选线设计教案-3.线路平面和纵断面设计 29页

选线设计教案-3.线路平面和纵断面设计选线设计课程教案单元标题线路平面和纵断面设计单元学时10教学目标：了解铁路线路平面、纵断面设计的基本内容；通过平面纵断面略图了解线路各个组成部分，培养全局观念。熟悉线路平面、纵断面设计的基本原则。掌握线路平面和纵断面设计的基本方法，学会灵活运用《铁路线路设计规范》中的相关标准。教学重点：线路平面、纵断面设计的基本原则，线路平面、纵断面技术条件取值标准与确定原理，包括圆曲线最小标准、最小缓和曲线、夹直线和夹圆曲线最小长度、最小缓和曲线长度、平面线间距、最大坡度、最小竖曲线半径、最小坡段长度等。最大坡度折减方法等。车站线路技术条件教学难点：最小曲线半径、最小缓和曲线、最大坡度、最小竖曲线半径、最小坡段长度等技术参数的确定原理；最大坡度折减方法；车站平面纵断面技术条件等。教学方式方法：传授与示例相结合，配合习题作业对概念、计算原理与方法加以巩固。教学手段：讲课使用传统方式和多媒体手段相结合的模式。根据章节的内容，教师可选用电子教案、投影图片；PPT与绘示意图相结合，随讲解过程在黑板上绘制相关线路几何关系的示意图。 教学过程：1）循序渐进的教学理念：讲清线路平纵面设计概念产生的背景与思路、逐步深入循序渐进的教学观点。在内容取舍上，侧重于平纵面设计理论的应用、着力培养学生的选线决策素质和解决实际问题的能力的教学模式。2）精讲多练，以“疑”为主导的教学方法：注重启发式、克服注入式。对理论性内容，侧重探究式教学法的运用；对应用性内容，着眼于讨论式教学法的运用。此外，贯穿整个学期的开发性课程大作业，使学生通过实际设计巩固所学线路平纵面技术参数的概念和平纵面设计方法。第三章线路平面和纵断面设计第一节概述先在PPT上显示图3-1，结合该图引导学生理解几个基本概念。线路——是指铁路中心线在空间的位置，以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在纵向上的连线表示，简称为线路中线。线路平面——是指线路中心线在水平面上的投影，表示线路在平面上的具体位置；线路纵断面——是沿线路中心线所作的铅垂剖面在纵向展直后，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。线路平面和纵断面设计应满足的基本要求：图3－1路基横断面（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，这些要求反映在铁路设计相关规范所规定的技术标准中，设计要遵守相关规定。（2）应力争节约资金。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。从降低工程造价考虑，线路最好顺地面爬行，但因起伏弯曲太大，给运营造成困难，导致运营支出增大；从节约运营支出考虑，线路最好又平又直，但势必增大工程数量，提高工程造价。因此，设计时必须根据设计线的特点，分析设计路段的具体情况，综合考虑工程和运营的要求，通过方案比较，正确处理两者之间的矛盾。（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。铁路上要修建车站、桥涵、隧道、路基、道口和支挡、防护等大量建筑物，线路平面和纵断面设计不但关系到这些建筑物的类型选择和工程数量，并且影响其安全稳定和运营条件。因此，设计时不仅要考虑各类建筑物对线路的技术要求，还要从总体上保证这些建筑物相互协调、布置合理。第二节区间线路平面设计一、平面组成及其基本线形分析行驶中的铁路车辆导向轮旋转面与车身纵轴之间有三种关系，即角度为零、角度为常数和角度为变数。与三种状态对应的行驶轨迹线为①曲率为零的线形：直线；②曲线为常数的线形：圆曲线；③曲率为变数的线形：缓和曲线。 线路平面设计，就是将这三种线形进行组合，以便为列车运行提供一个安全、平顺的运行轨迹。从这个意义上看，列车运行轨迹应当具有以下特点：①列车运行轨迹应当是连续且圆顺的，即在任何一点上不出现错头和破折；②其曲率是连续的，即轨迹上任一点不出现两个曲率变化率的值；③其曲率的变化率是连续的，即轨迹上任一点不出现两个曲率变化率的值。