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高速铁路中小跨度桥梁竖、横向刚度限值及合理分布的研究

2015-07-13 03:07:29中国铁路招标网

  第一作者简介:高岩(1968―),男,工程师。1992年毕业于西南交通大学桥地系土建结构专业,获硕士学位。电话:(0755)3904高速铁路中小跨度桥梁竖、横向刚度限值及合理分布的研究高岩张煅(铁道部科学研究院铁道建筑研究所北京100081)舒适度、车体加速度及桥梁振动响应等方面指标,提出高速铁路中小跨度桥梁竖、横向刚度限值及其合理分布。

  1前言本课题在总结我国铁路科研机构有关高速列车作用下桥梁振动研究成果的基础上,进一步研究、完善车辆与桥梁动力相互作用的理论,研究桥梁竖向及横向动力响应,并从车辆运行安全性(指标有脱轨系数、轴重减载率)、乘座舒适度(Sperling指标、Janeway指标)、车体加速度及桥梁振动响应等方面入手,全面分析车辆、线路及桥梁等3方面的参数对车辆桥梁这一弱耦合系统响应的影响,进而提出高速铁路中小跨度桥梁竖、横向刚度限值及合理分布。

  主要研究范围、内容及所要达到的目标如下:(1)列车设计速度350 km/h (2)主要研究高速列车对中小跨度混凝土桥(L≤80 m)的影响,侧重点在于车桥系统的横向振动响应。

  (3)主要研究内容①分析、总结以前的研究成果及八五科技攻关项目中有关高速铁路桥梁的有关内容。

  ②高速机车车辆与桥梁整体(梁体、桥墩、基础)相互作用的动力仿真理论、方法和计算软件。

  ③利用这一动态设计通用程序研究高速列车以不同速度通过桥梁时,桥梁的整体刚度(桥梁竖、横向刚度,墩台横向刚度,支座刚度)限值及合理分布原则。

  ④研究桥梁整体自振特性以及高速下车桥系统的振动特性,给出高速铁路桥梁竖、横向振动频率限值。

  2国内外研究概况2.1国外研究概况随着铁路工程的不断修建和列车运行速度的提高,车辆、桥梁的振动问题越来越引起了人们的重视。世界各国铁路工作者为此进行了大量的现场实测,还进行了大量的理论分析与计算,限于当时的认识水平与计算手段,这些理论分析的模型很简单、粗糙,没有考虑轮轨关系,不能将车体、轮轨、桥梁这三者当成一个有机的动力体系来进行分析,因而在这个领域尚不能进行系统的较为精确的理论分析。近代,特别是20世纪60年代开始,日本及德国、法国等一些欧洲国家陆续修建了一些高速铁路线。随着列车速度的提高、桥梁跨度的加大,列车过桥时所引起的车、桥动力响应也相应增加,迫切要求解决高速列车过桥的动力响应问题,而且随着轮轨关系的研究深入,车辆模型的日臻完善,特别是计算机的出现及计算机力学的发展,人们对车桥问题的研究从质到量都产生了飞跃性进展。但根据收集到的资料来看,各国都在车桥竖向振动问题上研究较多而对车桥横向振动问题研究很少。

  2.2国内研究概况我国车桥问题的研究自60年代起,铁道部科学研究院与各路局桥检队密切配合,对我国铁路中小跨度桥梁标准设计的混凝土及钢桁梁进行了大量的桥梁

  实测。由于条件所限,试验荷载均以蒸汽机车为主,当时的试验目的只是对已有的规范中的冲击系数给予验证和修订。

  70年代末80年代初以后,我国对车桥相互作用的理论研究逐步深入开展。在七五科技发展规划重大研究项目―――基于可靠度理论制定铁路桥跨结构设计规范课题中,铁科院铁建所桥梁室振动专题组将车桥竖向相互作用的理论分析成果运用于制定铁路桥梁冲击系数上海铁道学院的曹雪琴教授运用车桥相互作用的理论分析了钢梁的竖向刚度问题,并对钢梁的横向刚度问题进行了实测及理论分析研究长沙铁道学院的曾庆元教授利用桁段有限元及动力学势能驻值原理及其所形成的对号入座法则,分析了钢桁梁横向摇摆力的计算方法北方交通大学陈英俊教授及夏禾教授首次将车、桥、墩作为一个联合动力系统分析桥梁的横向振动问题。

  1990年,铁科院铁建所桥梁室振动专题组承担了广深线既有桥梁检定、评估及加固技术的研究及准高速铁路桥梁设计参数的制定课题。首次将车桥相互作用的计算程序运用到对既有桥梁运行160 km/h准高速列车下的安全评估的实际中去,并利用车桥相互作用的理论分析制定出准高速铁路桥梁设计的主要参数。并于1994年广深准高速列车开通时对主要桥梁进行了测试,测试结果证明在1990年给出的既有桥梁评估方案和准高速行车下的桥梁设计参数是正确的。

