选线设计教案-3.线路平面和纵断面设计 32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此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A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木方法，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A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，侧重于平纵妞设计理论的应用、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成。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77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。线路一一是指铁路中心线在空间的位置，以路基横断血上距外轨半个轨距的铅垂线AB与路肩水平线CD的交点0在纵向上的连线表示，简称为线路中线。线路平面一一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；线路纵断妞一一是沿线路中心线所作的铅垂剖浙在纵向展直后，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屮，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，仴势必增大工程数量，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)既耍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、平面组成及其基木线形分析行驶中的铁路车辆导向轮旋转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； ①曲线为常数的线形：圆曲线；②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3-3曲率连续的线路平谢纸上定线时，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冋的曲线板，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。若地势幵阔，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，再计算曲线耍素和起讫点里程(b)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，在选线设计屮，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人工程时，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；同吋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夾直线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耍求LJ^n?T?Vmax?Lq(m)(3—2)3.6考虑到车辆并非刚体，可取Lq=O,则式(3-2)可简化为LJ=???Vmax(m)(3一3) ??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妞设计时，在设置圆曲线和缓和曲线后，应检査夹直线长度是否满足相应的最小长度要求，即应保证LJ^LJPmin(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U应满足下列条件LJ彡IOll+LJ?min+O2(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， (b)如图3-7(a)所示。(a)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?l?(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10、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10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 一9)?(??2?O)R????RL??2IO??IO(m)(3—18018010)E?(R?p)?sec(3-11)?2?R(m)242101010??式中p?——？内移距，p?(m)；24R2688R324R3101010m??切垂距，m??(m)；?2240R22??0?——?缓和曲线角，？0?9010(?)。?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+10YH里程=HZ里程一10(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?曲线超高的设置先敁示图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)。超高的意义与作用一一列车在曲线上行驶时，由于离心力的作用，将列牟推向外股钢轨，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妞与内轨顶妞的水平高度之差称为曲线超高，如图3—8所示。曲线超高设置方法一一主耍有外轨提高法和线路屮心高度不变法两种。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冰采用。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?l??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)考應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