满足上述三个条件的线路平面，是一个由曲线和与之相切的直线组成，且由圆曲线和缓和曲线构成的曲线的曲率连续的线路，如图3－3所示。（a）平面线形（b）曲率变化图图3－3曲率连续的线路平面纸上定线时，在相邻两直线之间需用一定半径的圆曲线连接，并使圆弧与两侧直线相切。曲线半径的选配，可使用与地形图比例尺相同的曲线板，根据地形、地质与地物条件，由大到小选用合适的曲线板，决定合理的半径。若地势开阔，可先绘出两相邻的直线段，然后选配中间的曲线半径，如图3－4（a）所示；若曲线毗连，则先在需要转弯处绘出恰当的圆弧，然后用切于两圆弧的直线连接之，如图3－4（b）所示。选定曲线半径后，量出偏角，再计算曲线要素和起讫点里程。（a）（b）图3－4纸上定线时曲线和直线的设置方法 二、直线（一）直线设计的一般原则直线作为平面线形要素之一，具有短捷、直达、列车行驶受力简单和测设方便等特点，但过长的直线难于与地形相协调，也不利于城镇地区既有设施的绕避。因此，在选线设计中，应综合考虑工程和运营两方面的因素，合理选用直线线形。（1）设计线路平面时，相邻两直线的位置不同，其间曲线位置也相应改变。因此，在选定直线位置时，要根据地形、地物条件使直线与曲线相互协调，线路所处位置最为合理。（2）设计线路平面，应力争设置较长的直线段，减少交点个数，以缩短线路长度、改善运营条件。只有因遇到地形、地质或地物等局部障碍而引起较大工程时，才设置交点绕避障碍。（3）选定直线位置时，应力求减小交点转角的度数。转角大，则线路转弯急，总长增大；同时列车行经曲线要克服的阻力功增大，运营支出相应加大。转角????与每?t??列车质量克服的曲线阻力功Ar的关系式为Ar?wr?Ly?－1）600????R??10.5?（J/kN）（3R180式中wr?——?单位曲线附加阻力（N/kN）；Ly?——?圆曲线长度（m）。（二）两相邻曲线间的夹直线长度 在曲线毗连路段，为了保证线形连续和行车平顺，两相邻曲线间应有一定长度的直线段。该直线段，即前一曲线终点（HZ1）与后一曲线起点（ZH2）间的直线，称为夹直线，如图3－5所示。两相邻曲线，转向相同者称为同向曲线，转向相反者称为反向曲线。（a）（b）图3－5夹直线1.最小夹直线长度夹直线长度应力争长一些，为行车和维修创造有利条件。但是，在地形困难地段，为适应地形变化、减小工程量，可以设置较短的夹直线。但不应短于下列条件所要求的最小长度。1）保证线路养护维修的要求LJ≥n?T?Vmax?Lq（m）（3－2）3.6考虑到车辆并非刚体，可取Lq＝0，则式（3－2）可简化为LJ＝???Vmax（m）（3－3）??为具有时间量纲的系数，可根据路段速度的高低和工程条件的难易程度确定。我国的取值为：客货共线铁路，当Vmax＝160?km/h，140?km/h时，一般取0.8，困难取0.5；当Vmax≤120?km/h时，一般取0.6，困难取0.4。客运专线铁路，一般取0.8，困难取0.5。国外最高运营速度200～350?km/h的高速铁路，其夹直线的最小长度为（0.4～1.0）Vmax。LJ的计算结果应取为?10?m?的整倍数。按式（3－3）计算确定的不同路段速度时的夹直线最小长度如表3－1所示。 表3－1夹直线及圆曲线最小长度（m）2.夹直线长度的保证线路平面设计时，在设置圆曲线和缓和曲线后，应检查夹直线长度是否满足相应的最小长度要求，即应保证LJ≥LJ?min（m）（3－4）纸上定线时，有时仅绘出圆曲线而不绘出缓和曲线。此时，相邻两圆曲线端点（YZ1与ZY2）间直线长度LJ应满足下列条件LJ≥l01l＋LJ?min＋02（m）（3－5）22夹直线长度不满足要求时，应修改线路平面设计。如减小曲线半径或选用较短的缓和曲线长度，或改移夹直线的位置，以延长两端点间的直线长度和减小曲线偏角?[见图3－6?（?a?）]。当同向曲线间夹直线长度不够时，可采用一个较长的单曲线代替两个同向曲线?[见图3－6?（?b?）]。（a）（b）图3－6夹直线长度不够时的修正设计三、圆曲线（一）曲线要素概略定线时，简明平面图和纵面图中仅绘出未加设缓和曲线的圆曲线，如图3－7（a）所示。（a）（b） 图3－7铁路曲线圆曲线要素为：偏角?、半径R、切线长Ty、曲线长Ly和外矢距Ey。偏角??在平面图上量得，曲线半径R系选配得出，切线长Ty、曲线长Ly和外矢距Ey由下列公式计算Ty?R?tan6）?2（m）?