  3本课题的研究思路3.1高速铁路中小跨度桥梁竖向、横向刚度限值及合理分布的研究高速列车通过桥跨结构时会激励起桥梁的振动,而桥梁的振动反过来又要影响车辆的振动。本研究的内容就是要使高速列车通过桥梁时满足行车安全性、舒适性的条件下给出桥梁最小竖向与横向的刚度限值,进一步探索中小跨度桥梁的振动机理与规律。

  首先用车辆和桥梁结构空间相互作用的理论初步分析了桥梁的横向动力性能,并对这一问题进行了有益的探索和研究。但由于影响车桥横向相互作用的因素还不十分清楚,动力学模型比较复杂,以及一些主要参数也难以确定,因此,用车桥横向相互作用理论分析桥梁的横向动力性能尚有一定难度。

  3.1.1研究的基本方法(1)车辆及桥梁的动力学模型车辆车体、构架及轮对沿列车运行方向(纵向)的振动对桥梁的竖向及横向振动几乎无影响,因此在车辆模型中一般不需要考虑车辆各刚体沿列车运行方向的振动,于是每一刚体有5个自由度,分别是沉浮、横摆、侧滚、点头及摇头振动型态。对于轮对,其独立的自由度仅横摆和摇头2个。

  高速机车和客车一般都是4轴车,故每辆车应有车体、前后转向架各5个自由度,4个轮对2个自由度,因此,总共应有23个自由度。

  桥梁采用空间梁单元模型,每个节点6个自由度,梁与墩之间的联络根据实际约束条件采用主从关系采用一致质量规律,阻尼为比例阻尼,低阶频率对应的阻尼比一般取2 ~5 .

  (2)计算方法根据前面的车桥模型,并由各种假设,推导出车辆及桥梁的运动方程(略)。在运动方程中,考虑轮轨之间的动力作用,而且假定轮轨接触几何关系,蠕滑率与轮轨力的关系均为线性。由于列车过桥时车辆与桥梁是一个振动系统,振动方程在任意时刻都应满足力的平衡及变形的协调条件,故车辆与桥梁的联系方程即为轮、轨之间力的平衡方程。

  计算中考虑轨道不平顺的影响,所用的轨道不平顺样本为广深准高速轨道不平顺样本,因我国现无高速铁路(正在施工的秦沈线有一段为高速线),故根据国家八五科技攻关项目高速铁路线桥隧桥设计参数选择的研究之子题高速铁路轨道不平顺日常养护维修管理标准的研究中有关各种不平顺的限值进行折算,模拟得到高速铁路轨道不平顺样本。

  3.1.2广深线石龙、石滩大桥的计算分析与实测验证广深准高速铁路线上石龙大桥(40 m 3×72 m 40 m)为5跨连续箱梁,石滩大桥为64 m双线下承式栓焊钢桁梁。铁科院铁建所对其进行了70~170 km/h的过桥列车振动实测,研究中利用铁建所提供的桥梁及车辆的资料对其进行了桥梁自振特性的计算及车辆、桥梁空间耦合振动计算。从试验结果与计算结果的对比可见,无论从定性上还是从定量上,理论计算与实测反映的规律是一致的,但由于桥梁

  理论计算不能包含如摩擦等因素提供给桥梁的阻尼和刚度,同时对地基基础也无法精确模拟,因而理论计算与实测值有一定差异属正常。通过计算说明分析的理论模型及编制的程序是正确可用的。

  3.1.3高速铁路桥梁竖向、横向刚度合理值的评判标准经仔细分析、筛选,拟采用以下指标作为评判桥梁竖向、横向刚度合理值的评判标准:(1)脱轨系数脱轨系数Q/P是轮轨间横向水平力Q与垂直力P的比值,研究结果认为脱轨系数(Q/P)km/h),能够保证高速列车的行车安全。

  (2)轮重减载率轮对在运行过程中由于振动,其动轴重可能比静轴重小,从而导致脱轨。研究中按列车通过单跨桥梁减载率不大于0.375 ,多跨桥减载率不大于0.25作为检验桥梁刚度满足行车安全性的标准。

  (3)轮轨横向水平力Q的标准研究中以Q≤80 kN作为限值标准,但不是指一个瞬时值,而是以车辆过桥过程中90 以上记录点都小于80 kN作为限值标准。

  (4)舒适度指标研究中采用国家八五科技攻关项目―――高速铁路轨道不平顺日常养护维修管理标准的研究中所采用的舒适度限值标准,取为竖向加速度a不大于0.13 g(半峰值),水平加速度不大于0.10 g(半峰值)。

  (5)桥梁振动幅值评判标准研究中参照桥梁检定规范,提出桥梁振幅A(半峰值)限值标准为:式中:A―桥梁振幅,mm L―桥梁跨度,m.

