【铁道工程-课件】第3章 线路平面和纵断面设计

第三章线路平面和纵断面设计§1概述§2区间线路平面设计§3区间线路纵断面设计§1概述⒈设计目的：在满足主要技术标准的前提下，确定线路在空间中的位置。术语定义：线路中心线：路基横断面上O点纵向连线。O点为距外轨半个轨距的铅垂线AB与路肩水平线CD交点。新线设计标高：均为路肩设计标高•铁路线路平面定义：线路中心线在水平面上的投影组成要素：直线和曲线铁路线路的平面与纵断面•铁路线路纵断面定义：线路中心线（曲线部分展直后）在垂直面上的投影组成要素：平道和坡道平面图纵断面图区间线路平面设计⒉设计内容区间线路纵断面设计车站、桥梁、隧道地段的平、纵面设计线路的平面组成和曲线要素平面设计直线、圆曲线、缓和曲线的设计最大坡度坡段长度纵断面设计坡段连接坡度折减满足《铁路线路设计规范》要求⒋设计要求桥、隧、站和建筑物与线路的协调配合工程造价省优化设计有利于运营线路平面图⒊主要设计成果线路纵断面图§2区间线路平面设计2.1平面组成和曲线要素直线线路平面圆曲线曲线缓和曲线⒈曲线要素⑴未加设缓和曲线的曲线（概略定线）偏角α—平面图上量得半径R—选配切线长曲线长)(2tan*mRTy)(180mRLy⑵加设缓和曲线的曲线（详细定线）曲线要素：偏角α，半径R，缓和曲线长L。（选配），切线长，曲线长内移距离切垂距缓和曲线角度切线长曲线长)(2420mRlp)(20mlmRl0090mpRT2tan)(002180)2(lRL⒉曲线起终点里程的推算ZH里程：平面图上量取HZ里程＝ZH里程＋LHY里程＝ZH里程＋l。YH里程＝HZ里程－l。具体设计时：R—根据地形选配α—用量角器量出L。—根据线路等级和地形条件选配思考题：已知:JDi，(Xi、Yi、Ri、lo)如何编程计算曲线要素，推算线路中线里程。2.2直线平面设计时，先用有限条折线表示线路的大致位置，然后再在相邻折线之间设置曲线。直线位置确定后，曲线位置就大致上定下来了。因此平面设计，主要是直线位置的确定。设计直线应遵循的原则：⒈直线与曲线相互协调⑴不要因设置直线而使工程量过大⑵不要因节省工程量而使曲线半径过小，曲线长度过短，从而使运营条件变差⒉力争设置较长的直线段好处：可缩短线路长度，改善运营条件⒊力求减小交点偏角度数线路转弯急，总长增加→投资大偏角α大克服的阻力功增加→运营支出加大每吨列车克服的曲线阻力功)/(5.10180*600*tJgRRgLAyrr⒋夹直线长度不应短于规定长度夹直线——前一曲线终点与后一曲线起点间所夹直线两相邻曲线，转向相同者为同向曲线，转向相反者为反向曲线。夹直线最小长度的确定⑴满足线路养护要求列车通过反向曲线路段时，频繁转向，车轮对钢轨的横向推力加大。若夹直线太短，则正确位置不易保持，维修工作量加大，危及行车安全，运费增加。要求：不宜短于50~75米，最短不短于25米。⑵行车平稳要求①夹直线太短—→列车同时在相邻曲线上运行—→R不同，超高不同—→车辆左右摇摆要求：为保证行车平稳舒适，夹直线不短于2~3节客车长，即51~76.5米②通过夹直线前后ZH、HZ点时，轮轨冲击—→转向架弹簧产生振动要求：为保证振动不叠加，旅客乘坐舒适，夹直线应足够长，客车通过夹直线的时间要大于弹簧振动消失的时间。综合以上的考虑，《规范》规定最小夹直线长度铁路等级一般地段困难地段Ⅰ8040Ⅱ6030Ⅲ5025③客车通过夹直线的时间t不小于弹簧振动消失的时间tz。由t≥tz得来式中：——取1.5s，分别按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，120、100、80Km/h——客车全轴距，取20m故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级铁路分别为70m、62m、54m。zzJLVtL6.3maxzZJtVLL6.3/maxztzL具体设计时，若夹直线长度不够，则要修改线路的平面位置。修改措施：a减小R或l。