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1、地铁与轻轨工程,第三讲：轨道结构工程,轨道结构组成、材料、作用,轨道是由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔、联结零件及防爬设备等组成。组成轨道部件材料的力学性质差异大钢材、混凝土、弹簧、道碴、橡胶用以导向列车的运行、承受高速行驶列车的荷载并把荷载传递给支撑轨道结构的基础（路基或桥隧建筑物）。轨道必须坚固稳定，并具有正确的几何形位，以确保机车车辆的安全运行。,联结零件是联结钢轨或联结钢轨和轨枕的部件。前者称接头联结零件，后者称中间联结零件(或扣件)。其作用是有效地保证钢轨与钢轨或钢轨与轨枕间的可靠联结，尽可能地保持钢轨的连续性与整体性。阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动，确保轨距正常，并在机车车辆的动力作
2、用下，充分发挥缓冲减振性能，延缓线路残余变形的积累。防爬设备能有效地防止钢轨与轨枕之间发生纵向的相对移动，制止钢轨爬行。,城市轨道交通的轨道结构由于线路一般穿过居民区，还要考虑以下一些问题：对噪声控制要求较高。修筑声屏障，车辆结构和轨道结构均要采取减振措施。轨道交通行车密度大，运营时间长。一般采用较强的轨道部件和无渣道床等少维修轨道结构。,轨道交通车辆一般采用电力牵引，以走行轨作 为供电回路。为减小因漏泄电流(或称迷流)而造成周围金属设施的腐蚀，要求钢轨与轨下基础石较高的绝缘性能。受街道和建筑物所限，城市轨道交通曲线区段占很大比重。在小半径曲线地段，应采用耐磨钢轨。钢轨铺设前应进行预弯运营时钢
3、轨应进行涂油以减少磨耗。,3.1 钢轨,钢轨是轨道结构的主要组成部分，直接承受地铁（轻轨）列车荷载，并传递到扣件、轨枕、道床和结构底板（路基或桥梁），依靠钢轨的头部内侧和列车轮缘的相互作用，引导列车前进。其断面形状主要为工字形，由轨头、轨腰、轨底三部分组成。图3-1 50kgm级钢轨,钢轨的基本参数,钢轨的类型习惯上以每米大致质量数来表示。目前我国铁路的钢轨类型主要有43、50、60、75kgm等型式。质量愈大，表示断面强度等性能指标愈高。在我国城市轨道交通的线路中，早期的北京地铁使用了50kgm钢轨，上海、广州、南京地铁都采用了较重的60kgm钢轨。轨道交通停车线、站场线等非运营线路可采用较
4、轻的钢轨。我国生产的钢轨定尺长度，一般有12.5m和25m两种。标准轨距：1435mm,采用重型钢轨的好处?,现在国内外采用地铁和轻轨有选用重型钢轨的趋势，从技术性能分析，60kgm的钢轨重量只增加17，而允许通过的总重量可增加50，重型钢轨不仅能增加轨道的稳定性，减少养护维修工程工作量，而且还能增加回流断面，减少杂散电流。据有关试验资料介绍60kgm钢轨比50kgm钢轨抗弯强度增加34，而弯曲压力减少28；使用年限增加1.53.0倍，而疲劳破坏造成的更换率减少84；振动影响减少10。我国地铁和轻轨均采用60kgm的重型钢轨。,钢轨损伤方式？,造成其损坏的主要原因是磨耗和疲劳损伤。钢轨磨耗在直
5、线上主要出现在接头部分的鞍形磨耗及内股钢轨的头部压溃和波形磨耗，曲线上则表现为外股钢轨的侧面磨耗及内股钢轨的头部压溃和波形磨耗，其在小半径曲线上显得更为严重。钢轨的疲劳损伤主要表现为核伤，它是从轨头内部的细小裂纹开始，随着车辆的频繁通过，使钢轨头内部出现极为复杂的应力组合，使一些细小裂纹先是成核，然后再向轨头四周发展，最后在毫无预兆的情况下，猝然折断，引起严重的行车事故。,钢轨的机械连接,轨道上通常用定长钢轨连接成连续的轨线。在两根定长钢轨之间，用夹板连接，这种夹板称为钢轨接头。钢轨机械接头的联结零件包括夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈等。,无缝线路,城市轨道交通线路一般采用无缝线路无缝线路是指将钢