（3－????R（m）（3－7）180???Ey?R??sec?1?（m）（32??－8）详细定线时，平、纵面图中要绘出加设缓和曲线后的曲线，如图3－7（b）所示。曲线Ly?要素为：偏角??、半径R、缓和曲线l0、切线长T、曲线长L和外矢距E。偏角????在平面图上量得，圆曲线半径R和缓和曲线长l0由选配得出，切线长T、曲线长L和外矢距E由下列公式计算T?(R?p)?tan?2?m（m）（3－9）?(??2?0)R????RL??2l0??l0（m）（3－18018010） E?(R?p)?sec11）?2?R（m）（3－242l0l0l0??式中p?——?内移距，p?（m）；24R2688R324R3l0l0l0m?——?切垂距，m??（m）；?2240R22??0?——?缓和曲线角，?0?90l0（?）。?R曲线各起讫点（主点）里程可按下列方法推算：ZH里程，在平面图上量得HZ里程＝ZH里程＋LHY里程＝ZH里程＋l0YH里程＝HZ里程－l0（二）最小曲线半径1.最小曲线半径计算原理1）曲线超高的设置及其允许值?曲线超高的设置先显示图3-8，分析该图，引出超高、未被平衡离心加速度等概念。当列车通过曲线时，产生离心加速度aL，其值与列车通过速度的平方成正比，与曲线半径R成反比，即?V?12aL????（m/s）?3.6?R2式中V??——??列车通过速度（km/h）；R?——??圆曲线半径（m）。超高的意义与作用——列车在曲线上行驶时，由于离心力的作用，将列车推向外股钢轨，加大了外股钢轨的压 力，也使旅客感到不适、货物产生位移等。因此需要将曲线外轨适当抬高，使列车的自身重力产生一个向心的水平分力，以抵消离心力的作用，使内外两股钢轨受力均匀和垂直磨耗均等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安图3－8列车离心和向心加速度全性。曲线外轨抬高后产生的外轨顶面与内轨顶面的水平高度之差称为曲线超高，如图3－8所示。曲线超高设置方法——主要有外轨提高法和线路中心高度不变法两种。外轨提高法是保持内轨高程不变而只抬高外轨的方法，为世界各国和我国铁路所普遍采用。线路中心高度不变法是内轨降低和外轨抬高各为超高值的一半而保证线路中心高程不变的方法，仅在建筑限界受到限制时才采用。曲线超高在缓和曲线内过渡。对于有砟轨道，曲线超高在道床上实现；对于板式轨道，曲线超高均在底座上实现；对于双块式无砟轨道，桥梁和隧道地段曲线超高在道床上实现，土质路基地段曲线超高在基床表层上实现。曲线上由于外轨超高h，使重力加速度在圆心方向产生一个分量，称为向心加速度，其值为aX?g?tan??g?sin??g?h（m/s2）S若通过设置外轨超高产生的向心加速度正好平衡掉列车做曲线运动产生的离心加速度，列车的运动状态处于最理想的状态，则aL?aX，即h?V?1??g???S?3.6?R2相应的曲线半径与外轨超高值的关系为 S?V?h????g?R?3.6?2对于标准轨距铁路，有1500?V2V2（mm）（3－12）h??11.8R3.62?9.81?R可见，对于任一半径的曲线，随着速度的提高，可通过增大外轨超高值来平衡因速度提高而增大的离心加速度，其外轨超高值的大小与列车运行速度的平方成正比。以上述公式确定的超高h，当列车以速度V通过曲线时，可达到最佳舒适度、内外轨磨耗均等和受力均衡状态，称之为平衡超高（或均衡超高）。实际线路上运行的列车种类不同，各种列车的运行速度也不相同，为了反映不同行驶速度和不同牵引质量的列车对于外轨超高值的不同要求，实际中，曲线外轨设计超高是根据平均速度确定的。在既有线上，各类列车的数目、重量和速度可经过实测求得。平均速度取各次列车的均方根速度，均方根速度按下式确定VJF?（km/h）新线设计与施工时，平均速度可根据最大速度乘以速度系数概略确定，即VJF??Vmax（km/h）考虑均方根速度的实设超高为2VJF（mm）（3－13）h?11.8R?实设超高最大允许值 低速列车行驶于超高很大的曲线轨道时，存在向内倾覆的危险。为了保证行车安全，必须限制外轨超高的最大值。如图3－9所示。当某一车辆以V1＜V的速度通过该曲线时，相应的离心力为J1，J1与G的合力为R1，其与轨面连线的交点为O1，偏离轨道中心的距离为e，随着e值的增大，车辆在曲线运行的稳定性降低，其稳定程度可采用稳定系数n来表示。