高速铁路桥梁设计特点

412 竖向刚度的限值
Z, m ax ≤ 3 10 作为
挠跨比 设计活载作用下 实际列车作用下
1 2 900～ 1 4 100 1 2 100～ 1 3 100 1 1 800～ 1 2 100 1 3 300～ 1 3 700 1 980 1 1 100 1 690 1 7 500～ 1 8 300 1 2 900 1 4 800 1 2 500
评定标准。 车体竖向、 横向加速度的最大值也约在中、 小
注: 表列连续梁跨度为中孔最大跨度。
413 横向刚度的限值
对竖向刚度所采用的评价尺度, 各国规范基本是一 致的, 即都用 “挠跨比” 的形式。 对于跨度 80 m 以下的中、 小跨度的桥梁,《暂规》 的规定见表 1。 按等跨布置的多跨简支梁的竖向刚度比单跨简支 梁要求高, 这是因为列车通过多跨简支梁时, 支座处转 角变大, 增加了轨道的不平顺, 车体竖向加速度比通过 单跨简支梁时大得较多。 如果仍以 0113 g 作为舒适度 的评定标准, 挠跨比的限值就应该更小。
3 桥梁设计荷载
对双线桥净空影响的重要因素是线间距 D , 它等于 交会列车相邻侧壁间净距 Y 加上 2 个交会列车宽 B 1、
B 2 一半之和, 即 D = Y + 1 2 (B 1 + B99- 02- 24 作者简介: 彭月 焱 木 (1936- ) , 男, 副总工程师, 教授级高工, 1958 年毕业于唐山铁道学院桥隧系。
式中, K 实 为实际列车换算均布荷载; K 设 为设计活 载换算均布荷载。
K 值大小随跨度不同而变化。 设计活载相对于中
成为控制设计的标准, 因而对桥梁经济性产生影响。 411 列车运行安全性和乘坐舒适性评判标准 桥梁刚度标准的制定是依据于运行安全性和乘坐 舒适性两个方面的评判标准决定的。 而各国所采用的标 准不尽相同, 本文仅以 “八五” 及 “九五” 研究中所采用的 评判标准为准。 41111 列车运行安全性评判标准 列车运行安全性主要指列车在桥上是否发生脱轨。 对这一问题, 车辆动力学是采用控制脱轨系数、 轮重减 载率及轮对横向水平力等参数的限值。 脱轨系数 Q P 是轮轨间横向水平力Q 与垂直力 P 的比值, 其允许值采用 《铁道车辆动力性能评定和试验 (GB 5599- 85 ) 和 鉴定规范》 《铁道机车动力性能试验鉴 (TB T 2360- 93 ) 两个标准。 在制 定方法及评定标准》 定规范时, (Q P ) m ax ≤0. 8 ～ 1. 0。 轮对竖向减载率△P P 是一侧车轮轴重的减载量 △P 和车轮左右侧平均轮重 P 的比值。GB 5599- 85 中 规定, 第二限度△P P ≤0160, 但这一指标均不控制, 在 纳规时采用了日本新干线确定桥梁竖向刚度限值时的
图 2 桥面宽布置示意
3. 1 桥梁设计活载图式—ZK 荷载
京沪高速铁路是一条客运专用线, 采用高、 中速列 车混跑的运输组织模式, 当速度发展到 300 km h 时, 按全高速模式组织行车。 因此, 在京沪高速铁路上, 高速 列车和中速列车共线运行, 而中速列车荷载大于高速列 车荷载。 京沪高速铁路桥梁设计活载采用 U IC 荷载图式, 其值为 U IC 荷载的 018 倍, 见图 3。 对于跨度小于 6 m 的结构, 采用 4×250 kN 的特种荷载计算。
表 2 几种跨度的挠跨比值
桥 型 中高度简支箱梁 钢筋混凝土连续梁、 刚构桥 钢筋混凝土斜拉桥 钢连续梁桥 钢斜拉桥 跨度 m
24 32～ 40 48～ 56 112～ 160 240 180～ 264 400