6、轨焊接起来的线路，所以又称为焊接长钢轨线路。焊接长钢轨因温度变化会引起伸缩，按处理此种伸缩的方法不同，无缝线路分：温度应力式放散应力式,温度应力式无缝线路,温度应力式无缝线路的钢轨由一根焊接长轨条及其两端24根标准轨组成，并采用普通钢轨接头的形式。无缝线路铺设后，焊接长轨条因受扣件及道床纵向阻力的抵抗，两端自由伸缩受到一定的限制，中间自由伸缩受到完全的限制，因而在钢轨内产生温度力，其值随轨温变化而异。这种无缝线路结构简单，铺设养护比较方便，故得到广泛的采用。但因钢轨承受很高的温度力，因此必须满足强度及稳定性方面设计的要求。,温度应力式无缝线路,放散应力式无缝线路,放散温度应力式无缝线路又分为自
7、动放散和定期放散两种。前者是在焊接长轨条两端设置钢轨伸缩调节器（如尖轨接头）来自动释放钢轨内的温度应力，如图3-4所示。这种形式的无缝线路主要用在桥梁（尤其是大桥）上。后者是把钢轨内部的温度应力每年调整放散12次。放散时，松开焊接长轨条的全部扣件，使它自由伸缩，放散内部的温度应力，在一定的轨温条件下把扣件全部扣紧。,放散应力式无缝线路,3.2 轨枕,轨枕是轨下基础的部件之一。它的功能是支承钢轨，保持方向，同时利用扣件有效地保持两股钢轨的相对位置，并将钢轨对它的各向压力传递到道床上。因此，轨枕必须具有坚固性、弹性和耐久性。,轨枕的分类,轨枕依其构造及铺设方法分为：横向轨枕、纵向轨枕、短轨枕和宽轨
8、枕等。横向轨枕与钢轨垂直间隔铺设；纵向轨枕沿钢轨方向铺设；短轨枕是在左右两股钢轨下分开铺设的轨枕，常用于混凝土整体道床上。宽轨枕底面积比横向轨枕大，减小了对道床的压力和道床的永久变性。轨枕按其使用部位可分为：用于区间线路的普通轨枕，用于道岔上的岔枕及用于无碴桥上的桥枕。轨枕按其材料可分为：木枕、混凝土轨枕及钢枕等。,轨枕起先采用木材制造，木材的弹性和绝缘性较好，受周围介质的温度变化影响小，重量轻，加工和在线路上更换简便，并且有足够的位移阻力。钢筋混凝土轨枕使用寿命长，稳定性高，养护工作量小，损伤率和报废率比木枕要低得多。在无缝线路上，钢筋混凝土轨枕比木枕的稳定性平均提高1520%。轨枕因应用范
9、围不同，长度也不同。在我国，普通轨枕长度为2.5m，道岔用的岔枕和钢桥上用的桥枕，长度有2.64.85m多种。,混凝土宽枕 混凝土宽枕又称轨枕板。其宽枕长度与普通混凝土枕长度相同，均为2.5m，而宽度约为后者的两倍。混凝土宽枕在道床上是密排铺设，每公里铺1760块，每块枕上安装一对扣件，由钢轨传来的力处于宽枕轴线的对称位置，可避免荷载的偏心。,混凝土宽枕与普通枕比较有以下优点：1宽轨枕宽55cm，支承面积较混凝土枕大一倍，使道床的应力大为减少。同时，每块宽枕的质量为500kg左右，可以减小道床的振动加速度，使道床的变形减小，残余变形积累过程延缓，轨道几何形位易于保持。2轨枕与道床接触面上的摩阻
10、力增大，提高了轨道的横向稳定性，有利于铺设无缝线路。3宽轨枕密排铺设，枕间空隙用沥青混凝土封塞，把道床顶面全部覆盖起来，防止雨水及脏污侵入道床内部，从而有效地保持道床的整洁，延长道床的清筛周期。4宽轨枕轨道的维修养护工作量很少，仅为混凝土枕轨道的l/2l/4，从而减轻和改善了养护工作条件。5宽轨枕轨道外观整洁美观。,常规铁路J1型预应力混凝土轨枕,轨枕铺设数量,每公里线路上铺设轨枕的数量是根据铁路运量和行车速度等运营条件来确定的，一般在15201840根之间。轨枕数量越多，轨道强度越大。隧道的正线及辅助线的直线段和半径大于等于400m的曲线段，每公里铺设短轨枕数为1680对，半径为400m以下