令n?S1S，当n=1，即e?1时，车辆处于临界22eS1时，车辆丧失稳定而倾2稳定状态；当n<1，即e?覆；当n>1，即e?图3－9外轨最大超高计算图S1时，车辆处于稳定状态，n值2愈大，车辆稳定性愈好。根据国内外铁路运营经验，为保证行车安全，n值不应小于3。对应的最大超高应满足：S12hmax≤6H式中H?——?车体重心至轨顶面高，货车为2?220?mm，普通客车为2?057.5?mm，高速动车为1?370?mm；S1?——?两轨头中心线距离。若取货车H为2?220?mm，普通客车H为2?057.5?mm，高速动车H为1?370?mm，计算标准轨距铁路的最大超高值分别为168?mm，182?mm，273?mm。综合国内外的研究与实践，我国目前在制定相应规范和规则时，客货共线铁路的实设超高最大允许值取150?mm ，单线铁路上下行行车速度相差悬殊时，不应超过125?mm；高速客运专线实设超高最大允许值取170～180?mm。2）未被平衡的超高度及其最大允许值?未被平衡的超高度按VJF确定的外轨超高是一个变值，它所产生的向心加速度只能平衡一种速度的离心加速度。当实际通过速度V＞VJF时，会产生未被平衡离心加速度；当实际通过速度V＜VJF时，会产生未被平衡的向心加速度。未被平衡的离心加速度和向心加速度可以理解为由于外轨超高不足或外轨超高过大所产生。当列车以Vmax（或Vmin）通过时，可以用欠超高和过超高的形式表示，其值为2Vmaxhq?11.8?h（mm）（3－14）R2Vmin（mm）（3－15）hg?h?11.8R欠超高和过超高统称为未被平衡的超高。?未被平衡超高允许值未被平衡的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。此外，过大的未被平衡超高度还可能导致列车倾覆，因此必须对未被平衡的超高加以限制。①欠超高最大允许值hqy 欠超高允许值主要根据旅客列车的旅客舒适度来考虑。一般认为100?mm（相当于aLy为0.65?m/s2）以内不致影响旅客的舒适度，最大不超过153?mm（相当于aLy为1?m/s2）。行车速度越大，要求舒适度越高，允许欠超高应小些。我国在制定客货共线铁路的相关线路设计规范的规定时，采用值为：欠超高一般取70?mm，困难时取90?mm，既有线提速改造时可取110?mm；《铁路线路修理规则》采用值为：一般应不大于75?mm，困难情况应不大于90?mm。在高速客运专线铁路上，欠超高允许值主要取决于旅客乘坐舒适度要求。目前，我国处于高速铁路发展初期，考虑到高速铁路上过大的欠超高可能带来较大的维修工作量，因而在选择欠超高允许值时尽可能留有一定余地。我国在制定高速客运专线技术标准时选定的欠超高允许值如表3－2所示。表3－2客运专线欠超高最大允许值（mm）②过超高最大允许值hgy允许的最大过超高值主要由运行安全、乘坐舒适度和经济合理性三个条件确定。受车辆运行安全、乘坐舒适度要求的过超高值的确定，与欠超高值确定原理基本相同。区别仅在于后者是车辆向曲线外侧倾斜，而前者是向曲线内侧倾斜。我国制定新建客货共线铁路线路设计规范的规定时，过超高允许值在30～50?mm范围内取值。我国目前在制定相关标准时，取过超高允许值与欠超高允许值一致，见表3－2。3）最小曲线半径计算条件 满足旅客舒适度是铁路设计的基本要求。对于高、低速共线运行高速客运专线和客货共线铁路，铁路设计还应保证在列车以不同速度运行条件下，轮轨磨耗均匀和内外轨受力均等，以保证轨道的稳定和行车平稳。?旅客列车最高行车速度要求的最小曲线半径最小曲线半径应保证旅客列车以最高速度Vmax通过时，欠超高hq不超过允许值hqy，以保证旅客舒适度。利用式（3－12），当曲线设置最大超高即h＝hmax时，可得满足旅客舒适条件的最小曲线半径Rmin为Rmin211.8Vmax（m）（3－17）?hmax?hqy?高、低速列车共线运行条件下的最小曲线半径对于高、低速列车共线运行客运专线或客货共线铁路，曲线外轨实设超高h应按各种列车的均方根速度VJF确定。