轨道强度计算(卷名：土木工程)
track stress
在英、美也称轨道应力。将轨道作为一个工程构筑物，运用力学理论进行分析和计算的方法。通过计算，保证轨道具有必要的承载能力。它对轨道各部件的设计起指导作用，并为轨道建筑标准（即轨道类型）的划分，部件的合理配套提供理论依据。
轨道承受的作用力 轨道承受列车的各种垂直压力、横向水平力、纵向水平力。①垂直压力主要来自车轮的静重（静荷载）。在列车运行时，由于机车车辆的振动，轨道和车轮的不平顺，以及蒸汽机车动轮和主动轮构件的作用，除静荷载外，在垂直方向，轨道还承受许多额外的附加力。所有这些附加力连同静荷载一起，称为垂直动荷载。②横向水平力主要是由机车车辆摇摆及作蛇行运动以及它们通过曲线时向外推动而产生的。③纵向水平力主要包括机车加速、制动时的纵向水平分力，在长大坡道上机车车辆重量的纵向水平分力，以及因钢轨的温度变化而产生的温度力。
计算方法 静力计算 按照对基础假设的不同，静力计算分为：连续点支承梁的计算和连续基础梁的计算。在连续点支承梁的计算法中，把钢轨视为一根支承在许多弹性支点上的无限长梁。弹性支点的沉落值假定与它所受的压力成正比(图1a)。运用力学理论，任一截面处的钢轨弯矩、压力和挠度都可求得。如果有许多荷载同时作用于钢轨上，可先分别计算每个荷载对轨道所产生的作用，然后叠加起来。如需求最大数值时，可选择几个较重的车轮分别置于计算截面上，按照机车车轮的排列进行计算比较求得。在连续基础梁的计算法中，则把钢轨视为一根支承在连续弹性基础上的无限长梁(图1b)。同样，用力学理论，可求出钢轨任一截面的弯矩、压力和挠度。与连续点支承梁方法相比，计算结果相差不多。但在基础刚度较大时，两种计算结果相差可达10％左右。
动力计算 一直沿用等效静荷载法，即考虑到列车动力作用而把轨道所承受的静荷载适当加大。动荷载的确定有两种方法:①力素分析法。对轨道所承受的各种力素进行分析，对每一种力素乘以不同的系数，再以概率理论将其组合起来，以求得可能发生的最大动荷载。②速度系数法。把静荷载乘以速度系数α，得出换算的动荷载。计算速度系数的公式，各国不同，如美国采用α＝1+v/120，式中速度 v以英里/时计；对速度 v小于100公里/时，联邦德国采用α＝1+v2/30000。中国1979年颁布的《铁路轨道强度计算法》规定：在蒸汽牵引，列车速度在120公里/时以下时，计算轨底弯曲应力，用 α＝1+8v/1000，式中v为行车速度，以公里/时计；计算轨道下沉的轨下基础各部件的荷载及应力，则用α＝1+6v/1000。力素分析法在理论上似较速度系数法严密，但实际上各种力素变化多端，情况极为复杂，计算结果的可靠度不大，且计算十分繁琐，使用不便，不如速度系数法简单易行。到80年代除苏联外，世界各国大多采用速度系数法。
轨道各部件应力计算 主要包括：①钢轨底部的动弯应力。即：σ＝M/W，式中σ为钢轨底部纵向纤维应力；M为钢轨弯矩；W 为钢轨底部对水平中性轴的截面模量。②轨枕的压应力。仅对木枕进行计算。压应力σa＝Q/A，式中Q为钢轨压力；A为轨底或垫板与木枕接触的面积。③道床顶面的压应力。即道床顶面承受轨枕底面传来的压力，假定分布在轨枕两端长度为e的范围内(图2)，其值为p＝Q/be，式中Q为钢轨压力；b为轨枕宽度。最大压应力则乘以大于1 的系数，一般采用1.6。④路基顶面的压应力。一般随道床厚度的增加而减小，但道床厚度达到一定限度时，即使再增加道床厚度，路基面的压应力也不会再减小。以上均为对垂直方向的荷载所进行的计算，横向水平力，在直线上数量不大，约为静荷载的10～15％；在曲线上，视曲线半径大小，机车、车辆类型的不同而异，但一般也只为静荷载的50％以下。在普通线路上，纵向水平力数值很小，一般可不计算。
发展 中国1979年颁布的《铁路轨道强度计算法》中，对钢轨仅计算钢轨底部的纵向纤维应力，认为这是基本应力。但多年运营实践证明，钢轨在底部断裂的情况不多，而大多数钢轨伤损常发生在钢轨的顶面及钢轨的下颚。钢轨断裂也很少是由于钢轨的强度不够，而大都由于列车多次重复荷载所引起的疲劳。此外，在轨枕、道床及路基面的应力计算中，都假设压力是均匀分布，而实际上分布是很不均匀的。在当代的运营条件（重轴重、高速度、大运量）下，现行的计算理论及方法已远远不能适应形势的要求。自20世纪60年代开始，世界各国，如英、日、法、联邦德国等，相继对轨道力学、轮轨动力学等进行了大量研究。中国也于70年代开始了这方面的试验研究工作。但由于轨道结构的特殊，受力情况十分复杂，涉及因素很多，直到1984年，世界各国尚未能形成比较统一的计算方法。