【正文】 速鐵路軌道在不穩(wěn)定重復(fù)荷載作用下，其承受能力卻不一定能滿足高速行車的要求，它的破壞形式主要表現(xiàn)在列車荷載反復(fù)作用下，軌道各部件的疲勞折損、軌道整體結(jié)構(gòu)參與變形積累超限。對普通鐵路的軌道結(jié)構(gòu)，它和一般的工程結(jié)構(gòu)的顯著差別是在運(yùn)用條件下能夠進(jìn)行個別折損部件的更換和整體結(jié)構(gòu)參與變形的矯正，軌道結(jié)構(gòu)的工作過程是一個邊工作、邊折損更換、邊變性維修的過程。但對客運(yùn)專線必須保證最高程度的穩(wěn)定。為了保證高速行車的需要，軌道必須為列車提供列車平順的運(yùn)行表面。軌道的不平順從結(jié)構(gòu)上大約可以分為三種類型，即結(jié)構(gòu)不平順、附加不平順和動態(tài)不平順。結(jié)構(gòu)不平順是指由于軌道結(jié)構(gòu)及部件固有的不平順，如鋼軌表面由于軋制工藝造成的鋼軌垂向玩去、焊縫凹凸不平、軌道鋪設(shè)和整道時形成的不平順；附加不平順是指在運(yùn)行過程中濺在軌面碾壓形成的軌面損傷、鋼軌彈性墊層破損等；動態(tài)不平順是指在列車運(yùn)行中產(chǎn)生的不平順。動態(tài)不平順一般情況有兩種：一種是軌道彈性不均和荷載波動，輪軌接觸點(diǎn)呈波浪形；另一種是存在暗坑吊板和倒床不均勻的彈性下沉。是否能實(shí)現(xiàn)高平順性的標(biāo)準(zhǔn)是高速鐵路成敗的核心問題，要求高、難度大、涉及面廣。高外高速鐵路在工程建設(shè)和設(shè)備管理方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但也出現(xiàn)過不少挫折。這些失敗的教訓(xùn)，很多都是因?yàn)閷Ω咂巾樢笳J(rèn)識不夠、對平順性控制不嚴(yán)、采取的措施不當(dāng)造成的。因此從事高速鐵路研究、設(shè)計、施工、監(jiān)理、管理人員都應(yīng)該十分重視高速鐵路的平順性問題。高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)具有良好的彈性是十分重要的。軌道具有良好的彈性，不僅可以使軌道具有較強(qiáng)的抗振動與抗沖擊能力，而且有利于減少噪聲干擾，因此軌道結(jié)構(gòu)良好彈性是各國高速鐵路追求的目標(biāo)。軌道結(jié)構(gòu)彈性良好包括兩方面的含義：一是高速行車引起的振動起到“吸振”作用的足夠的彈性；二是沿軌道縱向彈性的均勻性。高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)是十分重要的工程結(jié)構(gòu)，要求其具有極高的安全可靠，對組成軌道結(jié)構(gòu)的各部件自然也提出了極嚴(yán)格的性能和質(zhì)量要求。在列車運(yùn)行何在作用下，軌道結(jié)構(gòu)及其部件產(chǎn)生應(yīng)力和變性。不同的軌道結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)和各部件的盈利和變形有很大的差異。由于運(yùn)輸條件的變化和輪軌關(guān)系都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，軌道在一定的運(yùn)輸條件下安全地完成規(guī)定任務(wù)的概率應(yīng)該達(dá)到規(guī)定的要求。軌道的破損表現(xiàn)為為軌道整體結(jié)構(gòu)變形和軌道部件折損。軌道整體結(jié)構(gòu)變形包括彈性變形和永久變形。軌道的永久變形不僅影響列車的平穩(wěn)運(yùn)行，而且當(dāng)這種變形積累到一定程度后，將大大削弱線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，威脅行車安全。軌道結(jié)構(gòu)和一般工程結(jié)構(gòu)的顯著差別實(shí)在運(yùn)營條件下，要隨時消除這些永久變形。