在实设超高下，高速旅客列车以速度Vmax通过时，产生的欠超高不应超过允许值hqy，以保证旅客的舒适度和外轨不过分偏磨；低速列车（中低速旅客列车或货物列车）以速度VD通过时，产生的过超高hg也不应超过允许值hgy，以免引起内轨的严重磨耗，加剧轨道破坏。相应的最小曲线半径计算式分别为Rmin2211.8(Vmax?VJF)?（m）（3－18）hqyRmin2211.8(VJF?VD)?（m）（3－19）hgy将式（3－18）与式（3－19）相加并整理后，得Rmin22Vmax?VD?11.8（m）（3－20）hqy?hgy 高、低速列车共线运行条件下的最小曲线半径Rmin，取式（3－18）至式（3－20）三式计算结果的最大者。2.最小曲线半径选定最小曲线半径是一条铁路干线或某区段允许采用的曲线半径最小值。它是铁路主要技术标准之一，应根据铁路等级、速度目标值、铁路运输模式、旅客乘坐舒适性和运行平稳度等因素比选确定。1）最小曲线半径选定的影响因素（1）设计线的运输性质。客运专线主要追求旅客舒适度，重载运输线路重视轮轨磨耗均等，客货共线铁路则需两则兼顾。（2）运行安全。为了保证机车车辆在曲线上运行安全，保证轮轨间的正常接触，车辆上所受的力应保持在安全范围内。最小曲线半径应保证车辆通过曲线的安全性、稳定性及客车平稳性的评价指标，符合《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的相关规定。（3）设计速度：?旅客列车最高设计速度旅客列车最高设计速度是设计线或某一路段旅客列车远期可能实现的最高速度。一条设计线各路段的地形条件不同，远期旅客列车能达到的最高速度也不同，拟定的最小曲线半径应满足各路段设计速度的需要。我国客货共线铁路目前推荐的设计速度分别为200?km/h，160?km/h，140?km/h，120?km/h，100?km/h，80?km/h。客运专线最高设计速度目标值为200～350?km/h；京沪高速铁路等“四纵四横”高速客运专线的设计速度目标值为350?km/h。 ?中、低速旅客列车设计速度我国客运专线铁路，将实行高低速旅客列车共线运行模式。工程和运营实践表明，客运专线的中低速列车和高速列车的速度之比小于0.6时，会增加基础工程建设投资，降低铁路输送能力。综合考虑我国目前的技术条件，中低速旅客列车设计速度，对于设计速度目标值为300～350?km/h的客运专线，按200?km/h及以上设计；设计速度目标值为200～250?km/h的客运专线，按160?km/h设计。?货物列车的通过速度设计线各路段的坡度不同，货物列车的通过速度不同。坡度陡峻的困难地段，上坡时速度受机车牵引力制约，下坡时速度受制动条件限制，通过速度较坡度平缓路段为低。在曲线上因受允许过超高的制约，外轨超高值不能过大，从而影响最小曲线半径的大小。我国《铁路主要技术政策》明确指出，货物列车的最高速度要逐步提高到90?km/h。为了适应货物列车逐步提高的现实情况，我国新建客货共线铁路目前在拟定最小曲线半径标准中，推荐货物列车设计速度分别为120?km/h，100?km/h，80?km/h，70?km/h，60?km/h，50?km/h。（4）地形条件：①平原微丘地区，曲线半径的大小通常对工程量影响不大，为创造良好的运营条件和节省运营费用，应选定较大的最小曲线半径。②山岳地区地形复杂，曲线半径的大小对工程量影响很大，为适应地形减少工程，需要选定较小的最小曲线半径。 ③客货共线铁路用足最大坡度地段，选定R＜600?m或500?m为最小曲线半径，则因黏着系数降低、黏降坡度减缓而引起线路额外展长，从而增大工程费用。④高速客运专线铁路引入大城市和枢纽区段，为绕避障碍物、减少拆迁，可根据行车速度选择限速地段的最小曲线半径。综上所述，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）最小曲线半径取值根据采用的参数，按公式（3－17）、公式（3－20）计算，并结合我国铁路的工程和运营实践及科研成果，得到各级铁路不同路段设计速度的最小曲线半径值，如表3－3所示。表3－3最小曲线半径值注：括号内数字为特殊条件下，经技术经济比选后方可采用的个别曲线半径。设计线选定的最小曲线半径，一般不应小于表3－3?所列的规定值。我国台湾地区甲级铁路的最小曲线半径，丘陵与山岳分别为592.99?m与286.54?m。