，使曲线长度变短b改移夹直线位置，延长转点间的直线长度和减小曲线偏角c用一个曲线代替几个同向曲线2.3圆曲线设置目的：改变线路方向机车驾驶室内没有方向盘，列车靠钢轨导向。通过曲线时，轮轨间产生很强的作用力。摇摆、振动、撞击、挤压主要与半径R有关，而半径与工程量有很大关系。2.3.1曲线半径对工程和运营的影响⒈曲线限制速度⒉曲线半径对工程的影响小半径曲线的优点：更好地适应地形变化，减少路基、桥涵、隧道、挡墙的工程数量，降低工程造价。小半径曲线的缺点：⑴增加线路长度)/(8.11hkmRhhVQSH⑵降低粘着系数机车通过时，车轮在钢轨上的纵向、横向滑动加剧，粘着系数降低，机车粘着牵引力下降⑶轨道需要加强R＜600时，横向冲击力加大，轨道要加强，要设置轨撑、轨距杆或增加外侧道床的宽度⑷增加接触导线的支柱数量R越小，中心线与接触导线的矢度越大，支柱间间距应该减小⒊曲线半径对运营的影响⑴增加轮轨磨耗轮轨间的纵向横向滑动、挤压，使磨耗增加。半径越小，磨耗越大。⑵维修工作量加大小半径曲线地段，轨距、方向容易错位⑶行车费用增加①小半径曲线限制列车速度列车通过曲线时，需要减速、限速、加速，机车需要额外做功，使得运行时分和行车费用增加。②小半径曲线使线路加长、总偏角加大，导致曲线阻力功加大，行车费用增加。2.3.2最小曲线半径的选定意义：⑴铁路主要技术标准之一⑵对工程量和运营条件有重大影响⒈最小曲线半径的计算式客车货车共线客车：保证舒适条件货车：不致引起轮轨严重磨耗⑴旅客舒适条件列车以最高速度通过时，欠超高不能大于允许值)(8.11)/(*8.112maxminmhhVRhkmRhhVQQ⑵轮轨磨耗条件确定因素：行车速度，实设超高外轨超高均方根速度客车速度Vmax欠超高≤允许值货车速度Vh过超高≤允许值①②取进整为50米的整倍数①+②)(8.11min2mmRVhJFsh)/(2hkmNGNGVVJFshQhRVhmin2max8.11min28.11RVhhHshG)()(8.1122maxminmhVVRQJF)()(8.1122minmhVVRGHJF)()(8.1122maxminmhhVVRGQH}max{minR⒉选定最小曲线半径的影响因素⑴路段设计速度——最小曲线半径要满足各个路段的需要⑵货车通过速度坡度越陡，列车速度越慢。曲线上，外轨超高受允许过超高的制约⑶地形条件平原微丘——R宜大山岳地区——R宜小用足坡度地段——R越小，线路额外展长，工程费用增加2.3.3曲线半径的选用⒈曲线半径系列一般为50或100米的整倍数特殊为10米的整倍数⒉选用原则⑴因地制宜，由小到大合理选用⑵结合纵断面特点合理选用①坡度平缓地段和凹形纵断面坡底，列车速度高，半径宜大②长大坡道、凸形纵断面的坡顶及双方向均需停车的大站两端，半径可以小一些③足坡长大坡道顶部和进站前用足坡度上坡的地段，半径不宜过小④小半径曲线宜集中设置2.3.4缓和曲线——保证行车平顺⒈作用⑴缓和曲线地段，半径由无穷大变到一个定值，离心力逐渐增加⑵缓和曲线地段，外轨超高由零变动到园曲线上的超高，向心力逐渐增加⑶半径小于350米时，轨距由标准轨距变动到加宽后的轨距⒉线型直线型超高顺坡的三次抛物线⒊长度⑴保证超高顺坡不致使车轮脱轨⑵保证超高时变率不致影响旅客舒适⑶保证欠超高时变率不致影响旅客舒适取三个计算值中的较大者⒋选用——结合半径、设计速度、地形选用，尽量选用较长的。⒌两缓和曲线间圆曲线的最小长度——与夹直线相同2.3.5线间距离㈠限界定义：对机车车辆和接近线路的建筑物和设备所规定的不允许超过的轮廓尺寸线。作用：确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车车辆撞击临近线路的建筑物和设备。种类：机车车辆限界——机车车辆不同部位宽度和高度的最大轮廓尺寸线。直线建筑接近限界——铁路两侧建筑物和设备在任何情况下不得侵入的轮廓尺寸线。