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研究生:姜登凡
研究生(外文):Teng-Fan Chiang
論文名稱:鐵路長焊鋼軌軸應力與挫屈之探討
論文名稱(外文):Studying of buckling and axis stress in railway continuous welded rail
指導教授:郭世榮郭世榮引用關係
指導教授(外文):Shyh-Rong Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:河海工程學系
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:124
中文關鍵詞:鋼軌挫屈鋼軌容許增溫值軸應力檢測
外文關鍵詞:track bucklingvalue of rail allow increase temperatureaccumulative stress value of laying rail
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中文摘要

鐵路高速化一直為世界各國在運輸系統上長期追求的目標,台灣鐵路軌道性能歷經鐵路電氣化及軌道結構經兩次革命性的強化後大幅提升,列車運轉速度已從蒸汽柴電機車時代之60~80km/hr提高至目前120~130 km/hr,在兩次提速過程中,軌道性能除了電氣化外,其結構由37kg/m、 25m長定尺鋼軌之木枕軌道更新為50N長焊鋼軌之PC枕軌道,大幅改善台鐵運輸功能。
世界各國在鐵路長軌化的發展研究從設計、焊接、施工、養護的技術上已有突破性的良好成果,這從軌道長軌舖設範圍持續擴大並延長,可得到一致的認同及驗證。惟軌道長軌化衍生之鋼軌挫屈(Buckling)問題,雖然在理論上使用高強度的版式軌道是可克服的,但考量軌道在列車運轉中施工之困難度及建造成本與經濟效益,傳統的道碴軌道仍有存在的價值與必要性,台鐵除了軌道條件較脆弱及養護困難處如橋樑、部分隧道及高架地段採用版式軌道外,其餘90%以上之路線仍為傳統道碴軌道,因此,鋼軌挫屈的防制在軌道運轉安全管理上佔有極其重要的一環。
世界各國在長焊鋼軌軌道之設計、舖設上雖有建立完善的理論,但在實務養護管理上仍有許多不確定的因素造成安全上的盲點,如鋼軌舖定溫度在經過長期車輪滾壓及鋼軌爬行所造成之塑性變形與應力集中,迫使舖定溫度下降,額外減少鋼軌容許增溫值,這對軌道的穩定性相當不利,尤以夏季高溫,鋼軌溫度伴隨升高,很容易超過鋼軌容許增溫值而發生挫屈。鋼軌容許增溫值的額外減少,因隱藏在鋼軌內部,無法從平時軌道養護過程中察知,因此,本研究透過鋼軌軸應力檢測功能,獲知舖設現場鋼軌之累積應力值,並進而準確地計算鋼軌實際舖定溫度降低值,作為鋼軌應力解除的依據,以防制鋼軌之挫屈。
Abstract

High speed rail is a trend of ground transportation systems in many modern countries. In Taiwan, the railway performance has be greatly by electrification and rail structure strengthening. The speeds of trains have been raised from 60~80 km/hr to 120~130 km/hr since running steamer to diesel electric locomotive. The rail underwent electrification and changed the 25m standard length rail from wood cross tie track to 50N continuous welded rail (CWR) of prestressed concrete (PC) cross tie track in order to accelerate the speed of train improving Taiwan railway function.

Railway long-railed on development and study has breakthrough good result in technology of design, welding, construction and maintain. It can be demonstrated and agreed make use of expanding range of laying welded rail in track. The track buckling caused by railway long-railed can overcome by replacing the ballast track of high-intensity slab track. Considering the track construction is difficult between the train running, and construction economic benefits, the traditional ballast track should be the value and necessity. The Taiwan Railway used the slab track of the more vulnerable and conservation on the difficulties track conditions such as bridges, tunnels and elevated part. In the other track, it still used traditional line of ballast at the track more than 90 percent. So that rail safety management operation is playing an important rule on preventing to buckle.
There is setting up perfect theory of design and laying CWR, but there are many unsure factors of maintenance caused safety blind spot in fact. For example, the rail was caused plasticity to be out of shape or stress concentrating after wheel rolling and rail creepage during a long time .It will force the installation temperature decreasing and extra reduce value of rail allow increase temperature. The installation temperature decreasing is bad of track stabilizing, especially in high temperature on summer. The track will buckle easily because the rail temperature rises too much to exceed value of rail allow increase temperature. Reducing extra reduce value of rail allow increase temperature can not to be discovered in normal Maintenance. Therefore, this study gets accumulative stress value of laying rail in worksite through rail axis stress detecting. It removes rail pressure to prevent buckling according to calculate reality decreasing value of rail installation temperature.
目錄