（三）最大曲线半径 最大曲线半径标准关系到线路的铺设、养护、维修可否达到要求的精度，进而影响到轨道的平顺状态，间接成为限制列车运行速度，甚至是不安全的因素。我国目前装备在普速及准高速轨道检查车上的检测设备均为当前世界上最为先进的设备（从美国引进）。根据对既有干线的检测情况看，在普速条件下，对R≤8?000?m的半径检测结果均较准确，当R?>8?000?m后，轨检车记录常会自动打出“F”标记，表明对大半径曲线所测结果有疑问；若适当提高检测系统的处理功能，可准确检测半径为12?000?m左右的曲线的方向和曲率。综合国内外的工程实践经验和科研成果，我国规定曲线半径的最大值：客货共线铁路为12?000?m；速度200～250?km/h的客运专线，一般不宜大于10?000?m，困难条件下不应大于12?000?m；特殊困难条件时，经技术经济比较，最大曲线半径可取12?000?m；速度300～350?km/h的客运专线铁路，一般不宜大于12?000?m，特殊困难条件下，经技术经济比选后，可采用14?000?m。（五）曲线半径的选用设计线路平面时，各个曲线选用多大的曲线半径，要考虑下列设计要求。1.曲线半径取值原则为了测设、施工和养护的方便，曲线半径一般应取50?m和100?m的整倍数，特殊困难条件下，可采用10?m整倍数的曲线半径。双线铁路两线线间距不变的并行地段的平面曲线，宜设计为同心圆。双线同心圆的曲线半径可为零数。有条件时宜优先选用表3－4所列的推荐曲线半径值。 表3－4推荐曲线半径值我国台湾地区铁路的曲线半径，目前仍用20?m弦长所对中心角的度数??20??表示。曲线半径R与??20的关系为：R＝10?/?sin?（?20?/?2）（m）。例如，2?，4?，6??曲线的半径分别为573?m，287?m，191?m。2.曲线半径选用原则1）因地制宜、由大到小合理选用2）结合线路纵断面特点合理选用3）慎用最小曲线半径（六）曲线半径对工程和运营的影响1.曲线半径对行车速度的限制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消一部分离心加速度。未被平衡的离心加速度值，不能超过旅客舒适允许的限度。根据旅客列车以较高速度通过曲线时所产生的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如下普通车体客车VR（km/h）（3－26）摆式车体客车VR（km/h）（3－27）对于设计速度目标值为350?km/h、近期采用300/200匹配模式共线运行的高速客运专线，最高设计速度不大于160?km/h 的客货共线铁路，按前述超高、欠超高最大允许值取值标准，列车在曲线上运行时，其运行速度应满足表3－5的限速要求。表3－5曲线限速条件2.曲线半径对工程的影响地形困难地段，采用较小的曲线半径一般能更好地适应地形变化，减少路基、桥涵、隧道、挡墙的工程数量，对降低工程造价有显著效果，但也会由于下列原因引起工程费用增大。1）增加线路长度对单个曲线来说，当曲线偏角一定时，小半径曲线的线路长度较采用大半径曲线增加，如图3－12（a）所示，其增长的线路长度为?Lr＝2（TD－Tx）＋Kx－KD（m）（3－28）对一段线路来说，在困难地段采用小半径曲线，便于随地形曲折定线，从而增加曲线数目和增大曲线偏角，使线路增长，如图3－12（b）所示。（a）（b）图3－12小半径曲线增长线路2）降低黏着系数机车在小半径曲线上运行，车轮在钢轨上的纵向和横向滑动加剧，引起轮轨间黏着系数的降低。根据试验，小半径曲线上的黏着系数??r随曲线半径R（m）的减小而降低，如下式所示电力机车内燃机车?r??j(0.67?0.00055R)?? （3－29）?r??j(0.805?0.000355R)???式中，?j?为计算黏着系数。黏着系数的降低，导致机车黏着牵引力F??的降低。由式（3－29）可计算出，当电力机车R＜600?m时，内燃机车R＜550?m时，??r＜??j，机车计算牵引力Fj可能受黏降后黏着牵引力F?j的限制，如图3－13所示。在用足最大坡度的持续上坡道上，若受黏降后机车黏着牵引力的限制，则必须在曲线范围内额外减缓坡度，因而引起线路的额外展长，其长度为?L???(Ky??i?)iD（m）（3－30）式中Ky????