對高速鐵路來講，軌道變形的速率應(yīng)非常緩慢，而一旦發(fā)生永久變形，必須及時消除。為保證列車安全、可靠運(yùn)行，對軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的狀態(tài)和各部件的關(guān)系都規(guī)定了嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 軌道結(jié)構(gòu)選取的原則軌道結(jié)構(gòu)是由鋼軌、軌枕、扣件、道岔、道岔等部分組成這些力學(xué)性質(zhì)決然不同的材料承受來自列車車輪的作用，它們的工作是緊密相關(guān)的，任何一個軌道部件性能、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化都會影響所有其他零部件的工作條件，并對列車運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。因此，軌道結(jié)構(gòu)是一個系統(tǒng)，要用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行研究。鋼軌直接接受由機(jī)車車輛傳來的巨大的動力，并傳向軌枕；軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力后再將其分布于道床，并保持鋼軌正常的幾何位置；輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減震、和衰減后傳遞給道床，使道咋重新排列，并將作用力擴(kuò)散傳遞于路基。由于列車速度的提高給鋼軌結(jié)構(gòu)的作用力與速度的n次方成正比，高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)必然比普通鐵路具有更高的安全性、可靠性和平順性。為保證軌道結(jié)構(gòu)的這些要求，軌道各部件的力學(xué)性能、使用性能和組成為結(jié)構(gòu)的性能呢個都比普通軌道部件高得多。216。 有砟軌道有砟軌道即所謂的常規(guī)的軌道，是鐵路一種傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)外的已獲得廣泛的應(yīng)用。有砟軌道具有結(jié)構(gòu)形式簡單、造價低、建設(shè)周期短，線路的彈性和減振性能較好、噪聲較小，軌道超高和幾何形態(tài)調(diào)整簡單、且破壞后修復(fù)時間短、自動化及機(jī)械化維修效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)是軌道橫向抗力較小，容易產(chǎn)生不均勻下沉，橋上道床穩(wěn)定性較差、行車中會使道砟飛散，軌道結(jié)構(gòu)被破壞后，加大維修工作量。216。 無砟軌道無砟軌道結(jié)構(gòu)是耐永久性好、塑性變性小的材料代替道砟材料的一種新型軌道。由于取消了碎石道床，軌道保持幾何狀態(tài)的能力提高，軌道穩(wěn)定性增強(qiáng)，維修工作減少，明顯優(yōu)于有砟軌道，成為目前高速鐵路的主要發(fā)展方向。根據(jù)無砟軌道的貼點(diǎn)和線下基礎(chǔ)的設(shè)計要求，在橋梁、隧道和路基穩(wěn)定的地段采用無砟軌道。表21 無砟軌道和有砟軌道比較鋼軌是鐵路軌道的主要組成部件。它的功用在于引導(dǎo)機(jī)車車輛的車輪前進(jìn)，承受車輪的巨大壓力，并傳遞到軌枕上。鋼軌必須為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動表面。對于高速鐵路而言，鋼軌要提供的輪軌踏面平順性和鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊平順性比普通鐵路高的多：(1)較高的強(qiáng)度和抗磨性能，以期達(dá)到較高的承載能力和較長的使用壽命。