绪论

一、轨道的作用和特点

1.轨道的作用

轨道是铁路、地铁主要技术装备之一，一些轻轨也采用同样的轨道形式。轨道是行车的基础，其作用是引导机车车辆平稳安全运行，直接承受由车轮传来的荷载，并把它传布给路基或桥隧建筑物。

作为行车基础的轨道是提高道路承载能力需求的产物。早在16世纪，随着英国工业的兴起，大量的矿石需要从矿区运到最近的码头，矿车的载重量越来越大，沉重的矿车将道路压出沟槽而破坏。为了降低车轮对路面的压力，提高运载重量和速度，1605年有了第一条木条铺成的木轨道，木轨道既减小了路面应力，也减小了运行阻力，马拉的矿车载重量成倍提高，速度也有较大提高。

随着冶炼技术进步，铁价越来越便宜，铁条被用来加强曲线和容易破坏地段的轨道。大约在18世纪中期，出现了铸铁轨道。伴随铸铁轨道的应用，是在铁轨还是车轮上加缘限制车辆横向运动脱离轨道这样一个影响深远的技术问题被提出，从给车辆运行提供连续平顺的滚动表面，便于使车辆从一股轨道转向另一股轨道的转换设备（道岔）、轨道与其他道路平面交叉而不影响其他道路交通等方面考虑，通过实践解决了此问题，放弃了在铁轨上加缘方式，采用了在车辆车轮加缘的合理方式并被沿用至今。铸铁轨道进一步提高了轨道承载能力。

直到1830年英国建成第一条由蒸汽机车牵引真正意义上的铁路后，铁路运输的速度和载重量对轨道的承载能力提出了更高的要求。19世纪40年代，在铁轨下铺设了与之垂直的木轨枕连接两根铁轨。木轨枕的应用较好的保持了铁轨之间的相对位置，减小了轨枕下地面的应力。减小地面应力的另一个有效措施是在轨枕下铺设一层碎石组成的道床。同时，碎石道床还提高了轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。

铁路运输的效率和速度促使各发达资本主义国家竞相修建铁路，到1860年，世界各国已修建了10万km铁路。同时，铁路运输的发展也推动了轨道结构的发展和完善，建成的轨道已具有现代轨道结构的基本结构形式，把它叫做传统轨道。传统轨道的道床由散体材料碎石组成，又叫有砟轨道。

2.轨道的结构特点

从横截面分析，传统轨道自上而下由钢轨、轨枕、碎石道床等力学性能不同的材料组成，钢轨和轨枕用扣件联结成轨排浮铺于碎石道床上。从轨道平面分析，钢轨与钢轨用接头联结零件联结，在站场还有用于列车变换轨道的道岔。因此，轨道的结构特点是组合性和散体性。此外，轨道结构是非常长大的工程结构物，跨越各种地理环境，受环境影响因素多。

轨道结构最上层是强度最高的钢轨，用以承受车轮施加的巨大压力。轮载传递到轨枕时，由于相邻轨枕的分担作用，传到轨枕的压力约减小一半，再加上轨与枕之间接触面积增大，轨枕的应力一般不会超过其强度极限。轨枕与道床之间的接触面积又数倍于钢轨与轨枕的接触面积，散体材料堆积而成的碎石道床应力又减小数倍。经过道床的扩散，最后传递到路基、桥隧结构物上应力时更小，且从静力学方面分析，传力机理非常合理。

为了保证机车车辆安全平稳运行，轨道必须给有轮缘车轮提供连续平顺滚动表面，为此要求轨道具有一定的几何形位（如轨距、轨向等），轨道几何形位误差叫轨道不平顺。轨道结构特点决定了轨道是很难准确控制其几何形位，轨道不平顺是客观存在的。

轨道不平顺可分为静态不平顺和动态不平顺。静态不平顺是指钢轨轮轨接触面不平顺，如钢轨轨面不平顺、不连续（接头、道岔）和几何形位误差；动态不平顺指轨下基础弹性不均匀，如扣件失效、枕下支承失效、路基不均匀以及桥台与路基、路基与隧道等过渡段的弹性不均匀。

3.轨道的荷载特点

轨道荷载具有重复性和随机性的特点。

荷载的重复性表现在两个方面：一是指不同的列车通过时荷载的反复作用；二是指每列车通过时每个车轮荷载的反复作用。

相对轨道某一断面而言，车轮由远处而来、接近、离开，将车辆自重传递给钢轨及轨下基础，使线路发生沉陷、变形，形成一条以车轮和钢轨的接触点为中心的位移变形曲线，钢轨及轨下基础承受由小到大再变小的荷载作用，并激起线路各部分振动。列车车轮依次通过该断面，轮群对线路该断面的荷载还具有周期性，轨道在列车轮群周期性荷载作用下强迫振动。

列车在轨道上运行时，由于客观存在的轨道不平顺、车轮不圆顺、车辆的蛇行运动等，使轮轨系统产生冲击和振动。轮轨不平顺是轮轨系统的激振源，不平顺的波长、波深、出现的位置都有很大的不确定性，因此振动及振动产生的荷载是随机的。