圆曲线长度（m）；?i??????相应的黏降坡度减缓值（‰）；图3－13黏降后的机车牵引力iD??足坡路段的平均定线坡度（‰）。3）轨道需要加强小半径曲线上，车轮对钢轨的横向冲击力加大。为了防止钢轨被挤动而引起轨距扩大，以及整个轨道的横向移动，所以轨道需要加强。加强的方法是装置轨撑和轨距杆，加铺轨枕，增加曲线外侧道床宽度，增铺道砟，从而增大工程投资。4）增加接触导线的支柱数量电力牵引时，接触导线对受电弓中心的最大容许偏移量为?500?mm 。曲线地段，若接触导线的支柱间距不变，则曲线半径越小，中心弧线与接触导线的矢度越大。为防止受电弓与接触导线脱离，接触导线的支柱间距应随曲线半径的减小而缩短，如表3－6所示，从而增加了导线支柱的数量。表3－6导?线?支?柱?的?最?大?间?距3.曲线半径对运营的影响1）增加轮轨磨耗列车经行曲线时，轮轨间产生纵向滑动、横向滑动和横向挤压，使轮轨磨耗增加。曲线半径越小，磨耗增加越大。钢轨磨耗用磨耗指数?（每通过兆吨总质量产生的平方毫米磨耗量）表示。运营部门实测的磨耗指数与曲线半径的关系曲线如图?3－14?所示。显见，当曲线半径R＜400?m时，钢轨磨耗急剧加大；R＞800?m时，磨耗显著减轻；R＞1?200?m时，磨耗与水平直线接近。车轮轮箍的磨耗，大致和钢轨磨耗规律相近，也是随曲线半径的减小而图3－14钢轨磨耗与曲线半径的关系曲线增大。另外，曲线路段的钢轨磨耗，还与坡度大小及机车类型有关。曲线位于平缓坡度上时，因速度较高、牵引力不大，且一般不需要制动，故轮轨间的相互作用力较小，磨耗相应减轻；曲线位于陡峻坡度上时，因上坡时牵引力大，下坡时往往需要制动，轮轨间的相互作用力大，因而磨耗加剧。既有线加强，蒸汽机车更换为电力机车时，R≤400?m 的曲线磨耗明显加大；这是因为蒸汽机车有导轮、动轮有横动量，且重心高对钢轨的横向推力小，因而磨耗较小；而电力机车无导轮、支轮直径小，转向架转向不灵活，且重心低对钢轨的横向推力大，因而磨耗较大。为了减少钢轨磨耗，我国很多工务部门已在小半径曲线上铺设耐磨钢轨，或在钢轨头部内侧涂油；有的韶山?1型电力机车上还装有自动涂油装置，可在通过小半径曲线时，自动向钢轨轨头内侧涂油，这些措施可有效地减轻轮轨磨耗。国外铁路，除在小半径曲线上铺设耐磨钢轨或采用化学办法处理轨面等外，南非、加拿大等国还在货车转向架上加装径向臂，使车辆通过曲线时自动转向，减少冲击角和横向推力，使轮轨磨耗降低。高速列车多装有径向轴，客车通过曲线时，可使轮轴保持径向，既可降低磨耗，又可提高曲线限速。2）维修工作量加大小半径曲线地段，轨距、方向容易错动；采用木枕时，容易产生道钉孔扩大和垫板切入枕木等病害，钢轨磨耗严重；电力牵引时轨面更要出现波浪形磨耗，需要打磨轨面，倒轨、换轨。这样，必将增加维修工作量和维修费用。3）行车费用增高若小半径曲线限制旅客列车的行车速度，则列车在曲线前方要制动减速，曲线地段列车要限速运行，通过曲线后又要加速，如图3－15所示。这样，必然使机车额外做功，且增加运行时分和行车费用。 采用小半径曲线，因线路加长、总转角增大，使要克服的曲线阻力功加大，也要增加行车费用。图3－15曲线限速示意图综合以上分析，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，影响更为突出。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。四、缓和曲线定义——曲率半径和外轨超高均逐渐变化的曲线，称为缓和曲线。为使列车安全、平顺、舒适地由直线过渡到圆曲线，在直线与圆曲线之间要设置缓和曲线。缓和曲线的作用——在缓和曲线范围内，其半径由无限大渐变到圆曲线半径，从而使车辆产生的离心力逐渐增加，有利于行车平稳；在缓和曲线范围内，外轨超高由零递增到圆曲线上的超高量，使向心力逐渐增加，与离心力的增加相配合；当曲线半径小于350?m、轨距需要加宽时，在缓和曲线范围内，由标准轨距逐步加宽到圆曲线上的加宽量。（一）线型选择缓和曲线线型表达方式——缓和曲线线型近似于缓和曲线曲率的二次定积分，而曲率又和超高具有一定的比例关系，所以缓和曲线线型可以形象地用外轨超高的顺坡形式表示。