(2)較高的抗疲勞傷損的安全可靠性，防止軌頭內(nèi)側(cè)剝離及可能由此引起的鋼軌橫向斷裂。鋼軌長期在列車周期性重復(fù)性重復(fù)荷載下工作，應(yīng)有較高的疲勞強(qiáng)度和較好的沖擊韌性。(3)較強(qiáng)的抗不均勻磨耗性能和鋼軌全長范圍內(nèi)硬度的均勻性，避免引起波紋、波浪等不均勻磨耗。(4)良好的焊接性能，以便采用無縫線路。(5)良好的道岔機(jī)加工性能，以獲得良好的道岔質(zhì)量。(6)化學(xué)成分便于進(jìn)行熱處理，以提高鋼軌的強(qiáng)韌性。(7)嚴(yán)格的尺寸公差及鋼軌工作邊平順性，減少軌道周期性不平順。2. 提速線路對鋼軌材料的要求：(1)保證材料高純凈，提高鋼軌可靠性(2)保證軋制高精度，提高鋼軌質(zhì)量(3)鋼種成熟，外國基本按UIC標(biāo)準(zhǔn)系列選用900A鋼種。我國鐵路在20世紀(jì)80年代前基本使用U71Mn和U74鋼軌，分屬于90kg和80kg，由于承載力不足，明顯不適應(yīng)運(yùn)輸要求。為此，我國鐵道、冶金部門聯(lián)合開發(fā)了PPDPD3和稀土軌。通過技術(shù)鑒定。鋼軌用量增加，線路換軌大修每年鋪設(shè)數(shù)十萬噸，延長了鋼軌使用壽命，使鋼軌傷損的嚴(yán)重程度得到緩解，因此可以說PD3和UIC900A、U71Mn一樣是成熟的鋼種。軌枕在軌道結(jié)構(gòu)中的作用是支撐鋼軌，并將鋼軌傳來的壓力傳遞給道床，同時可固定鋼軌的位置及有效保持軌距、方向等軌道形位。目前，世界高速鐵路有咋軌道廣泛采用鋼筋混凝土軌枕。這是因?yàn)榭v向、橫向阻力大，能夠提供足夠的穩(wěn)定性，滿足高速鐵路的穩(wěn)定性要求。軌枕的形態(tài)主要分為整體軌枕和雙塊軌枕。日本、德國等國家主要采用整體式軌枕。其中日本根據(jù)不同的列車運(yùn)行速度和使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計了3T、3H、4H等多種整體式軌枕結(jié)構(gòu)類型。而法國TGV高速線路為了減少軌道變形、增大強(qiáng)度，采用每根245kg、。這種類型的軌枕大大提高了軌枕道床的穩(wěn)定性和可靠性。同時，雙塊式由于重量較整體式輕，其制造工藝也相對簡單，生產(chǎn)成本和運(yùn)輸鋪設(shè)費(fèi)用也相對較低。我國軌枕的主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型軌枕。我國近50年發(fā)展應(yīng)用的軌枕形式與大多數(shù)國家一樣采用整體式預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，建立了一整套關(guān)于軌枕設(shè)計、制造、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)管理等的體系，以及規(guī)程、技術(shù)條件、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量監(jiān)管等技術(shù)保障。從Ⅱ型枕的發(fā)展過程可以看出，我國混凝土枕技術(shù)從整體上看是基本成熟的，應(yīng)此在高速鐵路有咋軌道的軌枕選型應(yīng)該是整體式軌枕。我國Ⅲ型軌枕研制工作起步于20世紀(jì)90年代，已經(jīng)有了二十年的歷史，但由于反戰(zhàn)速度比較快又有新Ⅱ型軌枕的經(jīng)驗(yàn)，因此在技術(shù)方面具有較好的基礎(chǔ)。目前研制的Ⅲ型軌枕主要有兩種形式。一種是鐵道科學(xué)研究院主研的TKⅢ型軌枕，另一種是專業(yè)設(shè)計院主研的YⅢ型軌枕。，截面尺寸相近，配筋有所不同，前者為10根直徑7mm的壓痕高強(qiáng)鋼絲，后者為8根直徑7mm的預(yù)應(yīng)力鋼絲，適用范圍基本相同。TK—Ⅲ型軌枕主要特點(diǎn)。通過在京廣線試鋪和運(yùn)營的考驗(yàn)，使用情況良好，反映出有如下特點(diǎn)：1. 