铁路线路平纵面设计教案.ppt

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1、第十三章 线路平面和纵断面,掌握:,1）线路平面和纵断面的概念及其设计基本要求;2）外轨超高度的计算方法;3）h,R和V三者关系,曲线轨道上的超高限速Vx计算;,大纲要求:,掌握要点：,4）Rmin计算及直线、圆曲线和缓和曲线三者关系；5)缓和曲线长度l0的计算条件与标准；6)纵断面加力坡度计算，坡度、坡段长度和竖曲线三者之间的关系;7)最大坡度折减原因和方法。,1）外轨超高h的作用及其设置方法；2）缓和曲线l0的作用.3）曲线半径、最大坡度及坡段设计对铁路工程和运营的影响；,熟悉：,了解:,1）外轨未被平衡的超高、最大超高允许值及超高的允许设置范围；2）缓和曲线的几何特征、几何形位条件及常用

2、线型；3）线间距离及其加宽方法与标准；4）最大坡度折减的原因5）桥涵、隧道、路基和站坪平纵面设计要求。,第一节 概 述,线路中心线：路基横断面上距外轨半个轨距的铅垂线AB与路肩水平线CD的交点O在纵向的连线。,线路的空间位置是由它的平面和纵断面决定的。,线路的空间位置是由它的平面和纵断面决定的,线路平面：线路中心线在水平面上的投影，表示线路平面状况。线路纵断面：是沿线路中心线所作的铅垂剖面展直后、线路中心线的立面图，表示线路起伏情况，其高程为路肩高程。,线路平纵面设计满足三个基本要求：,（1）：必须保证行车安全和平顺。主要指：不脱钩、不断钩、不脱轨、不途停、不运缓与旅客乘车舒适等（2）：应力争

3、节约资金。即既要力争减少工程数量、降低工程造价；又要考虑为施工、运营、维修提供有利条件，节约运营支出。（3）：既要满足各类建筑物的技术要求，还要保证它们协调配合、总体布置合理。,第二节 区间线路平面设计,一、平面组成和曲线要求组成：直线、圆曲线、缓和曲线概略定线时，仅绘出未加设缓和曲线的圆曲线。要素：a、R、Ty、Ly和外矢距Ey,详细定线,加设缓和曲线的曲线。要素：a、R、l0、T、L和E。,纸上定平面的方法：,相邻直线间用曲线连接，由大到小合理选用适当的曲线半径。地势开阔，先直线后曲线。曲线毗邻，先曲线后直线注意夹直线问题。选定曲线半径后，量出偏角，再计算曲线要素和起讫点里程。,以下，将分

4、别以平面（a）直线、（b）圆曲线、（c）缓和曲线以及非单线线路设计时（d）线间距离几个方面来讨论平面设计的问题。,二、直线,1.直线与曲线相互协调2.设置较长直线，减少交点个数3.力求减少交点转角的度数4.夹直线：前曲线HZ1与后曲线ZH2间的直线,最小夹直线长度应满足养护、行车平稳等要求,我国规范规定夹直线应满足的以下最小长度表13-1纸上定线，仅绘出圆曲线，相邻YZ点ZY点间直线段应满足：,1）减小曲线半径，2）选用较短的缓和曲线长度，3）改移夹直线位置,4）合并同向曲线,调整夹直线长度的方法：,三、圆曲线,讨论以下几个问题：（一）曲线外轨超高-P55（二）曲线半径对工程和运营的影响（三）

5、最小曲线半径Rmin的选定-此为主要技术标准的确定（四）曲线半径的选用 此为设计时每个曲线的参数,(一)曲线轨道外轨超高-P55,工程节约,运营条件良好直线折线曲线 离心加速度:人体承受0.30.5m/s2 当V=120Km/h R=3000m V=300Km/h R=20000m安全、舒适 超高,1.外轨超高的作用及其设置方法,定义：外轨超高是指曲线外轨顶面与内轨顶面水平高度之差。见P55 图2-11设置原因：列车在曲线上运动产生惯性离心力，,设置作用：抵消惯性离心力的作用，达到内外两股钢轨受力均匀和垂直磨耗均等，满足旅客舒适感，提高线路稳定性和安全性。设置方法：主要有外轨提高法和线路中心高

