軌道強(qiáng)度計(jì)算方法

軌道強(qiáng)度計(jì)算的主要目的，是運(yùn)用力學(xué)原理，分析和計(jì)算軌道各組成部分，在機(jī)車車輛以各種不同運(yùn)營(yíng)條件運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。在保證列車安全、平穩(wěn)和高速運(yùn)行條件下，根據(jù)已有的軌道類型及其他特定條件，確定機(jī)車車輛所允許的最大軸重和行車速度；以及在機(jī)車車輛類型、軸重和最高行駛速度已知時(shí)，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度計(jì)算并結(jié)合國(guó)家技術(shù)政策，選擇合理的軌道類型。軌道強(qiáng)度計(jì)算的主要內(nèi)容，是在列車動(dòng)載作用下計(jì)算軌底邊緣的彎曲拉應(yīng)力、軌頭壓應(yīng)力、木枕支承面的承壓應(yīng)力、道床頂面的承壓應(yīng)力、路基面的承壓應(yīng)力以及混凝土軌枕和寬軌枕的軌下斷面、中間斷面的彎矩等 。

軌道強(qiáng)度計(jì)算主要研究以下三個(gè)方面：（1）確定機(jī)車車輛施加于軌道上的荷載，研究軌道變形，軌道破壞的機(jī)理。（2）研究軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的應(yīng)力和變形，尋求加強(qiáng)或改進(jìn)軌道結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和維修周期的措施。（3）為研究能設(shè)計(jì)適應(yīng)高速、重載運(yùn)輸?shù)纳倬S修或不維修的軌道結(jié)構(gòu)，提供必要的理論依據(jù) 。

軌道強(qiáng)度又稱“軌道應(yīng)力”。在列車動(dòng)荷載作用下軌道各部分所受到的應(yīng)力。按照對(duì)基礎(chǔ)假設(shè)的不同，軌道應(yīng)力計(jì)算理論分連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁法和連續(xù)支承梁法兩種。前者把鋼軌視為一根支承在連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的無(wú)限長(zhǎng)梁對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)及其各部分的應(yīng)力進(jìn)行分析。假定軌道在集中輪載作用下，基礎(chǔ)反力與鋼軌撓度成正比，可求出鋼軌各截面上的撓度、彎矩和作用在軌枕上的鋼軌壓力。但軌道系統(tǒng)受一系列集中輪載的作用，計(jì)算時(shí)必須將鄰輪的影響全部考慮在內(nèi)。使用連續(xù)彈性點(diǎn)支承梁法時(shí)，則把鋼軌視為一根支承在有限個(gè)彈性支點(diǎn)上的連續(xù)梁進(jìn)行靜力分析。此時(shí)假定彈性支點(diǎn)上的沉落值與它所受的壓力成正比。同樣可求出鋼軌任一截面的撓度、彎矩和鋼軌壓力。兩種方法的計(jì)算結(jié)果僅在軌下基礎(chǔ)剛度較大時(shí)，相差可達(dá)10%～15%。實(shí)際上鋼軌既不是連續(xù)支承，也不是連續(xù)點(diǎn)支承，而是介于兩者之間，所以不論采用哪一種方法，都有一定的近似性。對(duì)于列車的動(dòng)力作用，可用準(zhǔn)靜態(tài)的計(jì)算方法，即應(yīng)用靜力計(jì)算的基本原理，把軌道對(duì)機(jī)車車輛的動(dòng)力響應(yīng)，簡(jiǎn)單地作為輪載或應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)力增值問(wèn)題來(lái)處理。引起動(dòng)力增值的主要因素是行車速度、鋼軌偏載和列車通過(guò)曲線的橫向力，分別用速度系數(shù)，偏載系數(shù)和橫向水平力系數(shù)來(lái)考慮。最后計(jì)算出鋼軌撓度、彎矩、鋼軌壓力以及道床和路基頂面的壓應(yīng)力 。