11、曲线地段和大坡道上，每公里铺设轨枕数为1760对。地面碎石道床上铺轨枕数同上。车场线每公里铺设轨枕数为1440根。,轨枕间距 轨枕间距与每公里配置的轨枕根数有关。轨枕根数应根据在最经济的条件下，保证轨道具有足够的强度和稳定性。轨枕密一些，道床、路基面、钢轨以及轨枕本身受力都可小一些。同时，使轨距、方向易于保持，对行车速度高的地段尤为重 要。但也不能太密，太密则不经济，而且净距过小，也会在一定程度上影响捣固质量。我国铁路规定，对木枕轨道，每公里最多为l920根，混凝土枕为l840根；每公里最少均为l440根。轨枕的级差为每公里80根。符合下列条件之一的地段，正线轨道应加强，每公里铺枕根数外，对混
12、凝土枕每公里增加80根，木枕增加160根，但不能超过前述允许最大铺设数量。a在混凝土枕轨道R600m的曲线(包括缓和曲线和圆曲线)或木枕轨道、电力牵引线R800m的曲线地段；b坡度大于12的下坡制动地段；c长度等于或大于300m的隧道内线路。,3.3 扣件,扣件是钢轨与轨枕或其它轨下基础连接的重要联接件，它的作用是固定钢轨，阻止钢轨纵向和横向位移，防止钢轨倾斜，并能提供适当的弹性，将钢轨承受的力传递给轨枕或道床承轨台。(DTIDTVII等型号)扣件由钢轨扣压件和轨下垫层两部分组成。扣件应具有足够的强度、扣压力和耐久性。在高架桥无碴、无枕的轨道上，扣件还必须一定的弹性，保持轨距和较大轨距水平调整
13、量。扣件尽量标准化，通用性好，造价低。对于扣件的铁部件应作防腐处理。,3.4 道床,道床是轨枕的基础，在其上以规定的间隔布置一定数量的轨枕，用以增加轨道的弹性和纵、横向移动的阻力，并便于排水和校正轨道的平面和纵断面。道床铺设在路基之上，轨枕之下。地铁轨道的道床，一般分为碎石道床、整体道床、浮置板式整体道床、纵向浮置板式整体道床、整体弹性道床等形式。轻轨轨道的道床，也分为有碴道床和无碴整体道床。,碎石道床,碎石道床优点是结构简单，容易施工，减振、减噪性能较好，造价低，但其轨道建筑高度较高，因此造成结构底板下降，加大隧道的净空，排水设施复杂，养护工作频繁，更换轨枕困难。,整体式道床,整体式道床优点
14、是整体性好，坚固、稳定、耐久；轨道建筑高度小，减少隧道净空，节省投资；轨道维修量小，适应地铁和轻轨交通运营时间长、维修时间短的特点。无枕式整体道床 也称为整体灌注式道床，其轨道建筑高度小轨枕式整体道床短枕、长枕,短枕式整体道床,这种道床轨道建筑高度低，短枕预制，道床现浇。一般设中心排水沟、中心暗沟，或侧向排水沟。短轨枕在工厂预制，混凝土强度等级为C50，其横断面为梯形，底部外露钢筋钩，以加强与道床现浇混凝土的联结。北京地铁一、二期工程近90km（单线）均铺设这种道床，天津地铁亦铺设这种道床。为了减少振动和噪声，还研制了弹性短枕式道床、塑料短枕式道床、短木枕式道床。不够成熟,长枕式整体道床,这种
15、道床，设侧向水沟。一般长轨枕预留圆孔，道床用纵向筋穿过，加强了与道床的联结。这种道床适用于软土地基隧道，可采用轨排法施工，进度快，施工精度亦易保证。上海地铁和新加坡地铁铺设这种道床。,浮置板整体式道床,在浮置板下面及两侧设有橡胶垫优点是减振效果明显缺点：造价昂贵，大修时更换底部橡胶垫困难，要中断地铁正常运营。德国、新加坡等国家的地铁，我国广州、香港部分地铁区段铺设了这种道床。,纵向浮置板式整体道床,针对浮置板式道床的缺点，国内研究了纵向浮置式整体道床，该类道床由浮置板、橡胶垫、道床承台和联结挡板等组成，这种道床较轨枕式道床施工难度大，要求严格控制施工的精度。莫斯科、基辅地铁铺有这种道床，国内还