結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)化了軌道結(jié)構(gòu)。，并適當(dāng)加寬了枕底，使枕下支承面 積增加17%，端側(cè)面積約增加20%，單根枕重量增加31%，因此，可有效提高道床的縱、橫向阻力，減緩重載運(yùn)輸所產(chǎn)生的道床累積變形，提高線路的穩(wěn)定性；2. 軌下和中間截面的設(shè)計承載力，較Ⅱ型軌枕分別提高了43%和65%。提高了軌枕強(qiáng)度；3. 采用無螺栓扣件的扣壓力能保持線路穩(wěn)定，無縱橫向移動，有利于保持軌道的幾何尺寸，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。鋼軌扣件就是軌道上用以聯(lián)結(jié)鋼軌和軌枕(或其他類型軌下基礎(chǔ)）的零件，又稱中間聯(lián)結(jié)零件。其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕的縱橫向移動。提速線路的扣件運(yùn)行速度高、行車密度大，對軌道平順性有極高的要求，因此對鋼軌扣件有比一般扣件有更高的要求。1. 保持軌距能力強(qiáng)正確的軌距是保證高速行車安全的最基本的條件。由鋼軌和軌枕組成的軌道框架完全由鋼軌扣件聯(lián)結(jié)，它必須保證框架幾何特征的穩(wěn)定，即牢固保持軌距，防止鋼軌傾翻和軌距擴(kuò)大。同時，扣件要保證軌道框架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，使鋼軌處于準(zhǔn)確位置。2. 足夠的防扒阻力在列車荷載作用下，鋼軌受到碾壓存在沿軌枕產(chǎn)生位移的可能性，如果鋼軌產(chǎn)生爬行，會引起諸多線路病害。但是，扣件壓力必須適度，過大的扣件壓力會使墊層彈性下降和損傷扣件。同時，扣件還應(yīng)該具有良好的保持扣壓力性能。3. 良好的減振性能軌道的彈性主要由散粒體道床提供。軌下墊層起減振和隔振的作用。對于混凝土軌下基礎(chǔ)來講，軌下墊層的良好彈性更為重要。4. 零部件精度高，可靠性好提速線路高平順型的技術(shù)要求對扣件的精度提出了很高的要求，因此扣件的個零部件除了本身應(yīng)該具有的高精度外，其組裝精度也必須要滿足高速行車的需要?？奂鞑考凶銐虻膹?qiáng)度和使用性能：在設(shè)計的使用的壽命周期內(nèi)，扣件各部件不產(chǎn)生疲勞傷損和顯著的殘余變形；當(dāng)扣件和軌下彈性墊層產(chǎn)生容許范圍內(nèi)的磨耗和殘余變形時，扣件整體性能仍滿足高速行車的要求。5. 絕緣性好為保證行車的絕對安全，鋼軌扣件應(yīng)具有良好的絕緣性能，確保軌道電路正常工作。我國從20世紀(jì)60年代開始研制扣件的多種形式。如TF—M型扣件，TF—Y型彈性扣件和彈條扣件。目前主要干線上都采用彈性扣件。因?yàn)閺椥钥奂哂锌趬毫Υ?、?lián)結(jié)牢固和良好的彈性等特點(diǎn)。能保持鋼軌處于正確位置和穩(wěn)定狀態(tài)，延長軌道各部件使用壽命，減少線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量等優(yōu)點(diǎn)。我國彈條扣件分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型彈性分開式扣件。隨著我國鐵路提速和重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，Ⅰ型彈條扣件的扣壓力不足，彈程偏小。不足以滿足我國高速鐵路的發(fā)展。Ⅲ型彈條扣件為無擋肩扣件，適合于重大運(yùn)量、高密度的運(yùn)輸條件。道床是有砟軌道的重要組成部分，能夠承受軌枕傳遞的各種力的作用，減緩和吸收輪軌間的振動和噪聲且便于維修。道砟材料應(yīng)當(dāng)堅硬、穩(wěn)定、有彈性，便于排水。高速鐵路有砟軌道對道砟的要求比一般線路更為嚴(yán)格，以便盡可能減少養(yǎng)護(hù)工作。