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高速铁路扣件对钢轨横向变形影响分析

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2 0 0 7年1 1月 第33卷第31期 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECFUt ̄ Vo1.33 NO.31 Nov.2007 ・267・ 文章编号:1009.6825(2007)31.0267.03 高速铁路扣件对钢轨横向变形影响分析 冯树琴摘李瑞 要:通过建立结构模型,以250 km/h高速铁路为例,分别分析了钢轨横向位移随轨下垫层刚度、扣压力和扣件横向 刚度变化的规律,结果表明轨下垫层刚度对横向变形影响较大,并随刚度增大而减小。 关键词:高速铁路,扣件参数,钢轨,横向变形 中图分类号:U213.4 文献标识码:A 列车在轨道上运行,钢轨上作用着垂直荷载和横向水平荷 横向平移( )和扭转( )都将引起钢轨的横向位移,它们叠加起来 载,实际上垂直荷载并不作用在钢轨中心,而水平荷载也不作用 得到总横向位移,即 = + 。 在钢轨截面的剪力中心上。通常为了方便计算,可以把钢轨上的 钢轨在轮轨力作用下相对于轨枕的横向平移和扭转变形,会 偏心垂向力和横向力简化为作用于钢轨中心的垂向力、作用于剪 使轨距扩大,改变轨道的几何形位,引起轨道不平顺。特别是在 力中心的横向力和扭矩(M=Ha—Pe),钢轨中心处的垂向力将 高速铁路上,随着速度的提高,轮轨动力作用增大而加剧了动态  使钢轨产生竖向变形;剪力中心的横向力将使钢轨产生横向平 轨距扩大的现象。移,钢轨的平移包括钢轨与轨枕一起的平移和钢轨相对于轨枕的 1轨道结构计算模型 平移;而扭矩使钢轨扭转变形。文中研究的是钢轨相对于轨枕的 文中采用大型有限元分析软件ANSYS建立轨道模型。 横向变形,包括钢轨相对于轨枕的横向平移和扭转变形。钢轨的 3.5.2桥梁的设计 的目的。待桥面铺装等附属工程完成后,对加固后的桥梁进行荷 达到设计荷载后,再投入使用。 全线桥梁尽量利用,老桥荷载等级仍按原等级,即汽车一20 载实验,级,挂车一100。为此在平面定线时,主要按单侧单独新建一幅桥 3.6交通安全设施及附属工程 梁的形式进行设计。 1)新桥的设计。 按c级标准配置。包括公路标志、标线、护栏、轮廓标、道口 桩、示警桩、里程碑等。大中桥路侧采用墙式混凝土护栏,全线的 本项目的一座大桥由于在勘测调查中,发现桥梁板底已有明 路基路面排水统一考虑,避免对所在地区造成新的污染。在公路 显的裂缝,桥梁墩身已有不同程度的损害,通过技术方案比较,本 沿线两侧适当种植灌木和乔木,特别是在靠近村镇的路段尽量加 着“安全第一,质量优先”的原则,最终决定此桥拆除重建,以保证 大绿化密度,以美化环境,衰减噪音。 道路建成后的通车安全。原桥为11孔10 m钢筋混凝土现浇板 4结语 桥,此次设计考虑现在的施工工艺及施工水平,上部结构采用11 公路改建时应当符合建设节约型社会的要求。根据当地的经 孔10 m预应力钢筋混凝土空心板桥,桥板采用先张法预制;下部 济发展情况,改建时利用老路,不仅有利于节约国家土地资源,保 结构在勘测中发现地基承载力好,桥墩采用扩大基础,柱式墩身, 护生态环境,节约大量的资金,而且还能很快取得好的社会效益。 桥台采用u型台基础。 参考文献: 中桥原桥设计为6孔10_m石拱桥,当地由于石料价格上涨, [1]JTG 1301.2003,公路工程技术标准[S]. 工程工期短,同时开采石料场破坏生态环境,经与业主协商,加宽 [2]JTG 1362—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 侧采用6孔10 m预应力钢筋混凝土空心板桥,这样,便于大桥的 范[S] 桥板同场地预制,节约了投资。 2)老桥的加固设计。 根据实际情况,采取桥面补强层加固法对桥梁上部结构进行 [3]JTG D30—2004,公路路基设计规范[S]. [4]周志刚,郑建龙.公路土工合成材料设计原理及工程应用 [M].北京:人民交通出版社,2001. 加固。在梁顶上加铺一层钢筋混凝土层,一般先凿除老桥面,使 [5]谌润水,胡钊方,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M].北 其与原有主梁形成整体,达到增大主梁有效高度和抗压截面强 京:人民交通出版社,2002. 