由于轨道荷载的重复性和随机性，轨道及各部件长期处于交变应力状态。交变应力产生于轮轨系统振动引起的和每通过一个车轮的一次应力循环。

4.轨道的工作特点

轨道是边维修边工作的工程结构物，其工作特点是维修的经常性和周期性。

轨道结构是一种以“破坏”为前提的特殊结构物。所谓“破坏”是指轨道结构在列车荷载反复作用下，逐渐改变轨道的几何形位，形成轨道不平顺。轨道不平顺会影响行车平稳和旅客舒适，甚至会造成脱轨等，影响安全运行，并反过来加剧轮轨系统的振动和加速轨道状况变坏。当轨道变形超过了轨道几何尺寸允许限度值，或者难于通过维修保持轨道变形小于允许限度，则认为轨道结构已不能满足应有的承载能力，为了完成其使命必须进行大规模的维修。

导致轨道破坏的主要原因是轨道及各部件长期受振动和交变应力作用。在交变应力作用下部件的破坏习惯上叫疲劳破坏，其破坏形式与静荷载下发生的强度破坏截然不同。金属材料的破坏过程可分为疲劳裂纹形成、扩展和脆断三个过程，其疲劳寿命主要由应力循环中的平均应力、应力幅和循环次数三个因素控制。轨道各部件的破坏主要表现为疲劳破坏，是交变应力作用下损伤逐渐积累的结果。

此外，振动使道砟颗粒间的摩擦系数减少，加速道床下沉，所以振动加速度也是造成轨道破坏的原因之一。

二、运营条件与轨道的关系

作为行车基础的轨道，其任务是安全、平稳的运输旅客和货物，同时运营费用还要尽可能地经济。为了满足运输要求，轨道结构必须与运营条件相适应。运营条件用行车速度、轴重和运量三个参数来描述，它们从不同的侧面影响轨道结构。

1.行车速度与轨道的关系

行车速度对轨道的影响主要表现在动力作用方面。行车速度越高，机车车辆和轨道的振动强度越大，作用于轨道上的动荷载也越大，轨道的几何形位越难保持，轨道及其各部件交变应力幅度和振动加速度也越大。所以，行车速度越高，轨道结构及部件破坏越快。

从理论上讲，当车轮圆顺的列车在平顺的轨道上行驶时，轨道承受的动力比静轮载增加较少，速度的影响不大。但由于客观存在的轨道不平顺和车轮不圆顺等，动力作用会随行车速度的增加而明显增加。在不平顺严重时，甚至可比静轮载大约2倍。

轨道横向力也随行车速度提高而增大。横向力产生的主要原因是机车车辆的蛇行运动和机车车辆通过曲线的导向力。过大的横向力容易造成车轮脱轨、钢轨侧面磨耗，还会引起轨道框架横向位移，增加无缝线路失稳的可能性。

此外，提高行车速度引起车辆振动速度和加速度提高，会影响乘客旅行舒适度。试验证明，人体可以适应较大的速度变化，但对加速度的变化却是非常敏感的。

因此，行车速度越高对轨道平顺性要求越高，高速铁路要求轨道有高平顺性。要使轨道具有高平顺性，不但要严格控制轨道几何形位，还要强化轨道结构，控制动力作用下轨道变形。

2.轴重与轨道关系

轴重是指一个轮对承受的机车或车辆的重量。轴重的一半称为静轮重。轴重反映了轨道承受的静荷载强度，决定了各部件交变应力平均应力水平。轴重越大，轨道承受的荷载也越大。各部件的交变应力水平随轴重增加而增大，所能承受的荷载循环次数大为减少，使用寿命缩短，轨道疲劳破坏速度加快。

研究结果表明，钢轨头部伤损几乎全是疲劳伤损，而且都是由超载所引起的。钢轨折损率随轴重的增加而增加，除钢轨外，其他轨道部件也同样出现这种情况。由于各种疲劳现象而导致的钢轨折损，以及轨道几何形位的破坏，都与轴重有关。如果轴重与行车速度同时增加，钢轨疲劳折损率的增长规律，将更趋复杂。重载货物列车，即使运行速度不高，其对轨道的破坏，往往要比一般高速列车大。

3.运量与轨道的关系

运量常用机车车辆的通过总质量表示，它是机车车辆轴重及其通过次数的乘积，是反映轴重、速度、行车密度的一项综合指标。行车速度和轴重决定了轨道结构荷载强度，以及各部件交变应力的应力幅和平均应力，行车密度决定了荷载和应力作用的频度。钢轨的磨耗和折损、轨道永久变形积累、混凝土轨枕的破坏以及联结零件和伤损都与累计通过总重有直接的关系。运量越大，行车密度越大，列车荷载作用越频繁，单位时间内应力循环次数越多，整个轨道的永久变形积累及其部件的疲劳伤损越快，轨道的维修周期越来越短。同时，运量越大，可用以维修的作业时间越少。