6、度不变法 1）外轨提高法：保持内轨高程不变而只是抬高外轨，是我国铁路普遍使用的方法。2）线路中心高度不变法：内外轨分别各降低和抬高超高值的一半而保证线路中心标高不变。在建筑限界受到限制时才采用。,2.外轨超高度的计算,计算简化：将车体视为一个平面。,车体重量,轨道反力,向心力,轨头中心线距离,外轨超高,ABCEDO由于h很小,可取:则:,（3-6）,（1）超高公式,车体作曲线运动产生的离心力为：,g-重力加速度；v-行车速度；单位取m/s时用v，取km/h时用V；R-曲线半径。,为保证内外两股钢轨受力相等，令,则有：,取,得：,当V取各次列车的平均速度时，则：,单位换算,（2）如何计算平均速度

7、?,方法1.全面考虑每一次列车的速度和质量 平均速度取每昼夜通过该曲线列车牵引质量的加权平均速度：,N-每昼夜通过的相同速度和牵引质量的列车次数,P-列车牵引质量上式计算的平均速度适用于客货混运的既有铁路。,均方根速度法,（2-11）,需要记忆！,方法2.在新线设计和施工时，采用简化方法计算,相应的超高值按下式计算：,-预计该地段的最大行车速度，以km/h计。,曲线超高应在整个缓和曲线内完成 P64,困难条件下,2）当计算值大于2时，按2设置。,1）顺坡坡度一般应,3.外轨未被平衡的超高,原因：当V=Vp时，惯性力与超高提供的向心力正好相等；两股钢轨承受相同荷载，旅客没有不舒适感；当V Vp，

8、离心力向心力，超高不足，称为欠超高；外轨承受偏载，旅客感觉不舒适。当VVp，离心力向心力，超高过大，称为过超高；货物列车通过时内轨承受偏载，产生偏磨。欠超高和过超高通称为未被平衡的超高。,未被平衡超高使内外轨产生偏载，引起内外轨不均匀磨耗，并影响旅客的舒适度，还可能导致列车倾覆，必须加以限制。-图2-12根据实践经验，未被平衡的离心加速度的容许值为0.40.5m/s2，困难情况下为0.6m/s2。线规采用值：欠超高一般70 mm，困难90 mm，既有线提速改造时取110 mm；过超高取30 mm，困难取50 mm。维规 采用值：允许欠超高一般不大于75mm，困难不大于90mm；允许过超高不得大

9、于50mm。-分析限值大小,4.外轨最大超高的允许值,最大超高值的确定既要保证高速列车通过时不因欠超高过大而影响旅客舒适，又要保证低速货物列车通过时不至于因过超高太大而导致列车倾覆规范规定：一般地段的最大超高为150mm,上下行速度悬殊地段为125mm。,5.曲线超高的允许设置范围,客货共线线路的实设超高取决于客货列车通过曲线速度及最大超高和欠、过超高允许值等参数，影响行车速度、旅客舒适度和钢轨磨耗，甚至影响行车安全。在新线设计及缓和曲线长度和双线铁路曲线线间距加宽标准制订时，需要在曲线超高的允许设置范围内确定合理的超高值。,当客、货列车速度及曲线半径一定时，客货列车共线运行铁路的曲线超高设置

10、应满足下列条件：共同构成了曲线超高的允许设置范围，如下图中的阴影部分所示,6.曲线轨道上的超高限速,列车运行在曲线地段，受曲线半径、曲线超高及旅客舒适度标准等技术条件限制，所允许达到的最高速度，称为曲线限速。旅客列车在曲线上运行时，要产生离心加速度，而曲线外轨超高产生的向心加速度要抵销一部分离心加速度，未被平衡的离心加速度值，不能超过旅客舒适允许的限度。因此，要限制行车速度,考虑欠超高不超过旅客舒适度要求的允许值，可推导出准轨铁路的列车通过曲线时的运行速度与曲线半径、曲线超高及允许欠超高的关系为：若取其下限作为曲线限速，则有：在曲线半径较小的路段，若考虑取h=hmax=150mm、hQY=75

