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1、. .铁路曲线要素的测设、计算与精度分析1-1 圆曲线的测设铁路线路平面曲线分为两种类型：一种是圆曲线，主要用于专用线和行车速度不高的线路上；另一种是带有缓和曲线的圆曲线，铁路干线上均用此种曲线。铁路曲线测设一般分两步进展，先测设曲线主点，然后依据主点详细测设曲线。铁路曲线测设常用的方法有：偏角法、切线支距法和极坐标法。首先介绍圆曲线的测设方法。一、圆曲线要素计算与主点测设为了测设圆曲线的主点，要先计算出圆曲线的要素。一圆曲线的主点如图1所示：图1JD交点，即两直线相交的点；ZY直圆点，按线路前进方向由直线进入圆曲线的分界点；QZ曲中点，为圆曲线的中点；YZ圆直点，按路线前进方向由圆曲线进入直
2、线的分界点。ZY、QZ、YZ三点称为圆曲线的主点。二圆曲线要素及其计算在图1中：T切线长，为交点至直圆点或圆直点的长度；L曲线长，即圆曲线的长度自ZY经QZ至YZ的圆弧长度；E0外矢距，为JD至QZ的距离。T、L、E0称为圆曲线要素。转向角。沿线路前进方向，下一条直线段向左转那么为左；向右转那么为右。R圆曲线的半径。、R为计算曲线要素的必要资料，是值。可由外业直接测出，亦可由纸上定线求得；R为设计时采用的数据。圆曲线要素的计算公式，由图1得：外线长T=Rtan曲线长 L=R1外矢距E0=Rsec-1式中计算L时，以度为单位。在、R的条件下，即可按式1计算曲线要素。它既可用计算器求得，亦可根据、
3、R由铁路曲线测设用表中查取。三圆曲线主点里程计算主点历程计算是根据计算出的曲线要素，由一点里程来推算，一般沿里程增加方向由ZYQZYZ进展推算。假设交点JD的里程，那么需先算出ZY或YZ的里程，由此推算其它主点的里程。四主点的测设在交点JD上安置经纬仪，瞄准直线方向上的一个转点，在视线方向上量取切线长T得ZY点，瞄准直线方向上一个转点，量T得YZ点；将视线转至内角平分线上量取E0，用盘左、盘右分中得QZ点。在ZY、QZ、YZ点均要打方木桩，上钉小钉以示点位。为保证主点的测设精度，以利曲线详细测设，切线长度应往返丈量，其相对较差不大于1/2000时，取其平均位置。二、偏角法测设圆曲线仅将曲线主点
4、测设于地面上，还不能满足设计和施工的需要，为此应在两主点之间加测一些曲线点，这种工作称圆曲线的详细测设。曲线上中桩间距宜为20m；假设地形平坦且曲线半径大于800m时，圆曲线内的中桩间距可为40m；且圆曲线的中桩里程宜为20m的整数倍。在地形变化处或按设计需要应另加设桩，那么加桩宜设在整米处。偏角法师曲线测设中最常用的方法。偏角法测设曲线的原理1. 测设原理偏角法实质上是一种方向距离交会法。偏角即为弦切角。偏角法测设曲线的原理是：根据偏角和弦长交会出曲线点。如图2，由ZY点拨偏角1方向与量出的弦长c1交于1点；拨偏角2与由1点量出的弦长c2交于2点；同样的方法可测出曲线上其他点。2. 弦长计算
5、铁路曲线半径一般很大，20m的圆弧长与相应的弦长相差很小，如R=450m时，弦弧差为2mm，两者的差值在距离丈量的容许误差范围内，因而通常情况下，可将20m的弦长当作弦长对待；只有当R400m时，测设中才考虑弦弧差的影响。3. 偏角计算由几何学得知，曲线偏角等于其弦长所对圆心角的一半。图2中，ZY1点的曲线长为K，它所对的圆心角为=，那么其相应的偏角为 (2)式中，R为曲线半径；K为置镜点至测设点的曲线长。假设测设点间曲线长相等，设第1点偏角为1，那么各点偏角依次为由于测规规定，圆曲线的中桩里程宜为20m的整倍数，而通常在ZY、QZ、YZ附近的曲线点与主点间的曲线长缺乏20m，那么称其所对应的
6、弦为分弦。分弦所对应的偏角可按式2来计算。测设曲线点的偏角，既可以按式2用计算器计算，亦可由铁路曲线测设表以下简称曲线表第三册第六表查取。三、长弦偏角法测设圆曲线利用光电测距仪配合带有编程功能的计算器来测设曲线，采用长弦偏角法最适宜，如图3。知道了曲线点的测设里程，即测设的曲线长Li，即可进展计算。其资料计算公式如下： 2式中i、ci为测设曲线点i的偏角与弦长。测设时，将测距仪安置于ZY点上，以JD为后视00000方向，照准部旋转i偏角，持镜者沿长弦视线方向移动，司镜人员用测距仪的跟踪测量法跟踪，当显示数字与弦长接近时，反光镜停下，正式测出斜距和竖直角，然后算出水平距离；当平距与弦长相差1m左
7、右时，用2m的钢卷尺直接量距并钉下木板桩，再将反光镜安于木桩上来校核距离，与弦长相差1cm之内即可。长弦偏角法不仅可以跨越地面上的障碍，而且精度高、速度快，是一种能适用于各种地形的测设方法。四、切线支距法测设圆曲线切线支距法，实质为直角坐标法。它是以ZY或YZ为坐标原点；以过ZY或YZ的切线为x轴，切线的垂线为y轴。x轴指向JD，y轴指向圆心o，如图4。曲线点的测设坐标按下式计算： 4式中，Li为曲线点i至ZY或YZ的曲线长。Li一般定为10m、20m、，R，即可计算出xi、yi。亦可从曲线表第三册第九表中查取每10m一桩的Li-xi及yi值，如表1。表1 圆曲线切线支距LR=700R=600