度、改善桥梁荷载横向分布能力,从而达到提高桥梁的承载能力 Discussion on road rebuilding and up-grading design XU Yan-zhao YANG Hong-fen Abstract:Through summarizing the road rebuilding project design of provincial road 220 from Liangcheng to Qiaobeishan section,it analyzes the situation of old road rebuilding and up-gradig densin,briggs forward concrete methods of road rebuilnding and up—gradig densin,solgves problems which encountered durig rnad rebuiolding and up-gradig,and gets good socinal benefits. Key words:road projeCt,rebuilclig nand up-ragdig,densin,stgreamline 收稿日期:2007.05.31 作者简介:冯树琴(1981.),女,西南交通大学土木工程学院硕士研究生,四川成都610031 李瑞(1983.),女,助教,南阳师范学院土木建筑工程学院,河南南阳473061 维普资讯 http://www.cqvip.com

33卷 31・ 268 ・ 20 0 7 1年 月  1 哲 . . ・1.h1-/ 西 建 筑 煺 建模原则是在保证仿真结果正确的前提下,使模型尽可能地 变形的影响就越小。横向刚度以20 kN/mm递增,轨下刚度从 简单。文中主要研究的是钢轨在轮轨力作用下产生的相对轨枕 20 kN/mm增加到120 kN/mm时,工况一分别减小0.942 1 rnnl, 的横向变形,包括钢轨平移和扭转。所以只需模拟轨枕以上的轨 0.399 9n1rI1,0.232 2mm,0.155 4l 和0.112 7 rnnl。由扣件参 道结构,包括钢轨和钢轨扣件两部分。为了反映钢轨的变形情 数可知,无碴轨道轨下垫层刚度比有碴大些,所以出现无碴轨道  况,钢轨模型按照60 kg/m钢轨的实际尺寸运用实体建模,并对 动态轨距扩大也比有碴大。其进行离散处理。把钢轨固定于轨枕上的是钢轨扣件,包括扣件 和轨下垫层,但并不是文中主要的研究对象,故选用三个方向的 等效刚度的线性弹簧单元代替,即沿轨道横向弹簧、轨底表面垂 { 向弹簧和轨底底面的垂向弹簧,它们的刚度分别代表扣件横向刚 度、扣件弹条刚度和轨下垫层刚度。所建的模型如图1所示。 稔 足 聋晕i 垫层剐度/kN・rrm 图2 钢轨横向位移和轨下垫层刚度关系曲线 2.2扣压力对钢轨横向位移的影响 如图3所示可知,随着扣件扣压力的增加,钢轨横向变形出 图1 轨道结构有限元模型 现逐渐减小的趋势,但是变化幅度非常小,相对于钢轨横向位移 可以忽略不计,当扣压力从10 kN增大到50 kN,最大横向位移仅 1.1轮轨力及钢轨材料参数 3 3 3 2 2 2 2 211111 文中模拟的轨道结构为60 kg/m无缝钢轨,混凝土Ⅲ型轨 减小了0.16 rnnl。由此可见通过增大扣压力并不能控制横向变 枕,轨枕间距为0.6 m,弹条Ⅲ扣件。运行速度为250 km/h,轴重 形,而且过大的扣压力会使垫层弹性下降和损伤扣件。一般钢轨 为23 t,速度系数取0.40,动轮载P:163 kN。文献[7]的研究表 扣件的扣压力大约在10 kN左右。 明,横向力大约为垂向力的23%~25%,文中取垂向荷载的1/4 作为横向荷载施加到模型上,所以横向力取43 kN,轮轨力作用位 置参考文献[1],为偏离钢轨中心线15 rnnl和偏离轨顶10 rnnl。 稔 墨 并按轮载相对于扣件的位置不同分为两种工况:工况一为轮载作 用于一组扣件上;工况二为轮载作用于两组扣件之间。钢轨材料 参数如表1所示。 表1钢轨材料参数 参数名称 钢轨弹性横量E/MPa 钢轨泊松比y 密度p/N・m一 参数大小 2.1×105 0.3 7.8×10—6 扣压力/kN 堪 痞 器 图3 钢轨横向位移和扣压力关系曲线 2.3扣件横向刚度对横向位移的影响 如图4所示可知,随着横向刚度的增加,钢轨横向位移逐渐 1.2扣件参数 高速铁路按其轨道结构形式的不同,可分为有碴轨道和无碴 轨道,相应的扣件也分为有碴轨道扣件和无碴轨道扣件。 