11、mm，则得曲线限速的计算公式为:,（2-20）需要记忆！,（2-22）需要记忆！,根据上式可计算出在最大超高下各种曲线半径的限制速度如下表所示。最大超高时各种曲线半径的限制速度 对于采用摆式列车的铁路，列车在曲线上运行时要向曲线内侧倾摆一定的角度，相当于提供一定量的附加超高Dh(mm)，因此能克服更大的离心力，从而提高列车在曲线地段的运行速度，其曲线限速VRB可按下式计算：(km/h),当hQ=75mm，hsh=150mm时，,（二）曲线半径对工程和运营的影响,1.限制行车速度,回到P331,A：有利方面 R越小，越灵活，减少工程量，降低造价B：不利方面（1）增加线路长度,2.曲线半径对工程的

12、影响,（2）降低粘着系数 电力R600m，内燃R550m，计算牵引力受粘着牵引力限制。在用足最大坡度的持续上坡道上，曲线范围内额外减缓坡度，因而引起线路额外展长（3）轨道需要加强：装置轨撑和轨距杆，加铺轨枕（4）增加接触导线的支柱数量。表13-2,（1）增加轮轨磨耗,（2）维修工作量增大,（3）行车费用增高 时间-能耗两个-方面,综合分析：,小半径曲线在困难地段，能大量节省工程费用，但不利于运营，特别是曲线限制行车速度时，影响更为严重。因此必须根据设计线的具体情况，综合工程与运营的利弊，选定设计线合理的最小曲线半径。,3、曲线半径对运营的影响,定义：最小曲线半径是一条设计干线或其中某一路段允许

13、采用的曲线半径最小值。,1.最小曲线半径计算式,（1）旅客舒适条件,（2）轮轨磨耗条件,（二）最小曲线半径的选定,采用二者较大值，并取50m整倍数。,（1）路段最高速度（2）货物列车的通过速度（3）地形条件,综述：设计线的最小曲线半径可根据具体情况分路段拟定,必要时，可初步拟定两个以上的最小曲线半径，选取设计线的某些代表性地段，分别进行平面和纵断面设计，通过技术经济比较，并结合上述因素分析评价，确定采用的最小曲线半径。,2.选定最小曲线半径的影响因素,线规规定，见表13-3,最小曲线半径及计算参数表,（三）曲线半径的选用,1.考虑曲线半径系列值。50m，100m倍数，10000m以下。2.因地

14、制宜由大到小选用。适应地形，减少工程，保证安全，集中设置。3.结合纵断面特点合理选用。凸形、凹形、足坡,四、缓和曲线,缓和曲线作用：在直线与圆曲线轨道之间设置的一段曲率半径和外轨超高度均逐渐变化的曲线。设置目的：为使列车在曲线运行时的离心力、外轨超高不连续形成的冲击力等不致突然产生和消失，以保持列车曲线运行的平稳性。,P59,几何特征：,1.平面上：直线曲线；曲率：01/R 2.纵面上：外轨超高：0h；3.R350m地段，轨距加宽值：0加宽值。,设计内容：,1.线型选择；,2.长度选择；,3.夹圆线长度的保证；,4.缓和曲线选用；,问题1：缓和曲线的线形,应满足以下条件：1.平面上几何条件：-

15、连续2.离心力不突然产生和消失:-曲率变化连续 缓和曲线长度l与其曲率K成正比。3.平立面配合：-曲率应与外轨超高相配合。超高顺坡4.列车在缓和曲线上运动时车体发生侧滚倾转的作用力不突然产生和消失:-倾转角连续变化,直线形 曲线形,在纵断面上，外轨超高顺坡的形状有两种形式。,在行车速度不高，超高顺坡相对平缓时，列车对外轨的冲击不大，可以采用直线形顺坡。当行车速度较高，为了消除列车对外轨的冲击作用，应采用曲线形超高顺坡。,线型选择,我国铁路采用直线型超高顺坡 三次抛物线型缓和曲线优点:线型简单,长度较短,计算方便,易于施工铺设和运营中的维修养护但是,行车速度越高,则应采用高次的缓和曲线.高次缓和

