行业要闻

 

【摘　要】广珠城际轨道工程中铁路桥梁大量采用跨径为32 m的双箱单室简支梁,桥墩设计为

花瓶式。由于桥墩结构尺寸较小,为保证工程的安全性,对采用该桥墩及相应基础后构成的双线简支梁桥进行动力分析,用脱轨系数、轮重减载率判断列车运行安全性,用Sperling指标判断乘坐舒适性,并利用空间有限元分析软件ANSYS对桥墩进行局部应力分析。分析结果表明:梁桥具有良好的动力特性及列车走行性,能够保证列车运行的安全性和乘坐舒适性;墩顶截面变宽段出现最大剪应力,墩顶操作空间倒角处出现最大主拉应力及正截面最大拉应力,最大主压应力出现在墩底截面,桥墩各项受力指标均能满足规范要求。

【关键词】铁路桥;简支梁桥;桥墩;设计;应力分析

 

1、工程概况

      广珠城际轨道交通工程穿越珠江三角洲中部,是珠江三角洲地区快速轨道交通网络的重要组成部分,正线为双线铁路,线间距为4.4 m,列车设计时速为200 km/h,沿线城市化程度较高。该工程中铁路桥梁大量采用跨径为32 m的双箱单室简支梁。结合梁部构造、景观要求及受力特性,跨径32 m的双箱单室简支梁设计采用花瓶式桥墩,桥墩外侧开10 cm深的装饰槽。由于该工程桥墩采用的结构尺寸较小,有必要对使用该桥墩后梁桥的动力性能及桥墩受力进行分析研究,以保证工程的安全性。本文仅对跨径32 m的双箱单室简支梁中墩高15 m以下的桥墩进行分析探讨,桥墩及上部结构示意见图1。

2、设计原则

2.1　设计荷载

      广珠城际轨道列车活载采用0.6UIC^[1]。结合荷载类型及车辆制式,设计中双线列车荷载按100%计算,不予折减;制动力或牵引力按列车竖向静活载的15%计算,当与离心力或无缝线路力同时计算时,则按列车竖向静活载的10%计算,双线桥采用1线制动力或牵引力。

2.2　位移控制

      桥墩刚度在铁路桥梁设计中是不能回避的问题,桥墩刚度过大,不经济,桥墩刚度过小,舒适性及安全性不能满足要求,因此该设计中对墩顶弹性水平位移控制进行了研究。

      《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002. 1 -2005)中规定墩顶纵向水平位移按进行控制,《京沪高速铁路设计暂行规定》(铁建设[2004]157号)中则对桥墩线刚度进行了控制。由于广珠城际轨道活载与ZK活载及中-活载相差甚远,速度目标值也不尽一样,因此该工程位移控制无法参照相关的设计规范。

该工程中,墩高15 m以下桥墩顺桥向墩身厚度统一采用1.8 m,横桥向墩底宽度统一采用4.0m。桥墩设计时,对不同的墩顶位移控制值下车桥动力响应情况进行了计算,经过分析比较,墩顶顺桥向及横桥向弹性水平位移均控制在以内时,桥梁的经济性、安全性及乘座舒适性均能达到较好的水平,同时,桥上无缝线路也能满足设计要求。因此,该工程中墩顶顺桥向与横桥向弹性水平位移采用下式进行控制:

    

      式中,L为桥梁跨度(m);Δ为包括由墩台身和基础的弹性变形以及基底土弹性变形、日照等引起的墩顶位移(mm)。

3、动力分析

      对广珠城际轨道中采用花瓶式桥墩及相应基础后构成的32 m双线简支梁桥的动力特性及列车走行性进行仿真分析与计算。根据《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》^[2]、《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》^[3],采用脱轨系数、轮重减载率来判断列车运行安全性,用Sperling指标来判断乘坐舒适性(或运行平稳性)。选取4种列车通过该双线桥作为计算工况。工况1:先锋号高速列车,行车速度为140~270 km/h;工况2:德国ICE3动力分散独立式高速列车,行车速度为200~350 km/h;工况3:法国TGV动力分散铰接高速列车,行车速度为200~350 km/h;工况4:国产动力分散独立式高速列车,行车速度为200~350 km/h。列车响应最大值结果及车桥动力分析评价结果分别见表1、表2^[4]。

     

      由表1、表2得出如下结论

      (1)在所有计算工况下,桥梁的动力响应均满足规范要求;表中4种列车的车体竖、横向振动加速度均满足限值要求,列车行车安全性均满足规范要求。

      (2)当4种列车以其相应行车速度通过桥梁(单线行车或双线对开)时,列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上。

      综上所述,广珠城际轨道中采用花瓶式桥墩及相应基础后构成的32 m双线简支梁桥具有良好的动力特性及列车走行性,能够保证列车运行的安全性和乘坐舒适性。

4、局部应力分析

      花瓶式桥墩在以往的桥梁建设中已得到广泛应用,但在使用过程中墩顶横向加宽段出现裂缝较为普遍,此处钢筋的布置形式直接影响到墩身的使用安全。

      图1所示花瓶式桥墩钢筋布置见图2。其中,斜筋用于抵抗墩顶斜截面应力及剪应力,操作空间(墩顶凹槽)底部2层钢筋网用于抵抗此处局部横向拉应力。

      设计中采用空间分析有限元程序ANSYS建立桥墩模型对该桥墩顶部横向加宽段进行局部空间应力分析。以横桥向为x轴,竖直向为y轴,顺桥向为z轴建立坐标系,模型采用Solid65单元,适当简化后共12 624个单元,每个节点上具有3个线性位移自由度。有限元模型见图3。由于在双线双孔重载(图1)作用下,主力+横向附加力为最不利荷载组合,此时桥墩的应力最大,起控制作用,因此本文仅列出在该工况下桥墩的应力计算结果。

      在双线双孔重载,主力+横向附加力工况作用下,墩顶支座反力为3 880 kN。由线弹性理论求得桥墩各部位应力情况如下:墩顶截面变宽段(支座下方)出现最大剪应力(1.013 MPa);墩顶操作空间(墩顶凹槽)倒角处出现最大主拉应力(1.99 MPa) 以及正截面最大拉应力(1.77 MPa);墩底截面出现最大主压应力(7.583 MPa),各项指标均能满足规范要求。对于操作空间倒角处出现的较大局部应力,设计中配置适当斜筋予以加强。

5、结　语

      广珠城际轨道交通工程于2005年12月18日动工兴建,预计2011年建成,将会成为珠三角西岸中山、珠海等地区的首条城际铁路。该工程铁路桥梁中跨径为32 m的双箱单室简支梁设计采用花瓶式桥墩,较好地解决了城市轨道交通对设计荷载、车辆制式及对景观的特殊要求,具有较好的经济性、美观性及适用性。目前该类型桥墩已施工完成。

 

参考文献:

[1]　中铁第四勘察设计院集团有限公司.广珠城际快速轨道交通工程桥梁设计荷载图式标准专题研究报告[R]. 2006.

[2]　TB/T 2360-1993,铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].

[3]　GB/T 5599-1985,铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

[4]　中南大学.广珠城际常用跨度简支梁桥动力特性及列车走行性分析报告[R]. 2006.