我国高速铁路有碴轨道常用的扣件主要有弹条Ⅱ型扣件及 减小,而且横向位移也不是随着横向刚度线性变化,当横向刚度从 20 kN/rcan增加到40 kN/rcan时,横向位移减小量为0.223 3 n-an; 当横向刚度从80 kN/mm增加到100 kN/mm时,仅减小了 0.027 3 rnnl,此时横向位移的变化可以忽略。 2.30 2.25 弹条Ⅲ型扣件等,扣件参数:轨下橡胶垫刚度为55 kN/mm~ 80 kN/rcan,扣压力不小于10 kN/n ̄n,弹性变形量不小于10 r啪。 我国无碴轨道试验段都应用弹性分开式弹条扣件,采用双层 弹性结构,即具有铁垫板和轨下垫层。秦沈客运专线试验段扣件 使用目前提速线路上通用的Ⅱ弹条。 该扣件参数:单个弹条扣压力为不小于8 kN~10 kN,调高量 为30 rnnl,轨距量为+8 n1rI1~一12 rnnl,弹性主要由轨下垫板提 毒2.20 2.15 2.10 嚼痞器1.95 1.90 1 85 1.80 供,静刚度为40 kN/mm ̄60 kN/mm,铁垫板下缓冲垫板静刚度 为1 000 kN/mm。下面根据扣件参数分析取值,计算扣件对钢轨 横向变形的影响。 扣件横向剐度/kN・m 图4 钢轨横向位移和扣件横向刚度关系曲线 2计算结果分析 2.1轨下垫层刚度对横向位移的影响 3结语 由以上分析可知,增大扣件轨下垫层刚度、扣件的扣压力和 但是它们对横向变形 如图2所示可知,随着垫层刚度的增加,钢轨的横向变形明显 扣件的横向刚度都会引起横向变形的减小,减小,当横向刚度为20 kN/rcan时,工况一横向位移为3.219 2 r啪, 影响的大小不同。 是轨下垫层为120 kN/mm的2.34倍。但是钢轨横向变形并不 是随轨下垫层刚度线性变化,而是随着刚度的增大,该值对横向 1)轨下垫层刚度对钢轨横向变形的影响较大;刚度越小,增 大该值对横向变形影响越大。高速铁路无碴轨道由于轨下垫层刚 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 0 0 7年1 1月 第33卷第31期 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECrURE V01.33 No.31 Nov.2007 ・269・ 文章编号:1009—6825{2007}31—0269.02 沥青稳定基层施工工艺及经济分析 韩翠莹 摘要:通过青海试验路的现场施工,对沥青稳定基层的混合料组成设计、施工工艺及其经济性进行了研究,并对试验路 路面性能进行了预估,从而为柔性基层沥青路面的推广使用提供依据。 关键词:沥青稳定基层,施工工艺,经济分析 中图分类号:U416.1 文献标识码:A 为了研究沥青稳定基层施工工艺和质量控制手段,并通过路 2沥青稳定基层混合料设计 面在实际运营过程中的状态检测,评价这种不同于我国常用的半 国内外在马歇尔配合比设计方面积累了丰富的数据和经验。 刚性路面的结构性能,为柔性基层沥青路面的推广使用提供依 马歇尔试验设备(包括大马歇尔)操作简便,已为广大工程人员所接 据,在青海、四川等不同地区铺筑了柔性基层沥青路面试验路。 受。因此,仍然以马歇尔配合比设计方法为试验路沥青稳定基层。 下面对青海试验路的混合料设计、施工、检测和经济效益等进行 2.1 混合料的设计方法 了介绍。 一般认为,对于公称最大粒径不大于26.5 FtI'ITI的沥青混合 1试验路概况 料,采用标准马歇尔击实成型方法;而对于公称最大粒径大于 5 Ft'IITI的沥青混合料,为了保证集料颗粒的合理分布,应采用 青海省某高速公路,试验段位于K48+000~K54+800右半 31.幅,全长6、8 km,分为4个试验段,主要对半刚性路面、全柔性路 大型马歇尔试验方法。我国规范中规定对于公称最大粒径大于 5 Ft'IITI的沥青混合料,可以采用替代法。根据击实前后沥青稳 面以及半刚性基层级配碎石过渡层路面结构进行对比研究。试 31.定碎石粗集料级配的变化,可以看出马歇尔击实造成了粗骨料的 验路面结构如表1所示,E为原工程设计结构。 表1青海试验路结构 A 4 elTIAC13 7 elTIAC20 B 4 elTIAC13 7 elTIAC20 C 4 elTIAC13 6 cmAC20 D 4 elTIAC13 5 elTIAC20 6 elTIAC251 E 4 cmAC 13 5 elTIAG2OI 6 CITIAC251 破碎,这是马歇尔试验方法的缺陷之一。