目前国内外采用的超高顺坡几种主要形式是：直线形超高顺坡、S形超高顺坡、中间为直线、两端为二次抛物线的超高顺坡的4-3-4 型、半波正弦形超高顺坡、一波正弦形超高顺坡等，此外，我国学者还提出五次式、七次式等缓和曲线线型。对于客货共线普速铁路，国内运营实践表明，直线形超高顺坡缓和曲线是能满足行车安全和旅客乘坐舒适度的要求。对于高速客运专线，缓和曲线的设置应保证高速行车安全和旅客乘坐舒适度的要求。目前，国外运营的高速铁路采用的缓和曲线线型为：德国采用三次抛物线型，法国采用三改余弦型，英国采用三改圆型。他们的运营实践证明，高速条件下三次抛物线或其改善型缓和曲线同样能满足安全和舒适度的要求。综合考虑以上因素，我国目前在客货列车共线运行的铁路上，采用直线型超高顺坡的三次抛物线型缓和曲线；高速客运专线铁路仍以三次抛物线型缓和曲线为首选。3.三次抛物线形缓和曲线如图3－16所示，三次抛物线型缓和曲线的参数方程、直角坐标方程和外轨超高顺坡坡度的计算式分别为：参数方程图3－16缓和曲线与外轨超高??l4l8x?l?1??????l（3－31）224440Rl3456Rl00???l3?l4l8l3y??????（3－32）?1?246Rl0?56R2l06Rl7040R4l00?直角坐标方程?x3?2x4x3 y?????（3－33）?1?26Rl0?35R2l06Rl0?超高顺坡坡度hi0?‰）（3－34）l0式中x，y??——?缓和曲线上任意点M的横坐标、纵坐标；l?——?缓和曲线上任意点M距ZH点的长度（m）；l0?——?缓和曲线全长（m）；R?——?圆曲线半径（m）；h?——?圆曲线上的外轨超高（mm）。（二）缓和曲线长度计算缓和曲线长度影响行车安全和旅客舒适，拟定标准时，应根据下列条件计算并取其较长者。1.缓和曲线长度计算条件1）超高顺坡不致使车轮脱轨设缓和曲线的最大容许坡度为i0，要使i≤i0，缓和曲线长度应满足l01≥h?（3－35）1000i0机车车辆行驶在缓和曲线上时，假设车辆无弹簧，轨道无弹性，则车架一端的两轮贴着钢3－17?所示。要使车轮轮缘不致爬越内轨，内轨的悬空高度不应大于轮缘高度，所以超高递增坡度应满足i0≤KminDz(max) 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，如图式中Kmin??——??最小轮缘高度（mm）；Dz（max）?——??机车车辆的最大固定轴距（mm）。图3－17内轮悬空示意图考虑到列车运行过程中车辆走行部分的振动、钢轨磨耗、轨道变形等众多因素有关，并考虑必要的安全系数，我国在客货共线铁路上规定缓和曲线外轨超高顺坡不能大于2‰，即i0=1∶500；国外铁路的缓和曲线超高顺坡允许值在1∶200～1∶400之间。我国客货共线铁路上运行的主型机车车辆的固定轴距不大于3.0?m，因此，满足车轮不爬轨的最大超高顺坡均大于上述计算值。客运专线动车组的固定轴距为2.5～2.7?m，由脱轨安全条件所计算的缓和曲线长度显然不起控制作用。2）超高时变率不致使旅客不适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h?Vmaxhh??≤ftl02/(Vmax/3.6)3.6l02故得l02≥h?Vmax（m）（3－36）3.6f3）欠超高时变率不致影响旅客舒适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hqt?hq l03/(Vmax/3.6)?hq?Vmax3.6l03≤b故得l03≥hq?Vmax3.6b（m）（3－37）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）[可由式（3－14）计算）]；b?——?保证旅客舒适的欠超高时变率容许值（mm/s）（可根据工程条件难易程度取值，工程容易时取小值，工程困难时取大值。我国在制定相关标准时，欠超高时变率容许值取值为：客货共线铁路，一般条件下40?mm/s，困难条件下45?mm/s；高速客运专线，良好条件下23?mm/s，困难条件下38?mm/s）。2.最小缓和曲线长度计算综上分析，缓和曲线长度l0的计算公式为?hh?Vmaxhq?Vmax?l0?max{l01,l02,l03}?max?,,?（m）（3－38）i