16、曲线外轨超高顺坡为曲线顺坡。这种曲线在列车经过时，各种力的作用不突然产生和消失，适应高速行车的需要。,问题2.缓和曲线的长度,条件1)超高顺坡不致使车轮脱轮-安全条件 机车车辆行驶在缓和曲线上，若不计轨道弹性和车辆弹簧作用，则车架一端的两轮贴着钢轨顶面；另一端的两轮，在外轨上的车轮贴着钢轨顶面，而在内轨上的车轮是悬空的。,为保证安全，应使车轮轮缘不爬越内轨顶面。利用直线顺坡关系可得缓和曲线长度为：（2-30）记忆！i0保证车轮不脱轨的外轨超高顺坡率我国铁路线路维修规则规定：曲线超高应在整个缓和曲线内顺完，顺坡坡度一般应不大于1/(9Vmax)；困难条件下不得大于1/(7Vmax)。当1/(7V

17、max)大于2时，按2设置。,2)超高时变率不致使旅客不适,舒适条件1旅客列车通过缓和曲线，外轮在外轨上逐渐升高，其升高速度即超高时变率，不应大于保证旅客舒适的容许值f(mm/s)，即（2-32）记忆！式中 l02 保证超高时变率不超限时的缓和曲线长度(m)；Vmax旅客列车最高行车速度(km/h)，可采用路段设计速度，或者曲线限速；f 保证旅客舒适的超高时变率容许值率(mm/s)，取值为2840 mm/s，速度高、工程条件容易时应取小值。,3）欠超高时变率不致影响旅客舒适,舒适条件2旅客列车通过缓和曲线，欠超高逐渐增加，其增加速度即欠超高时变率，不应大于保证旅客舒适的容许值b(mm/s)，即

18、式中 l03 保证欠超高时变率不超限时的缓和曲线长度(m)；hQ旅客列车以最高速度通过圆曲线时的欠超高(mm)，b 保证旅客舒适的欠超高时变率容许值(mm/s)，取4052.5mm/s，工程容易时取小值，困难时取大值。,综上分析，缓和曲线长度l0的计算公式为：,计算结果应进整为10m的整倍数，且不短于20m。线规：以前图所示的曲线超高允许设置范围的上、下边界分别作为一般和困难条件下的实设超高，取f32mm/s，b45mm/s，按上式计算并检算确定了各种路段设计速度下不同曲线半径的缓和曲线长度 标准如表27。,问题3.夹圆线长度的保证；,两缓和曲线之间圆曲线的最小长度满足表13-1表的要求。R增

19、大;l0减小;改平面但同时应该满足直线、圆曲线和缓和曲线三者关系,问题4.缓和曲线选用：,据路段速度和圆曲线半径从P65的表表2-7从大至小选用；,定义：铁路正线数目为双线或三线时，区间两相邻线路中心线之间的距离称为线间距离。（一）拟定线间距的依据铁路限界,五、线间距离,机车车辆轮廓限界 超限列车 建筑物接近限界,（二）直线地段的线间距,1）一、二线间距离：,线路上通过的超限货物列车，应视具体情况限速运行或会车,2）二、三线间距离,超限货物列车运行不受限制。,（1）车辆与轨道几何（2）曲线外轨超高,L-车体长度Z-转向架中心距离,（三）区间曲线地段线距加宽 1.加宽原因,H车体最向内突出部位高

20、度,1）外侧曲线实设超高内侧曲线实设超高,2）外侧曲线实设超高内侧曲线实设超高,2.加宽值计算,不同曲线半径的线间距离加宽值，可以在线规中查得。,1）加长内侧曲线的缓和曲线长度,2）加宽两端夹直线段的线间距,3.加宽方法,第二节 区间线路纵断面设计,纵断面的基本概念,组成：纵断面由长度不同、陡缓各异的坡段组成。坡段的特征用坡段长度和坡度值表示变坡点坡段长度坡度值上坡取正，下坡取负,（）,纵断面设计内容,线路最大坡度 限坡、加力坡坡段长度坡段连接坡度差、竖曲线坡段坡度折减曲线地段、小半径曲线地段、隧道地段。,一、线路的最大坡度imax,一条铁路所限定的设计坡度的最大值。单机牵引地段为限制坡度 i