同時為了保證路基堅固穩(wěn)定，不導(dǎo)致翻漿冒泥，因而對砟下墊層的選擇也比較嚴(yán)，不僅要求所用的碎石應(yīng)是具有一定破碎指數(shù)的硬礫石，且其壓實(shí)度也要達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檐壍赖膹椥允欠浅Ｖ匾摹Ｈ绻麤]有彈性，列車就無法高速行駛。采用碎石作為道床是因?yàn)樗哂休^好的彈性與滲水性。一般要求道砟顆粒盡量大小均勻，以保證排水暢通。在提速線路上，道床應(yīng)有足夠的厚度，以減少路基面所受的壓力和振動，保證路基頂面不發(fā)生永久變形。因此，一般采用雙層道床。枕下道砟厚度為35cm，墊層道砟厚度為20cm。為了使道床的水能夠迅速下滲，防止翻漿冒泥，在墊層底部要加設(shè)用塑料和瀝青等材料制作的各種形式的封閉層。提速線路上有砟橋上道床的主要功能是增加軌道彈性、承受列車的沖擊、隔離震動、降低噪聲。但在橋上有砟軌道道床會出現(xiàn)砟份化現(xiàn)象，導(dǎo)致道床臟污、彈性失效，影響排水功能，因此，提速線路橋上倒床厚度采用35cm，同時，為了防止道砟粉化，采用道砟下鋪設(shè)砟下膠墊或采用彈性軌枕等措施。 軌道結(jié)構(gòu)選取 軌道結(jié)構(gòu)類型選取線路提速后速度為160km/h，所以設(shè)計采取有砟軌道結(jié)構(gòu)類型。 鋼軌的選取考慮到我國既有線兼容，以及在鋼軌生產(chǎn)、管理、維修使用的方便，改建線路采用我國生產(chǎn)的CHN60鋼軌斷面的U71Mn鋼軌。 軌枕的選取提速線路的軌枕采用Ⅲ型枕，由于系統(tǒng)規(guī)范化大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、質(zhì)量統(tǒng)一管理、價格趨于合理、在改建線路鋪設(shè)及其使用耐久性可以提高。綜合考慮，線路采用Ⅲ型枕比較合理。 聯(lián)接零件的選取夾板選用斜坡支承型雙頭對稱式夾板， 級螺栓，螺母選用直徑24mm，在伸縮區(qū)的鋼軌接頭加設(shè)高強(qiáng)度平墊圈?？奂x?、笮蛷棗l扣件，其為無擋肩扣件，適合于重大運(yùn)量、高密度的運(yùn)輸條件。不僅能夠滿足有足夠的扣壓力，也便于養(yǎng)護(hù)工作的展開。 道床的選取提速線路上，道床應(yīng)有足夠的厚度，以減少路基面所受的壓力和振動，保證路基頂面不發(fā)生永久變形。因此，一般采用雙層道床。枕下道砟厚度為35cm，墊層道砟厚度為20cm的Ⅰ級道砟。道床材料：碎石道床；道床頂面寬度：；邊坡坡度：1:。圖21 道床斷面示意圖表22 改建線路主要技術(shù)選取主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選取技術(shù)名稱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)鐵路等級I級正線數(shù)目雙線設(shè)計速度160km/h最小曲線半徑2600m正線線間距最大坡度12‰到發(fā)線有效長度650m牽引種類電力機(jī)車類型動車組系列軌道結(jié)構(gòu)類型有砟軌道鋼軌60kg/m U71Mn鋼軌扣件Ⅲ型彈條扣件軌枕Ⅲa型軌枕 1667根/km道床面砟為35cm和底砟為20cm的碎石道砟路基砂粘土第三章 軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算 計算資料線路條件：I級鐵路，曲線半徑2600m；鋼軌：60kg/m，U71新軌，25m長的標(biāo)準(zhǔn)軌；軌枕：Ⅲ型混凝土軌枕1667根/km；道床：碎石道砟，面砟35cm，墊砟20cm；路基：砂粘土。圖31 CRH2動車組軸距和輪載示意圖70KN70KN機(jī)車：CRH2動車組，兩軸轉(zhuǎn)向架，軸重137KN（14t）輪載=軸重/2=70KN。，機(jī)車構(gòu)造速度160km/h。 輪載見圖3—1 機(jī)車通過曲線的允許速度的確定機(jī)車通過曲線軌道