8、R=500L-xyL-xyL-xy10203040500.000.000.010.020.040.070.290.641.141.790.000.000.010.030.060.080.330.751.332.080.000.100.020.040.080.100.400.901.602.50测设时从ZY或YZ开场,沿切线方向直接量出xi并钉桩；假设yi较小时，可用方向架 直角器在xi点测设曲线点，当yi较大时，应在xi处安置经纬仪来测设。假设使用曲线表，那么从ZY或YZ开场沿切线方向每丈量Li，应退回Li-xi钉桩来测设曲线点，如图5.切线支距法简单，各曲线点相互独立，无测量误差累积。但由于
9、安置仪器次数多，速度较慢，同时检核条件较少，故一般适用于半径较大、y值较小的平坦地区曲线测设。1-2 缓和曲线的性质一、缓和曲线的作用当列车以高速由直线进入圆曲线时，就会产生离心力，危及该列车运行平安和影响旅客的舒适。为此要使曲线外轨高些称超高，使列车产生一个内倾力以抵消离心力的影响，见图6。为了解决超高引起的外轨台阶式升降，需在直线与圆曲线间参加一段曲率半径逐渐变化的过渡曲线，这种曲线称缓和曲线。另外，当列车由直线进入圆曲线时，由于惯性力的作用，使车轮对外轨内侧产生冲击力，为此，加设缓和曲线以减少冲击力。再者，为防止通过曲线时，由于机车车辆转向架的原因，使轮轨产生侧向摩擦，圆曲线局部的轨距应
10、加宽，这也需要在直线和圆曲线之间加设缓和曲线来过渡。二、缓和曲线的性质缓和曲线时直线与圆曲线间的一种过渡曲线。它与直线分界处半径为，与圆曲线相接处半径与圆曲线半径R相等。缓和曲线上任一点的曲率半径与该点到曲线起点的长度成反比，如图7。 或 =C 5式中，C是一个常数，称缓和曲线半径变更率。当l=l0时，=R，所以Rl0=C 6式中，l0为缓和曲线总长。l=C是缓和曲线的必要条件，实用中能满足这一条件的曲线可作为缓和曲线，如辐射螺旋线、三次抛物线等。我国缓和曲线均采用辐射螺旋线。三、缓和曲线方程式按照l=C为必要条件导出的缓和曲线方程为： 7根据测设要求的精度，实际应用中可将高次项舍去，并顾及到
11、C=Rl0，那么上式变为 8式中，x、y为缓和曲线上任一点的直角坐标，坐标原点为直缓点ZH或缓直点HZ；通过该点的缓和曲线切线为x轴，如图8。l为缓和曲线上任一点P到ZH或HZ的曲线长；l0为缓和曲线总长度。当l=l0时，那么x=x0，y=y0，代入式8得： 9式中，x0、y0为缓圆点HY或圆缓点YH的坐标。四、缓和曲线的插入方法缓和曲线是在不改变直线段方向和保持圆曲线半径不变的条件下，插入到直线段和圆曲线之间，如图9。缓和曲线的一半长度处在原圆曲线范围内，另一半处在原直线段范围内，这样就使圆曲线沿垂直切线方向，向里移动距离p，圆心由O移至O，显然插入缓和曲线之后，使原来的圆曲线长度变短了。插
12、入缓和曲线之后，曲线主点有5个，它们是：直缓点ZH、缓圆点HY、曲中点QZ、圆缓点YH及缓直点HZ。五、缓和曲线常数的计算0、0、m、p、x0、y0等成为缓和曲线的常数。其物理含意及集合关系由图10得知：0缓和曲线的切线角，即HY或YH点的切线与ZH或HZ点切线的交角；亦即圆曲线一段延长局部所对应的圆心角。0缓和曲线的总偏角；m切垂距，即ZH或HZ到由圆心O向切线所作垂线垂足的距离；p圆曲线内移量，为垂线长与圆曲线半径R之差。x0、y0的计算见市9，其它常数的计算公式如下： 10下面我们推证式10中最常用的两个常数0和0，见图10。一求0设为缓和曲线上任一点的切线角；为该点的曲线曲率半径；l为
13、该点至ZH点的缓和曲线长。 d=d/,将=R0代入上式，那么d=d/R0当=0时，=0那么 11二求0由图10得知，0很小，故 将式9代入上式，并取至二次项， 12缓和曲线常数，亦可以R及l0为引数，由曲线表第三册第二表查取，如表2。如，R=500m，l0=60m，由表2查得0=32616，0=10845，m=29.996m，p=0.300m，x0=59.978m，y0=1.200m。1-3缓和曲线连同圆曲线的测设一、 偏角法测设曲线（一） 曲线综合要素计算 由图9可知，曲线综合要素计算公式如下：切线长 曲线长 外矢距 E0= 切曲差 q=2T-L使用时，亦可依据R、l0由铁路曲线测设用表第一、二册第一表查取，该表格式如表1216。R=500 表1216 综合要素 T L q E0L0=100m2800 05 10 15 20 25174.86