21、x G,以vJ 等速运行的持续上坡道坡度多机牵引地段为加力牵引坡度 两台及以上机车牵引G,以vJ等速运行其中G设计要求：ijs=isj+iR+iSimax,(一)限制坡度ix,1.ix对工程和运营的影响：一般，ix大，对工程有利，对运营不利。ipz陡峻地区，应采用与其相适应的较大的ix2.影响ix选择的因素铁路等级；C和机车类型;地形条件;邻线G,图1318 宝秦段不同最大坡度的线路方案示意图,图1317 不同限坡的起伏纵断面,线规规定：表13-4 ix最大值最小限制坡度：通常取43.分方向选择ix条件：货流显著不平衡且将来不致变化；自然纵坡；经过技术经济比较,（二）加力牵引坡度iJL计算（某

22、些越岭地段）,双机牵引地段的加力坡度，由公式12-57注意：机务设备；摘挂机作业时分；车钩强度；下坡安全；集中使用规范规定：表13-5,二、坡段长度Li,Li较长对运营有利，对工程不利。Li较短可以节约工程数量，但对运营不利。最短Li 应保证两端竖曲线不在坡段中间重叠Li 保证不断钩。工程条件许可情况下，坡段长度应尽可能长些，不短于表13-6数值，且为50m整倍数。,1）凸形纵断面坡顶为缓和坡度代数差而设置的分坡平段,2）因最大坡度折减 而形成的坡段(a),3）在两个同向坡段 之间为了缓和坡度差而设置的缓和坡段(b),4）长路堑内为排水而设置的人字坡段(c),3.可采用200m坡段长度Li的情

23、况,（凹形纵断面底部仍应满足最小坡段长要求),三、坡段连接（一）相邻坡段坡度差i,以相邻坡段坡度代数差绝对值表示，ii1i2(4)(2)6 6,坡度代数差 i1i2，正，凹形坡，负，凸形坡,保证安全、平稳、不断钩、通视距离,坡度差应规范规定的容许值（表13-7）,1.设置条件：,线规：I、II级铁路i3、III级4，相邻坡段应以圆曲线型竖曲线连接。,2.竖曲线半径：,线规：I、II级10000m，III级5000m。,（二）竖曲线,保证舒适度 保证不脱轨 保证不断钩,变坡点处把折线断面平顺连接起来的曲线。,1）切线长度TSH,I、II级铁路:,III级铁路:,2）竖曲线长度,3）竖曲线纵距,变

24、坡点处的矢距,3.竖曲线的几何要素,当坡度差i不大时，矢距值ESH很小，路基面不易作出竖曲线线形，设计高程按折线断面计算，铺轨时，轨面自然圆顺成竖曲线。当i大时，才在路基面上作出竖曲线线形。设计时不画出曲线，只画折线，标注要素。竖曲线上任意一点路基面高程（施工高程），应根据该点的设计高程，减去（凸形变坡点）或加上（凹形变坡点）该点的纵距高度；路基填挖高度应根据路基面高程计算。详细掌握例13-1,（1）竖曲线不应与缓和曲线重叠,（2）竖曲线不应设置在明桥面上,（3）竖曲线不应与道岔重叠,4.设置竖曲线的限制条件,四、最大坡度折减,折减原因：折减地段：纵断面上需要用足最大坡度的地段，当平面上出现曲

25、线或遇到长于400m的隧道时，进行最大坡度折减。折减目的：保证线路上任何一处的加算坡度不超过线路允许的最大坡度，以保证列车以不低于该地段的计算速度或规定速度运行。iJs=isj+iR+iSimax,（一）曲线地段的最大坡度减缓,1.注意事项:只有当isj+iRimax时，才进行曲线坡度减缓；既要保证必要的减缓值，又不要折减过多；曲线长度是ZY-YZ点间长度；列车长度应是近期；减缓坡段长度应不短于、且尽量接近于圆曲线长度，取为50m的整倍数，且不短于200m。所取坡段长度不宜大于货物列车长度。减缓后的设计坡度值，取小数点后一位。末位舍去,2.曲线地段最大坡度折减方法,1）两圆曲线间不小于200m