軌道強(qiáng)度在英、美也稱軌道應(yīng)力。軌道承受的作用力：軌道承受列車的各種垂直壓力、橫向水平力、縱向水平力。①垂直壓力主要來(lái)自車輪的靜重（靜荷載）。在列車運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)車車輛的振動(dòng)，軌道和車輪的不平順，以及蒸汽機(jī)車動(dòng)輪和主動(dòng)輪構(gòu)件的作用，除靜荷載外，在垂直方向，軌道還承受許多額外的附加力。所有這些附加力連同靜荷載一起，稱為垂直動(dòng)荷載。②橫向水平力主要是由機(jī)車車輛搖擺及作蛇行運(yùn)動(dòng)以及它們通過(guò)曲線時(shí)向外推動(dòng)而產(chǎn)生的。③縱向水平力主要包括機(jī)車加速、制動(dòng)時(shí)的縱向水平分力，在長(zhǎng)大坡道上機(jī)車車輛重量的縱向水平分力，以及因鋼軌的溫度變化而產(chǎn)生的溫度力。

軌道強(qiáng)度計(jì)算靜力計(jì)算

按照對(duì)基礎(chǔ)假設(shè)的不同，靜力計(jì)算分為：連續(xù)點(diǎn)支承梁的計(jì)算和連續(xù)基礎(chǔ)梁的計(jì)算。在連續(xù)點(diǎn)支承梁的計(jì)算法中，把鋼軌視為一根支承在許多彈性支點(diǎn)上的無(wú)限長(zhǎng)梁。彈性支點(diǎn)的沉落值假定與它所受的壓力成正比。運(yùn)用力學(xué)理論，任一截面處的鋼軌彎矩、壓力和撓度都可求得。如果有許多荷載同時(shí)作用于鋼軌上，可先分別計(jì)算每個(gè)荷載對(duì)軌道所產(chǎn)生的作用，然后疊加起來(lái)。如需求最大數(shù)值時(shí)，可選擇幾個(gè)較重的車輪分別置于計(jì)算截面上，按照機(jī)車車輪的排列進(jìn)行計(jì)算比較求得。在連續(xù)基礎(chǔ)梁的計(jì)算法中，則把鋼軌視為一根支承在連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的無(wú)限長(zhǎng)梁。同樣，用力學(xué)理論，可求出鋼軌任一截面的彎矩、壓力和撓度。與連續(xù)點(diǎn)支承梁方法相比，計(jì)算結(jié)果相差不多。但在基礎(chǔ)剛度較大時(shí)，兩種計(jì)算結(jié)果相差可達(dá)10%左右。

軌道強(qiáng)度計(jì)算動(dòng)力計(jì)算

一直沿用等效靜荷載法，即考慮到列車動(dòng)力作用而把軌道所承受的靜荷載適當(dāng)加大。動(dòng)荷載的確定有兩種方法：①力素分析法。對(duì)軌道所承受的各種力素進(jìn)行分析，對(duì)每一種力素乘以不同的系數(shù)，再以概率理論將其組合起來(lái)，以求得可能發(fā)生的最大動(dòng)荷載。②速度系數(shù)法。把靜荷載乘以速度系數(shù)α，得出換算的動(dòng)荷載。計(jì)算速度系數(shù)的公式，各國(guó)不同，如美國(guó)采用α=1 v/120，式中速度v以英里/時(shí)計(jì)；對(duì)速度v小于100公里/時(shí)，聯(lián)邦德國(guó)采用α=1 v/30000。中國(guó)1979年頒布的《鐵路軌道強(qiáng)度計(jì)算法》規(guī)定：在蒸汽牽引，列車速度在120公里/時(shí)以下時(shí)，計(jì)算軌底彎曲應(yīng)力，用α=1 8v/1000，式中v為行車速度，以公里/時(shí)計(jì)；計(jì)算軌道下沉的軌下基礎(chǔ)各部件的荷載及應(yīng)力，則用α=1 6v/1000。力素分析法在理論上似較速度系數(shù)法嚴(yán)密，但實(shí)際上各種力素變化多端，情況極為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果的可靠度不大，且計(jì)算十分繁瑣，使用不便，不如速度系數(shù)法簡(jiǎn)單易行。到80年代除蘇聯(lián)外，世界各國(guó)大多采用速度系數(shù)法。

