对较大。
(11) 初期投资相对较大。
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