26、的直线段，可设计为一个坡段，按最大坡度设计，不予折减；2）长度不小于货物列车长度的圆曲线，可设计为一个坡段，曲线阻力的坡度减缓值为：3)长度小于货物列车长度的圆曲线，曲线阻力坡度减缓值为：,4）连续有一个以上长度小于货物列车长度的圆曲线，夹直线短于200m.a.可以分直线并入两端曲线折减；按公式13-24 b.或者合并为ll 的一个坡段按下式计算减缓值：5）一个曲线跨两个坡段时，按比例将曲线度数分到两个坡段上。看成2个曲线，按公式13-24,【例13-2】,设计线为电力牵引，限制坡度为12，近期货物列车长度为400m，线路平面如下图所示，该地段需用足限制坡度上坡，路段设计速度为100km/h，

27、试设计其纵断面。,1.原因：粘着系数降低，从而导致粘着牵引力降低,2.设计坡度计算值：,查表13-9,（二）小半径曲线地段的最大坡度减缓,电力R500m时折减，内燃不需要，只在小半径曲线范围内进行减缓,（三）隧道内的最大坡度折减,1.折减地段：位于长大坡道上且隧道长度大于400m的地段 原因：阻力，废气，粘降。2.隧道折减地段的设计坡度值：查隧道内的最大坡度系数表3.折减范围：仅限于隧道长度内，并随折减坡段取值，进整为50m的倍数。4.内燃加速缓坡,坡度折减的一般方法步骤总结,取坡段长度从前向后，不折地段向短取，折减地段向长取，满足至少200m，且为50m的整倍数坡度折减通用公式三个 分别表示

28、当此坡段上有400m以上隧道、曲线、小半径粘降曲线时才适用,五、坡段设计对运营的影响,1.断面形式区间行车费用 凹型低于凸型纵断面。车站宜设在纵断面的凸起部位。,2.有害坡段与无害坡段,有害坡段无害坡段纵断面设计时，通常将坡度大于4、且下降高度超过10m的坡段，概略定为有害坡段。若地形条件许可，应尽量消除有害坡段。,3.克服高度,单方向上升的高度，又称拔起高度。上下行方向应分别计算，如图13-34所示。克服高度越大，行车费用越高。设计纵断面时，既要适应地形起伏，也要力争减小克服高度。,第四节 桥涵、隧道、路基地段的平纵断面设计,一、桥涵地段的平纵断面设计桥梁长度划分：特大桥500m、大桥100

29、500m、中桥20 100m、小桥20m。涵洞孔径0.756.0m。,（一）桥涵平面设计 小桥和涵洞 特大桥、大桥宜直线，大R 明桥面桥 应直线(二)桥涵纵断面 涵洞和道碴桥面桥 明桥面宜平道，4，不应 竖曲 净空要求,（一）隧道地段平面 隧道宜设在直线上，曲线隧道宜将曲线设在洞口，并用较大R；不宜设在反向曲线上。（二）隧道地段纵断面 隧道内宜设为单面坡或人字坡；利于争取高程、通风排气、排水出碴；坡度不宜小于3。,二、隧道地段的平纵面设计,大中桥的桥头引线、水库地区和低洼地带 路肩设计高程设计水位壅水高度波浪侵袭高度0.5m。小桥涵洞附近 路肩设计高程应设计水位+壅水高度0.5m。,路堑长大于

30、400m以上且位于凸形纵断面的坡顶时，可设计为不小于2、坡长不小于200m的人字坡。利于排水,三、路基对线路纵断面的要求,第五节、站坪的平面和纵断面,站坪长度=远期Lyx+2*Lyh站坪长度确定 查表,上表为单机牵引到站坪长度，双机或多机牵引应相应增大,站坪的线路平面,1.了望 2.启动,站坪线路纵断面,1.坡度保证停放的车辆不致溜逸和站内调车作业安全2.坡度保证停站列车顺利起动,1.竖曲线和缓和曲线不进站坪（如下图）2.进站起动缓坡（内燃）3.出站加速缓坡（电力）4.站坪与区间纵断面的配合 凸形,站坪两端的线路平面和纵断面,本章知识盘点,平面:直线，圆曲线（半径，超高）缓和曲线，线间距及其加宽纵断面：坡度（限坡，加力坡），坡长，坡段连接-竖曲线，坡度折减（曲，小，隧），拔起桥涵，路基，隧道，车站,需要记忆的公式,曲线要素，2组超高2-9,11,12限速2-20,21缓和曲线2-30,32圆曲线13-7,8竖曲线13-18,19,20,21坡度折减 13-22,23,24,25,26,30,