隧道建筑限界桥梁建筑限界㈡区间直线地段的线距⒈第一、二线的线距最小线距：其中1700—机车车辆的限界半宽100—信号限界宽400—不限速会车的安全量⒉第二、三线的线距取为5.3m其中2440—直线建筑接近限界半宽410—信号机最大宽度mm400040010017002mm529041024402㈢区间曲线地段线距加宽⒈加宽原因车体长转向架中心距曲线半径为R⑴车辆在曲线上时，车辆中部向内凸W1，两端向外凸W2mL26mZ18)(40500812mmRRZW)(440008222mmRRZLW⑵曲线上设有外轨超高，使车体向内侧倾斜W3⒉加宽值计算⑴时，⑵时，外侧车体的内倾量大于内侧15003shhHW)(*15003mmhHWshnwhh)(8450021mmRnwhh)(1500385084500)(150021nwnwhhRhhH⒊加宽方法⑴对于新建双线并行地段的曲线，加长内侧曲线的缓和曲线长度，外侧缓和曲线长度lw取规定值。内移距线距加宽所以内侧缓和曲线长度取为10米的整倍数)(242mRlp)(mppppwnwn)(*24mpRlnnn⑵曲线毗连地段，夹直线较短，偏角过大，不能过多加长内侧线的缓和曲线长。内外线采用相同的缓和曲线长度，加宽曲线两端夹直线段的线间距。§3区间线路纵断面设计基本概念及设计过程•最大坡度•坡段长度•坡段连接•坡度折减•坡段设计对行车费用的影响重要概念：坡段长度，坡度坡段长度——坡段前后两个变坡点之间的水平距离坡度——坡段两端变坡点之间的高程差除以坡段长度坡度值符号规定：上坡取正值，下坡取负值(‰)1000iiLHi设计步骤：⒈在平面设计一栏中，填入平面设计的资料，按纵断面图的格式，绘制线路平面图。⒉根据平面图的等高线，将千（百）米标及地形变化点点绘在纵断面图上，连成地面线。⒊用直尺沿地面线上下移动，使填挖方较小，从而定出坡段长度和坡度值。以上为纵断面设计的大致步骤，具体设计时，还包括确定最大坡度、坡段长度、坡段连接和坡度折减等一系列具体问题，需要在设计过程中进一步协调配合。3.1线路的最大坡度首先必须明确限制坡度、加力牵引坡度、地面平均自然坡度等几个概念。最大坡度，在单机牵引的路段称为限制坡度；在两台及以上机车牵引的路段称为加力牵引坡度。地面平均自然坡度是指两点之间地面高程与距离的比值。注意：纵断面的设计坡度不得大于最大坡度值。若超过了最大坡度，牵引质量按限坡计算的货物列车，在持续上坡道上，会低于计算速度运行，发生运缓或途停事故。3.1.1限制坡度⒈限制坡度对工程和运营的影响⑴输送能力由输送能力计算公式可知，输送能力取决于通过能力和牵引质量。在牵引种类和机车类型一定的情况下，由牵引质量计算公式可知，牵引质量由限制坡度决定。365NH·GjC=————(Mt/a)106β⑵工程数量在平原地区，限坡大小对工程数量影响不大。在丘陵和越岭地区，限坡对工程数量影响很大。在丘陵地区采用大的限坡，可使线路标高升降较快，更好地适应地形起伏，从而避免较大的填挖方，减少桥梁高度，缩短隧道长度，使工程数量减少，工程造价降低。不同限坡的起伏纵断面平原地区青藏铁路青藏铁路山区铁路成昆铁路京九铁路——桥隧相连在地面自然纵坡较陡的越岭地段，若采用的限坡小于地面自然纵坡，则线路要迂回展长，才能达到预定标高，使得工程数量和造价大幅增加。宝秦段不同最大坡度的线路方案示意图成昆线双福峨边间不同限坡方案线路翻越高大的分水岭时，采用不同的限坡，可能改变越岭垭口，影响线路局部走向。⑶运营费用由前面的分析可知，采用大的限坡，则牵引质量相应减少。为了完成既定的运输任务，满足输送能力的需要，必须增加列车对数，使得通过能力加大，机车台数、车站数目、工作人员增多，从而使运营费用大幅度增加。通常情况下，应采用较小的限制坡度，但在地面自然纵坡陡峻地区，宜采用与地形相适应的较大的限坡，可以缩短展线长度，节省工程投资。⒉影响限坡选择的因素限制坡度是影响铁路全局的主要技术标准之一，它对线路的走向、长度、车站分布和工程投资，以及铁路的输送能力、运营指标都有很大的影响，并且一经修建就不易改动。因此设计线的限制坡度应根据