中文摘要 I
Abstract III
目錄 V
表目錄 XI
圖目錄 XII
照片目錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 研究內容及流程 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 相關名詞定義 5
2.2 鐵路路線基本設施 6
2.2.1路線等級 6
2.3 軌道結構之組成 7
2.3.1 鋼軌 8
2.3.1.1 鋼軌斷面性質 8
2.3.1.2 鋼軌單位重 8
2.3.1.3 鋼軌組合元素 9
2.3.2 軌枕 10
2.3.3 道碴 10
2.3.4 鋼軌配件 11
2.4 長焊鋼軌 11
2.4.1 長焊鋼軌之焊接方法 11
2.4.2 長焊鋼軌之應力解除 12
2.4.2.1鋼軌放鬆法 12
2.4.2.2 拉軌器解除應力法 13
2.5 各國對軌道挫屈之研究 13
2.5.1日本沼田實博士 14
2.5.2 日本佐藤吉彥博士 14
2.5.3 德國Meier博士 16
2.5.4 台鐵長軌抵抗挫屈安全度�悀峸e許最高軌溫Ta計算 17
第三章 軌道工程基本理論 27
3.1鋼軌荷重來源 27
3.1.1垂直荷重 27
3.1.2橫向荷重 28
3.1.3 縱向荷重 29
3.2軌道結構之抗挫屈力 30
3.2.1 道碴豎向阻抗力 30
3.2.2縱向阻抗力 30
3.2.2.1 扣件阻力 30
3.2.2.2道碴縱向阻力 31
3.2.3道碴橫向阻抗力 32
3.3 長軌總論 33
3.3.1 長焊鋼軌之溫度伸縮 33
3.3.1.1 鋼軌之熱效應變 33
3.3.1.2 溫度變化與軸壓應力 34
3.3.2 長焊鋼軌之舖定溫度 35
3.4舖設長軌之軌道條件 37
第四章 鋼軌挫屈之探討 43
4.1 長軌挫屈之行為 43
4.2 長軌挫屈之原因 44
4.2.1 超載造成之原因 44
4.2.2 軌道結構強度減弱導致之挫屈 44
4.3 長軌挫屈之鋼軌臨界軸壓力 44
4.3.1鋼軌挫屈臨界增溫值ΔTmax 45
4.3.2 道床橫向阻力折減之附加溫度 46
4.3.3大型砸道過後強度之折減 47
4.3.4鋼軌爬行而導致應力集中之附加溫度 47
4.3.5鋼軌塑性變形之附加溫度 48
4.4 長軌挫屈之防制 48
第五章 鋼軌軸應力之檢測 55
5.1 檢測目的 55
5.1.1 鋼軌內部殘餘應力 56
5.1.2 在已鋪設軌道的鋼軌內應力 56
5.1.3 熱效應力 57
5.1.4 隨時間變化的應力分佈 57
5.2 檢測原理 57
5.2.1 磁力特性 57
5.2.2 巴克豪生量測的應力 58
5.2.3檢測原理 59
5.3 檢測步驟 59
5.4 檢測結果 60
5.5 分析與應用 61
第六章 案例分析 80
6.1 南港溪橋鋼軌挫屈分析 80
6.1.1 事故經過 80
6.1.2 事故現場軌道現場概述 80
6.1.3 挫屈原因分析 81
6.1.4防制方法 85
6.2 南靖-後壁間鋼軌挫屈 86
6.2.1 事故經過: 86
6.2.2 事故現場軌道現況概述 86
6.2.3 挫屈原因分析 87
6.2.4 防制方法 87
6.3 三民-玉里間鋼軌挫屈 88
6.3.1 事故經過 88
6.3.2 事故現場軌道現況概述 88
6.3.3 挫屈原因分析: 89
6.3.4 防制方法 90
6.4 縱貫線東正線七堵五堵間應力解除 90
6.4.1 前言 90
6.4.2 施工過程 91
第七章 結論與建議 103
7.1 結果討論與建議 103
引用文獻 105










表目錄

表2 1 日本列車種別與軌道構造之關係 19
表2 2 中國鐵路正線軌道類型 20
表2 3 台鐵路線等級與軌道條件關係表 21
表3 1 道碴縱向阻力值 39
表3 2 正常軌道道碴橫向阻力(N/mm) 39
表3 3 橫向阻力係數 39
表4 1 路線維修作業後道碴碴的橫向阻力變化 51
表4 2 道碴肩部標準表 52
表5 1 東西正線基隆-松山間右軌 64
表5 2 東西正線基隆-松山間左軌 65
表5 3 東西正線內壢-埔心間右軌 66
表5 4 東西正線內壢-埔心間左軌 67
表5 5 東西正線埔心-楊梅間右軌 68
表5 6 東西正線埔心-楊梅間左軌 69