在研究中采用过斯佩林 (Sp erling ) 指标 W Z、 杰奈 威 (J anew ay ) 指标 J 、 限制加速度最大值标准 3 种指标。 不同指标对确定刚度的敏感程度很不一样, 而国内学者 们在认识上还有些分歧。 应该说这是在确定刚度限值时 存在的问题。 在中、 小跨度桥梁研究中, 采用限制车体加速度的 最大值作为评定标准。 即取车体竖向加速度 aV ≤0. 13 g ( 半峰值) , 车体水平加速度 a H ≤0. 1 g ( 半峰值) 。 大跨度钢筋混凝土桥, 取车体竖向加速度 aV ≤ 0. 125 g; 横向加速度 aH ≤0. 1 g 作为评定指标。 大跨度钢桥采用斯佩林指标时, 对刚度变化极为敏 感, 而对加速度影响不显著。 考虑到普速铁路桥梁规范 所采用的研究方法, 故用斯佩林指标W 跨度限值附近范围内。
力作用于轨顶。 世界上许多国家的规范也都采用水平集 中力形式来规定列车横向摇摆力。 车—桥动力响应计算表明, 高速列车每一轮对摇摆 力在速度为 350 km h 时, 最大值不超过 50 kN , 其大小 与轨道不平顺和运行速度等因素有关, 与跨度没有多大 关系, 而且轮对摇摆力的方向有左有右, 在同一跨度上 轮对摇摆力不会完全同向。 对于大跨度桥梁, 除保留采 用 100 kN 水平集中力检算小跨度构件外, 建议加用 115 kN m 均布荷载加载进行计算, 加载长度不超过列 车长度。
1 前 言
桥梁在高速铁路中占的比例较大, 主要原因是在平 原、 软土以及人口和建筑物密集地区, 通常采用高架桥 通过。日本在 1 953 km 高速铁路中, 桥梁总长 930 km , 占 48% 。韩国京釜高速铁路长 412 km , 桥梁总长约 135
km , 占 33% 。我国拟建的京沪高速铁路全长 1 307 km , 桥梁 ( 不计小桥) 长度达 432 km , 占 33% 。 高速铁路桥
4 桥梁刚度的限值
为了使高速铁路桥梁具有高平顺性, 以保证列车运 行的安全性和旅客乘坐的舒适性, 对桥梁竖向和横向刚 度比普速铁路有更高的要求, 对于大跨度桥梁, 其可能
图 3 设计活载图式
设计活载较实际运行的列车荷载大得较多, 常用荷 载发展储备系数 K 来衡量这种裕量。
K = 1K实 K设
( 3)
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桥梁建设 1999 年第 3 期
以线路等级系数 018 而得到的。 对于大跨度钢桥, 为简化计算, 仅采用 <2 作为动力 系数的算式, 且 L < 按影响线加载长度计算。 在中、 小跨度中, 为了减小动力作用的影响, 采用 U IC - 71 荷载作用下的动力系数时, 梁体还应满足自 振频率低限的要求。 对于大跨度桥梁, 梁体基频较低, 但 动力系数随着跨度增大而减小, 而且大跨度桥梁荷载裕 量很大, 因此跨度大于 100 m 的桥梁, 动力系数等于 1。 3. 3 横向摇摆力 高速铁路桥梁对摇摆力是取 100 kN 的移动集中
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标准, 即反复出现的减载率≤0125, 瞬时出现的减载率 ≤01375。 在研究高速铁路轨道平顺日常养护维修管理标准 中, 取轮轨横向水平力 Q ≤80 kN 作为限值, 它是以列 车过桥过程中 90% 以上的纪录点都小于上述值为准。
41112 乘坐舒适度指标