但相对而言,大型马歇 尔击实的破碎程度较其他二者小得多,这说明对于集料粒径较大 的沥青稳定基层混合料,应采用大型马歇尔试验方法进行混合料 9 elTIA1B一3O 9 elTIA11}3o 8 elTIA1B一30 20 ClTt级配砾石 加ClTt级配碎石 30 ClTt级配碎石 12 ClTt级配碎石 加∞l水稳碎石 25 ClTt天然砂砾 25 ClTt天然砂砾 17 ClTt天然砂砾 38 an水稳砂砾 30 ClTt水稳砂砾 设计。沥青为克拉玛依AH-90,各项指标均符合要求。石灰岩集 料产自大峡石料场,矿粉产地为老鸦峡。沥青稳定基层混合料级 配如表2所示。 表2沥青稳定碎石生产级配 级配 通过下列筛孔(方孔筛/mm)的质量百分率/% 类型 A1B一3O 范围 37.5 I 31.5 1 26.5 I 19.0 I 16.0 I 13.2 I 9.5 I 4.75 I 2.36 I 1.18 l 0.6 l 0.3 l 0.15 l 0.075 100 J 98.5 I 88.9 l 65.2 l 58.8 J 52.9 J 41.0 J 31.8 J 25.6 J 19.3 I 15.2 I 10.7 I 8.1 J 4.7 100 I 90--100  I70--90 l 53~72 l 44--66 1 39--60 I 31--51 I 20--40 l 15--32 1 10--25 I 8--18 l 5--14 I 3--10 l 2--8 按大型马歇尔试验方法,进行试验路沥青稳定基层混合料 ATB-30的组成设计。根据试验结果,确定最佳油石比为3.3%。 度大于有碴轨道,所以无碴轨道上动态轨距扩大比有碴轨道大。 [3]练松良,刘丽波,Joe.Kalousek.荷戢作用下轨距扩大的理论分 析[J].铁道学报,20oo(8):87—88. 2)扣件的扣压力对钢轨横向变形影响不大,而且过大扣压力 会使垫层弹性下降和损伤扣件,一般扣件的扣压力取10 kN左右。 3)扣件横向刚度在大于40 kN/mm以后对钢轨横向变形的 [4]苗彩霞,练松良.弹性与钢轨横向位移关系的动力分析[J].华 东交通大学学报,2004(4):31.32. 影响可以忽略。 参考文献: [5]范俊杰.现代铁路轨道[M].北京:中国铁道出版社,2004. [6]赵国唐.高速铁路无碴轨道结构[M].北京:中国铁道出版社, 2006. [1]张永兴,练松良.钢轨扭转时的水平住移分析[J].上海铁道大 学学报,1997(8):96—97. [2]张永兴,练松良.钢轨约束扭转时应力分析[J].上海铁道大学 学报,2000(12):36 37. [7]孙琦,土五生.曲线钢轨侧面磨耗研究[J].铁道学报,1991, 13(2):123—124. Analysis on the impact of high-speed railway fastener to lateral deformation of rail FENG Shu-qin LIRui Abstract:Through building railway structure model for example of 250 km/h high-speed railway.the paper analysises the ch ̄ge law of lateral deformation fo ̄owing the elastic rigidity of rail pad,clamping force of fstaener,lateral stiffness of fastener.The results show that the elastic rigidity of rail pad has a great effect on lateral deformation which decreases as the elastic rigidity of rail pad increases. Key words:high—speed railway,parameters of fastener,rail,lateral deformation 收稿日期:2007—05.22 作者简介:韩翠莹(1979一),女,助理工程师,河北省衡水冀州市交通局,河北冀州053200 

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