圖目錄

圖1 1 論文寫作流程圖 4
圖2 1 軌道構造示意圖 22
圖2 2 各種鋼軌 23
圖2 3 各型扣件原理 24
圖2 4 挫屈波形 25
圖2 5 挫屈後軸力分佈 25
圖2 6 直線段軌道變形波形 26
圖2 7 曲線段軌道變形波形 26
圖3 1 軌道上作用力示意圖 40
圖3 2 轉向橫向力產生的輪重變動 40
圖3 3 未被平衡離心力產生的輪重變動 41
圖3 4 道碴縱向阻力與道碴位移關係 41
圖3 5 長軌舖定溫度範圍 42
圖4 1 溫度上升與鋼軌變位之關係 53
圖4 2 道碴橫向阻力折減圖例 53
圖4 3 鋼軌爬行測定樁之設置 54
圖4 4 以樁間之鋼軌位移,測定鋼軌之爬行量 54
圖5 1 鋼軌橫斷面,縱向殘餘應力分佈。 70
圖5 2 環繞鋼軌周圍的溫度分佈 70
圖5 3 載時鋼軌橫斷面的縱向殘餘應力的變化 70
圖5 4 鋼軌鋪設軌道運轉幾個月後,在軌頭與軌底邊緣的縱向殘餘應力變化 71
圖5 5 在拉伸與壓縮應力下,中碳軟鋼磁滯曲線的變化 71
圖5 6 在UIC 54型鋼軌一處橫斷面的縱向殘餘應力分佈,用磁力巴克豪生信號量測而測定。 72
圖5 7 軸應力檢測地點 72
圖5 8 依Railscan設備計算並讀取Tn值示意圖 73
圖5 9 鋼軌軸應力檢測流程 74
圖5 10 96年7、8月苗栗晴天日軌溫超過50℃與氣溫關係圖 75
圖5 11 96年7月28日苗栗當日軌溫-氣溫關係圖 75
圖5 12 96年7月24日苗栗當日軌溫-氣溫關係圖 76
圖5 13 96年8月28日苗栗當日軌溫-氣溫關係圖 76
圖5 14 軌溫監測地點 77
圖6 1 南港溪橋位置圖 93
圖6 2 南港溪橋軌道挫屈示意圖 94
圖6 3 南港溪橋版式軌道示意圖 94
圖6 4 南靖-後壁間軌道挫屈位置圖 95
圖6 5 玉里北迴線80K+860軌道挫屈位置圖 95
圖6 6 縱貫線東正線K8+056~K8+820應力解除位置圖 96
圖6 7 工程範圍線形示意圖 96





















照片目錄

照片5 1 鋼軌軸應力檢測之手推機器 78
照片5 2 檢測過程 79
照片5 3 檢測過程 79
照片6 1 南港溪橋莒光號出軌 97
照片6 2 南港溪橋莒光號出軌 98
照片6 3 南靖-後壁間軌道挫屈 98
照片6 4 南靖-後壁間照片軌道挫屈 99
照片6 5 花東線K80+850軌道挫屈 99
照片6 6 花東線K81+384.3尾端列車出軌(臺東向) 100
照片6 7 EJ動程尖軌量測 100
照片6 8 EJ動程受軌量測 101
照片6 9 五堵-七堵間熱劑焊接 101
照片6 10 五堵-七堵間應力解除 102
引用文獻

1. 黃民仁,”鐵路工程學”,文笙書局,1993年
2. 陳岳源,”鐵路軌道”,中間鐵路出版社,1993年8月
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5. 蘇應森、張炳熙,”長鋼軌實務”,台鐵員訓中心教材,2000 年1月
6. 張炳熙,”軌道管理”,台鐵員訓中心教材,2000 年3月
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8. 佐藤吉彥,”新軌道力學”,2001 年11 月
9. 陳世昌,”列車出軌事故原因探討-軌道檢視”,台鐵資料季刊 第308 期,2001 年12 月
10. 佐藤吉彥著,徐涌譯,”新軌道力學”,中國鐵道出版社,2001年
11. 中華顧問工程司,”台鐵山線竹南-造橋間莒光號列車出軌事故原因之研析及未來如何防範與建議”,2002年3月
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17. 黃民仁,”新世紀鐵路工程學”,文笙出版社,2005年5月
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19. 天野光三,”圖說軌道工程學”,丸善株式會社,2006年6月
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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