16、在研究，未正式应用,轻轨整体道床,目前，轻轨高架桥上以无碴整体道床为主。这种结构是通过扣件把钢轨与混凝土桥面联结起来。应用较广泛的是混凝土梁上二次浇注混凝土纵向承轨台。,上海明珠轻轨线高架桥线路采用支承块、承轨台式新型整体道床结构。支承块为钢筋混凝土预制短轨块，在相邻两股钢轨下每间隔一定距离各垫一块，每个支承块顶面预留两只锚固螺栓孔，并与钢轨联结。混凝土设计强度为C50。支承块底部预留六根钢筋，与梁面预埋钢筋联结，以提高与承轨台间锚固强度。,上海明珠轻轨线,3.5 道岔,车辆由一条线路转向或越过另一条线路时的设备称为道岔。道岔有线路连接、线路交叉及线路连接与交叉等3种基本形式。线路连接设备有普
17、通单开道岔、单式对称道岔及三开道岔等形式；线路交叉设备有直角交叉及菱形交叉等形式；线路连接与交叉设备有交分道岔及各种交叉渡线等形式。应用这些设备，可以把不同位置和方向的轨道相互连接起来。,单开普通道岔,单开普通道岔结构简单，具有一定的代表性，且占全部道岔总数的95以上 转辙部分：引导列车的轮对沿原线行进或转入另一条线路运行辙叉部分：使轮对顺利地通过两线钢轨的连接点连接部分：使转辙部分和辙叉以及岔枕连接,转辙部分,单开道岔的转辙器由两根基本轨、两根尖轨、各种联结零件和道岔转辙机构组成。尖轨是转辙器的主要部分，车辆进出道岔由它引导。,基本轨就是用一根125m或25 m标准断面的普通钢轨制成，主股为
18、直线，侧股按转辙器各部分的轨距在工厂事先弯折成规定的折线或采用曲线型。基本轨除承受车轮的垂直压力外，还与尖轨共同承受车轮的横向水平力。为防止基本驮的横向移动，可在其外侧设置轨撑。为了增加钢轨表面硬度，提高耐磨性并保持与尖软良好的密贴状态，基本轨头顶面一般还进行淬火处理。尖轨是转辙器中的重要部件、依靠尖轨的扳动将列车引入正线或侧线方向。可分为直线型和曲线型。直线型尖轨制造简单，便于更换，尖轨前端的刨切较少，横向刚度大，尖轨的摆度和跟端轮缘槽较小，可用于左开或右开，但这种尖轨的转辙角较大，列车对尖轨的冲击力大，尖轨尖端易于磨耗和损伤。,我国铁路的大部分12号及12号以下的道岔，均采用直线型尖轨。我
19、国新设计的12、18号道岔直向尖轨为直线型，侧向尖轨为曲线型。这种尖轨冲击角较小，导曲线半径大，列车进出侧线比较平稳，有利于机车车辆的高速通过。,(2)轨撑 轨撑可以防止基本轨倾覆、扭转和纵横向移动，安装在基本轨的外侧。它用螺栓与基本轨相连，并用两个螺栓与滑床板连结。轨撑有双墙式和单墙式之分。提速道岔中由于扣件扣压力足够大，未设轨撑。(3)顶铁 尖轨刨切部位紧贴基本轨，而在其它部位则依靠安装在尖轨外侧腹部的顶铁，将尖轨承受的横向水平力传递给基本轨，以防止尖轨受力时弯曲，并保持尖轨与基本轨的正确位置。(4)各种特殊形式的垫板 如铺设在尖轨之前的辙前垫板和之后的辙后垫板；铺设在尖轨尖端和尖轨根端的
20、通长垫板；为保持导曲线的正确位置而设置的支距垫板等。,(5)道岔拉杆和连接杆 道岔拉杆连接两根尖轨，并与转辙设备相连，以实现尖轨的摆动，故又称为转撤杆。连接杆为连接两根尖轨的杆件，其作用是加强尖轨间的联系，提高尖轨的稳定性。(6)转辙机械 最常用的道岔转换设备的种类有机械式和电动式。若按操纵方式分类，则有集中式和非集中式两类。机械式转换设备可为集中式或非集中式，电动式转换设备则为集中式。道岔转换设备必须具备转换(改变道岔开向)、锁闭(锁闭道岔，在转撤杆中心处尖轨与基本轨之间不允许有4mm以上的间隙)和显示(显示道岔的正位或反位)等三种功能。,辙叉及护轨,辙叉是使车轮从一股钢轨越过另一股钢轨的设