内, 舒适度斯佩林指标W Z 都较低。从方便制造和架设, 仍可不必对等跨多孔布置的孔数给予限制。 大跨度钢桥和钢筋混凝土桥的竖向刚度建议采用 下列限值。 钢桥: 梁式桥 f V ≤L 800; 斜拉桥 f V ≤L 650。 混凝土桥: f V ≤L 1 000。 应该指出, 上列刚度的限值是在设计活载且为双线 加载作用下的挠度值, 正如本文 311 的分析, 实际运行 的高、 中速列车荷载远低于设计活载, 在运营列车荷载 作用下的 “挠跨比” 是很小的。 表 2 列出了一些典型跨度 在设计活载和中速列车作用下的 “挠跨比” 值。
表 1 梁体竖向挠度限值表
跨度 m 单 跨 多 跨
L ≤24
桥梁的横向刚度是在工程实践中提出来的, 它所蕴 含的机理比较复杂, 因此各国家制定横向刚度限值时, 在理论研究的处理方法和尺度表征都不完全一致, 但大 多数国家的规范用了不同的形式对横向刚度作出规定。 《暂规》 中采用横向挠度与跨度的比值作尺度, 钢桥仍建 议取用桁宽与跨度的比值来表征。 各种跨度的桥梁都用 车体横向加速度不大于 011 g 作为舒适度指标, 但钢桥 采用斯佩林指标作为评定标准。 《暂规》 规定:“在列车摇摆力、 离心力、 风力和温度 作用下, 梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度 1 4 000” 。 中、 小跨度单孔简支梁, 车—桥动力响应计算结果 表明, 限制车体水平加速度不超过 011 g, 桥梁设计截面 均能满足安全性和舒适度的要求, 只需桥梁横向振动频 率≥415 H z 即可。 多孔等跨的简支梁, 当跨度≥ 40 m 时, 车体横向加速度稍大于 011 g, 可认为乘坐舒适度基 本满足。 产生这一现象的原因在于梁上可能出现 3 个转 向架, 从而增大了梁端转角。 对中、 小跨度梁挠跨比不控 制设计。 大跨度钢桥仍然采用主桁中心距 B 与跨度 L 的比 值作为横向刚度的参考指标。跨度 160 ～ 300 m 的梁式 桥 B L ≈ 1 12～ 1 18。 满足宽跨比的梁式桥, 一般在
2 双线桥梁的建筑限界和桥面宽度 2. 1 双线桥梁的建筑限界
图 1 双线桥建筑限界基本尺寸及轮廓
2. 2 桥面宽度
桥梁的建筑限界是依据于高速铁路机车车辆限界。 高速铁路电气化建筑限界的宽度为机车车辆宽度和运 行中车体横向振动偏移量并加一定安全裕量的总和, 定 为 4 600 mm ( 单线) 。 建筑限界的高度与接触导线高度、 结构高度、 对地绝缘距离及轨道维修预留抬高量等因素 有关。 建筑限界高度从轨面起算, 在一般情况下定为
Y 值大小取决于会车压力波的允许值, 它与列车运 行速度和机车的头型系数有关。 对于采用高、 中速列车 混跑时, 由于中速列车的设计和标准较低, 其会车压力 波的允许值也较低, 故中速车可能成为决定线间距标准 的控制因素。 根据初步研究的建议, 线间距采用 5 m 。 综上所述, 对于高速铁路双线桥梁的建筑限界基本 尺寸及轮廓见图 1。
梁技术标准要求高, 因而投资也较多。 桥梁设计和建造 对高速铁路的建设周期和造价都会产生重大的影响。 配合京沪高速铁路前期工作, 在 “八五” 和 “九五” 期 间, 对包括桥梁在内的土建工程作为国家重点科技项目 进行了系统研究, 制定了 《京沪高速铁路线桥隧站设计 ( 以下简称 ) 。 本文结合作者的工作实 暂行规定》 《暂规》 践并概括了研究者们在桥梁方面的一些研究成果, 系统 而扼要地阐述了高速铁路桥梁主要设计参数制定的依 据和结构构造特点。