軌道各部件應(yīng)力計(jì)算主要包括：①鋼軌底部的動(dòng)彎應(yīng)力。即：σ=M/W，式中σ為鋼軌底部縱向纖維應(yīng)力；M為鋼軌彎矩；W為鋼軌底部對(duì)水平中性軸的截面模量。②軌枕的壓應(yīng)力。僅對(duì)木枕進(jìn)行計(jì)算。壓應(yīng)力σa=Q/A，式中Q為鋼軌壓力；A為軌底或墊板與木枕接觸的面積。③道床頂面的壓應(yīng)力。即道床頂面承受軌枕底面?zhèn)鱽?lái)的壓力，假定分布在軌枕兩端長(zhǎng)度為e的范圍內(nèi)，其值為p=Q/be，式中Q為鋼軌壓力；b為軌枕寬度。最大壓應(yīng)力則乘以大于1的系數(shù)，一般采用1.6。④路基頂面的壓應(yīng)力。一般隨道床厚度的增加而減小，但道床厚度達(dá)到一定限度時(shí)，即使再增加道床厚度，路基面的壓應(yīng)力也不會(huì)再減小。以上均為對(duì)垂直方向的荷載所進(jìn)行的計(jì)算，橫向水平力，在直線上數(shù)量不大，約為靜荷載的10～15%；在曲線上，視曲線半徑大小，機(jī)車、車輛類型的不同而異，但一般也只為靜荷載的50%以下。在普通線路上，縱向水平力數(shù)值很小，一般可不計(jì)算。2100433B

《鐵路軌道與修理（高職）》主要包括：軌道結(jié)構(gòu)，曲線軌道，道岔，軌道強(qiáng)度計(jì)算，無(wú)縫線路，線路修理和線路作業(yè)安全。

內(nèi) 容 簡(jiǎn) 介

本書(shū)介紹了采用有限元和樣條函數(shù)的矩陣分析方法進(jìn)行軌道強(qiáng)度計(jì)算的

數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)、有關(guān)計(jì)算用的電算程序和計(jì)算例題。

書(shū)中講述了結(jié)構(gòu)矩陣分析方法的特點(diǎn)及其與以往所用方法的比較，論證

了采用本書(shū)所介紹的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行軌道強(qiáng)度計(jì)算，比以往計(jì)算所依據(jù)的Win－

kler假設(shè)更符合軌道的實(shí)際力學(xué)模型，因此可用來(lái)對(duì)各種復(fù)雜情況下的軌道

強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算；書(shū)中還根據(jù)鋼軌支點(diǎn)反力－位移的非線性特性，提出了雙向非

線性的軌道強(qiáng)度計(jì)算方法。這里介紹的理論和方法為研究重載對(duì)軌道強(qiáng)度的

影響，為軌道接頭、道岔尖軌、軌枕或扣件等失效情況下的特殊而復(fù)雜的強(qiáng)

度計(jì)算，開(kāi)拓了一條新的途徑，是計(jì)算理論和手段的一大進(jìn)展。

目 錄

第一章 軌道幾何形位

第一節(jié) 曲線外軌超高

第二節(jié) 緩和曲線

第二章 軌道強(qiáng)度計(jì)算

第一節(jié) 軌道結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算

第二節(jié) 軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算――準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算的基本概念

第三節(jié) 鋼軌彎扭復(fù)合應(yīng)力分析及截面幾何特性計(jì)算

第三章 軌道垂向動(dòng)力附加荷載

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 軌道動(dòng)荷載的頻率分帶性及其產(chǎn)生機(jī)理

第三節(jié) 鋼軌接頭處輪軌沖擊力P1及中頻力P2的計(jì)算

第四章 無(wú)縫線路

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 基本原理

第三節(jié) 無(wú)縫線路穩(wěn)定性分析

第四節(jié) 無(wú)縫道岔的溫度力分布及變形分析

第五節(jié) 橋上無(wú)縫線路“回彈”問(wèn)題的

彈塑性動(dòng)態(tài)模擬分析

第六節(jié) 鎖定軌溫的檢測(cè)

――測(cè)標(biāo)法的理論與實(shí)踐

第五章 曲線鋼軌磨耗與軌道幾何形位的關(guān)系

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 摩擦中心法

第三節(jié) 蠕滑中心法

第四節(jié) 單自由度法

參考文獻(xiàn)