21、备，它设置于道岔侧线钢轨与道岔主线钢轨相交处。辙叉由心轨、翼轨、护轨及联结零件组成。按平面型式分，辙叉有直线辙叉和曲线辙叉两类；按构造分，又有固定式辙叉和可动式辙叉两类。在单开道岔上以直线式固定辙叉最为常用。,直线式固定辙叉分两种，即整铸辙叉和钢轨组合式辙叉。,整铸辙叉是用高锰钢挠铸的整体辙叉。高锰钢是一种锰碳含量均较高的合金钢(含锰约12，5，碳12)，具有较高的强度、良好的冲击韧性，经热处理后，在冲击荷载作用下，会很快产生硬化，使表面具有良好的耐磨性能，同时，由于心轨和冀轨同时挠铸，整体性和稳定性好，可以不设辙叉垫板而直接铺设在岔枕上。这种辙叉还具有使用寿命长，养护维修方便的优点。,整铸辙
22、叉,钢轨组合式辙叉是用钢轨及其它零件经刨切拼装而成的，它由长心软、短心轨、冀轨、间隔铁、辙叉垫板及其它零件组成。辙叉是由长、短心轨拼装而成，长心软应铺设在正线或运量较大的线路方向上。为尽可能保持长心软断面的完整，而将短心轨刨去一部分，使短心轨轨底叠盖在长心轨轨底上，以保持叉心的坚固稳定。这种结构取材容易，无特殊工艺要求，加工制造方便。但这种结构零件多，养护工作量大，目前我国正线上已很少使用。,单开道岔辙叉从其趾端到跟端的长度FA或EB，称辙叉全长。从辙叉趾端到理论中心的距离FO或EO肋，称辙叉趾距，用n表示。从辙叉跟端到理论中心的距离AO或BO，称撤叉跟距，用m表示。撤叉趾端冀轨作用边间的距离
23、EF和撤叉跟端叉心作用边间距AB，分别称称辙叉前开口Pn及撤叉后开口Pm。,叉心两侧作用边之间的夹角称辙叉角，其交点称辙叉理论中心(理论尖端)。由于制造工艺原因实际上：辙义尖端有610mm宽度，称辙叉实际尖端。辙叉角愈小，道岔号数N愈大。两者之间的关系为：N=cot,道岔号数,单开道岔以它的钢轨每米质量及道岔号数区分类型。道岔号数以辙叉号数来表示，辙叉角的标示见图图3-20。我国道岔号数与辙叉角的对应值见表3-3。,冀轨：冀轨由普通钢轨弯折刨切而成，用间隔铁及螺栓和叉心联结在起，与撤叉间形成必要的轮缘槽，引导车轮行驶。冀轨作用边开始弯折处称为辙叉咽喉，是两翼轨作用边之间的最窄距离。从辙叉咽喉至
24、实际尖端之间，有一段轨线中断的空隙，称道岔的“有害空间”。道岔号数愈大，辙叉角愈小，有害空间愈大，导曲线半径也越大，列车侧线通过道岔时就越平稳，允许过岔速度也就越高。护轨：车轮通过较大的有害空间时，叉心容易受到撞击。为保证车轮安全通过有害空间必须在辙叉相对位置的两侧基本轨内侧设置护轨，借以引导车轮的正确行驶方向。,护轨设于固定辙叉的两侧，用于引导车轮轮缘，使之进入适当的轮缘槽，防止与叉心碰撞。护轨的防护范围，应包括撤叉咽喉至叉心顶宽50M1N一段长度，并要求有适当的余裕。辙叉护轨由中间平直段、两端缓冲段和开口段组成，护轨平直段是实际起着防护作用的部分，缓冲段及开口段起着将车轮平顺地引入护轨平直
25、段的作用。缓冲段的冲击角应与列车允许的通过速度相配合。,连接部分,连接转辙器和辙叉的轨道称为道岔的连接部分，它包括直股连接线和曲股连接线。直股连接线与区间直线线路的构造基本相同，曲股连接线又称导曲线，目前线路上铺设的道岔导曲线均为圆曲线，当尖轨为曲线型时，尖轨本身就是导曲线的一部分。导曲线由于长度及界限的限制，一般不设超高和轨底坡。为防止导曲线钢轨在动荷载作用下的外倾和轨距扩张，可设置一定数量的轨撑或轨距拉杆。也可在导曲线范围内设置一定数量的防爬器及防爬木撑，以减少钢轨的爬行。,小结,3.1 钢轨 基本参数、损伤原理无缝线路3.2 轨枕 轨枕的分类3.3 扣件技术指标3.4 道床 类型及其适用性3.5 道岔 组成、各部分作用,思考题,1 钢轨的损伤方式及其防范措施？2 无缝线路是如何调节焊接长钢轨温度变化伸缩量的？3 扣件的技术指标有哪些？4 道床的基本类型及其适应性？5 道岔的组成部分及其作用？,