运营条件的轴重、行车速度和运量三个参数基本能和以上三个因素对应起来。轴重与平均应力对应；行车速度与应力幅对应；运量与循环次数对应。运输的发展就是提高输送能力，铁路运输的发展方向是高速、重载、高密度。为了满足运输要求，轨道只能从提高轨道结构整体强度和轨道平顺性两方面入手，以降低疲劳应力幅度，增加轨道疲劳寿命，减小轨道维修工作，保证行车平稳和安全。

三、轨道结构的强化

轨道随铁路运输发展而发展，自第一条铁路建成以后，世界铁路建设经历了初期发展、建设高潮和建设鼎盛时期。20世纪40年代以后，由于其他运输方式的激烈竞争，铁路发展一度进入艰难状态。随着重载运输和高速运输的发展，铁路才有了新的生命力，同时，也促进轨道不断强化，以满足高速重载运输的需要。

改革开放以来，我国运能与运量的矛盾越来越突出，与公路、航空运输的竞争也越来越激烈。为了适应全面提速和货运重载的运输要求，并借助于新技术、新材料的应用，我国铁路在强化轨道结构方面做了大量的工作，取得了一系列成果。

1.提高轨道结构整体强度

（1）钢轨重型化、强韧化

钢轨是轨道的重要部件，因直接承受车轮的巨大压力和冲击而发生弯曲变形、轨头磨耗、压溃、断裂等。因此，要求钢轨有足够的抗弯刚度、抗冲击的韧性和耐磨性。此外，无缝线路的发展还对钢轨的可焊性提出了要求，应用强韧化的重型钢轨以提高轨道结构承载能力。目前我国正线铁路全部采用60kg/m钢轨，在小半径和大坡道地段尽量采用全长淬火轨。

（2）铺设混凝土轨枕

混凝土枕自重大、刚度大，用混凝土轨枕铺成的轨道刚度均匀、稳定性好、线路整齐美观，其主要缺点弹性差的问题是通过高弹性扣件研制来解决的。我国自20世纪70年代开始铺设混凝土轨枕，到目前已根据运营条件发展到第三代，除小部分小半径曲线还存在木枕外，绝大部分线路已换铺混凝土轨枕，用混凝土枕代替木枕已成为轨枕发展的主要方向。

（3）无砟轨道

碎石道床道砟容易引起轨道的残余变形，产生轨道不平顺，整治道床占养护维修工作量绝大部分。道床的强化方式之一是在碎石道床中灌入沥青材料或其他聚合材料将道砟固化成整体，称为沥青道床。

用混凝土整体结构或混凝土基础层和乳化沥青砂浆层取代碎石道床的轨道叫无砟轨道。无砟轨道与有砟轨道相比，具有稳定性、平顺性、刚度均匀性好，维修工作量少、简洁易清洗等显著优点，逐渐被世界上许多国家所认识并铺设。

（4）弹性扣件

混凝土轨枕的应用、特别是无砟轨道的应用对扣件提出了很高的要求。除了联结钢轨与轨枕的基本功能外，还要有调整轨距和超高功能及车辆的动力作用下的减振功能。钢轨扣件已经从传统的普通道钉、螺纹道钉、扣板等刚性扣压件过渡到弹片和弹条等弹性扣件、方便安装的无螺栓扣件。

2.铺设无缝线路

钢轨接头是轨道的薄弱环节之一。由于接头的存在，列车通过时轮轨冲击非常强烈，车速越高，冲击强度越大。在接头冲击力作用下，轨道各部件的使用寿命缩短、线路状态恶化，接头区轨道养护维修占很大比重。此外，接头冲击还影响行车的平稳和舒适。

无缝线路消除了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客舒适的特点，同时机车车辆和轨道的维修费用减少，使用寿命延长等一系列优点。

3.高速和提速道岔

普速道岔是控制行车速度的重要因素之一，是发展高速客运的障碍。同时，普速道岔的可焊性和道岔区复杂的结构形式使该处存在接头，影响车速提高。

提高列车过岔速度有两种途径：使用高速道岔和可动心轨道岔。

高速道岔在功能上和构造上与普速道岔相比没有原则上的区别，只是对道岔的平纵断面、构造、制造工艺、道岔区内的轨下基础以及养护维修提出了更高的要求。

采用活动心轨型辙叉代替固定辙叉，保证列车过岔时线路连续，从根本上消灭有害空间，并使道岔强度大大提高。适当加长翼轨、护轨缓冲段长度，减小冲击角，或采用不等长护轨，以满足直向高速度的要求。近年来，可动心轨道岔已铺设于提速线路。

当无缝线路与普速道岔联结时，道岔区中的钢轨不但承受巨大的温度力作用，而且里侧轨线两端受力状况不同，这种不平衡的温度力状态使无缝道岔中的钢轨受力与变形位移发生变化，使道岔不能正常工作。无缝道岔设计、焊接与铺设问题解决，使无缝线路长度突破了道岔限制。