  3.1.4桥梁竖向、横向刚度限值及合理分布的计算分析为了讨论高速铁路桥梁竖向、横向刚度的限值标准,研究中采用改变梁截面刚度的办法来进行计48 m和56 m共7种跨度的单跨简支梁桥,每一种跨度将梁截面的竖向刚度以0.8UIC活载作为设计活梁高来探讨竖向刚度的限值标准。另外以100 kN横向力作用于轨面,将梁截面按横向挠度跨比1/2刚度数值来探讨横向刚度的限值标准。对每一种跨度共计算14种拟定截面尺寸的简支梁结构。对每种截面计算速度以100~360 km/h(20 km/h一个间研究中除讨论了单跨问题外,还以10跨等跨布置的多跨简支梁桥为对象,计算分析了多跨桥,一般都能满足行车舒适性与安全性的要求。为探讨竖向、横向刚度的限值标准,采用了单跨分别按竖向横向挠跨比拟定梁的刚度,然后计算各种截面下车辆与桥梁的动力影响。最后,通过改变桥墩的刚度计算桥墩的刚度对不同速度行车时车辆与桥梁的响应。

  4主要结论(1)高速铁路中小跨度桥梁竖向、横向刚度限值为了考虑避免车辆、桥梁的过激振动(共振)及列车运行的安全性和乘座舒适性,并参考国内外的研究经验及本研究的成果,给出高速铁路中小跨度桥梁竖向、横向限值,。

  跨度/m荷载类型高速列车0.8UIC UIC高速列车0.8UIC UIC单跨多跨中小跨度桥梁设计截面的横向刚度一般都比保证行车安全性与舒适性所要求的刚度大得多。一般说来横向挠跨比不大于1/4 000 ,且32 m以下跨度梁横向自振频率在4.5 Hz以上,行车安全性舒适性及桥梁横向振幅都在允许范围内,32 m以上跨度横向振幅相对较小。所以,本研究建议采用横向挠跨比1/4 000作为中小跨横向刚度限值。桥梁

  (2)对于24 m及其以下跨度简支梁,要使其动力系数不过大,应限制结构的竖向自振频率,一般不应低于4.5Hz.

  (3)计算24 m、32 m、40 m多跨简支梁与墩台系统在列车与平均静风载(有车最大风力)作用下的车桥系统响应,静风力对系统加速度、摇摆力、舒适度指标等影响很小。

  (4)下部结构刚度的减小将增大上部结构振幅,但利用普通铁路现行标准设计图的桥墩与高速铁路上部梁组成的结构体系,仍然能满足车辆运行的安全性与舒适性。

  (5)通过对高速铁路中小跨度多跨桥梁的研究发现:列车通过等跨多跨布置的梁时,车体竖向加速、轮重减载率及动力放大系数都较单跨为大。32 m及其以下跨度的多跨桥,车辆运行舒适度是有保障的,桥梁横向刚度大小对车辆运行舒适度几乎无影响,影响车辆振动加速度大小的主要因素是列车运行速度和轨道的不平顺。在高速铁路中采用多跨布置时,40 m以下跨度可以采用多跨简支布置, 48 m及56 m跨度梁不宜采用多跨等跨简支的布置形式,如果采用这种布置形式,则应考虑在梁与梁之间加强横向联系的措施,即可以设计成竖向简支而横向近似连续的结构,这样有利于减小梁端处横向折角的变化,使列车舒适而安全。

  1王福天。车辆动力学。北京:中国铁道出版社, 1986 2曹雪琴。桥梁结构动力分析。北京:中国铁道出版社, 1987顶进技术在铁路框架桥施工中的应用郑修杰(中铁第十四工程局三处山东兖州270)较详细的总结。

  1概述淮南夏郢孜铁路跨公路立交桥位于淮南市谢家集区,淮张线K10 处,是联接淮南市西部矿区的唯一通道,为3孔(8 m 16 m 8 m)斜交不连续框架桥,桥宽7 m,桥中心线与铁路中心线交角为78°38′。铁路为单线,每d行车10对。该桥位于煤矿塌陷区,地质条件一般,除表层1.5~2 m厚回填土外,其余均为裂隙黄土,地基承载力f = kPa ,地下水不发育。中孔16.5 m跨箱身采用顶进施工,顶程19.6 m.边孔8 m跨采用六四式军用梁组拼的施工便梁负载线路,现浇施工。本文重点介绍16.5 m跨箱身顶进施工工艺。

  2施工工艺铁路框架桥顶进施工的原理是:根据地形条件,在既有铁路一侧开挖工作坑,现浇滑板,在滑板上预制钢筋混凝土框架桥,修筑后背开动高压油泵,顶镐通过传力设备借助于后背的反作用力将框架桥向前推进。待推进一个顶程后,在空挡处放顶铁,挖运出一个顶程距离,进入下一个顶进循环,直到整个框架桥顶进就位为止。

  现将主要部分分述如下:2.1打后背钢轨桩本桥顶进后背设计为钢轨桩式,因此开挖工作桥梁

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