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铁路小半径大跨度曲线连续梁关键技术研究

2024-07-05 32 上传者：管理员

摘要：伴随着我国铁路建设的快速发展，曲线连续梁桥越来越多地应用于铁路建设中。铁路工程由于速度快、荷载重、跨度大，因此需要对铁路曲线连续梁进行专门研究，尤其是小半径大跨度曲线连续梁的关键技术研究。文章以洋吕铁路位于线路曲线半径为600 m的（65+114+114+65）m连续梁工程为例，对铁路小半径大跨度曲线连续梁关键技术进行了研究，利用有限元空间模型对主梁进行纵、横向受力进行了计算分析，对结构的强度、刚度等多种设计指标进行了检算，并根据计算结果指导优化设计。同时对结构进行了车桥耦合振动计算，对铁路小半径大跨度曲线连续梁和列车的动力响应进行了分析与评价。

关键词：
关键技术
大跨度连续梁
小半径曲线
有限元法
车桥耦合
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伴随着经济建设的发展，我国铁路曲线形桥屡见不鲜，有关曲线梁桥的研究、设计、建造、监控水平也取得了长足的发展。和直线连续梁桥相比，曲线连续梁桥具有线条流畅明快、外形优美、能够很好地适应地形特点、改善行车条件、缩短线路的里程从而降低工程造价等优点。同时随之而来的是曲线连续梁桥的不足：存在弯扭耦合严重[1]、内外侧支座受力不均、内外侧梁体受力不均、剪力滞效应明显、墩台受力趋于复杂等[2]。铁路工程由于速度快、荷载重、跨度大，因此需要对铁路曲线连续梁进行专门研究，尤其是小半径大跨度曲线连续梁的关键技术研究。

1、工程概况

洋吕铁路是我国《中长期铁路网规划》中普速铁路网“三门峡经禹州至江苏沿海港口铁路”的重要组成部分。项目建成后将串联起沿海的主要港口，实现市域铁路成网成环，打通铁路进港的“最后一公里”。线路支线段以（65+114+114+65)m连续梁跨越G328一级公路、老海堤道路、高压燃气管、规划南一主干河等诸多控制因素，同时此段线路平面曲线半径为600 m，并靠近另外一个半径为600 m的反向曲线。桥址平面图如图1所示。

2、主桥总体设计

2.1主桥总体布置

(65+114+114+65)m单线预应力混凝土连续梁为单箱单室变截面箱梁，主梁全长为359.5 m。边支点和跨中段梁高为4.4 m，中支点处梁高为8.9 m，梁底纵桥向按圆曲线变化。箱梁顶总宽为8.0 m，箱梁底宽为6.0 m，在中支点局部范围内加宽到7.8 m，在边支点局部范围内加宽到7.0 m。

图1桥址平面图

2.2主要技术标准

(1）线路情况：单线客货共线，有砟铁路。

(2）设计速度：80 km/h。

(3）桥面布置：桥梁顶面总宽8.0 m。曲线无声屏障。

(4）地震烈度：7度，Ag=0.05 g。

(5）轨底至梁顶高度：0.65 m。

(6）设计正常使用年限：主体结构设计使用周期为100年。

3、主梁计算结果

3.1主梁纵向计算结构分析

3.1.1强度检算

(1）主梁混凝土检算。运营阶段内力计算结果见表1所示，主梁各项指标均满足规范要求。

表1强度主要计算结果（受压为正、受拉为负）

施工阶段混凝土最大压应力在上缘为12.79 MPa，拉应力出现在下缘为-0.46 MPa，拉压应力均满足规范要求。

(2）预应力钢筋检算。预应力筋计算结果见表2所示，钢束应力及应力幅结果均能满足规范要求。

表2预应力钢筋计算结果

3.1.2刚度检算

(1）竖向挠度。ZKH静活载各工况组合下的主梁竖向变形计算结果见表3所示，均满足规范要求[3]。

(2）梁端转角。ZKH静活载作用下，主梁梁端转角为+0.759‰rad、-0.902‰rad，满足《铁路桥涵设计规范》表5.2.6-1中有砟轨道桥梁梁端转角的限值要求（小于3.0‰rad)[4]。

(3）工后徐变。大跨度混凝土主梁工后的徐变变形会造成轨道不平顺，从而影响列车行驶的安全性和乘坐舒适度[5]。主梁二期恒载上桥时间按终张拉后60 d进行计算，边跨、主跨理论计算的残余徐变变形（向上为正、向下为负）分别为+0.96 mm和-16.79 mm。根据现场具体情况，并结合恒载、活载影响、预应力张拉、温度、混凝土收缩徐变等影响因素，主梁按恒载+0.5静活载挠度考虑设置预拱度。

3.2主梁横向计算结构分析

横向分析时的活载，采用ZKH载特种荷载轴重，单个轴重250 k N，横向分布宽度取“轨底轨枕宽+顶板厚”。取3个典型的不同厚度腹板的截面进行检算，纵桥向取1 m梁长，采用Midas Civil有限元软件进行计算，截面内力及检算结果见表4所示[6]。经检算，横向框架截面应力强度及裂缝宽度均满足规范要求。

3.3支反力

在各种工况荷载组合情况下，各墩顶支座曲线内侧支反力均大于曲线外侧，详见表5所示。其中边墩支反力相差约540 k N，差值幅为15.9%；主墩支反力相差13 607～15 629 k N，差值幅为56.7%。

4、车桥耦合振动分析

4.1桥梁模型

分析模型采用Midas Civil有限元软件建立，车桥耦合振动计算取其前150阶模态，其中第150阶频率为50.661 3 Hz。计算时各阶模态阻尼比均取0.02。

表3竖向挠度计算结果（向上为+，向下为-）

表4不同厚度腹板的控制截面内力及检算结果

表5桥墩曲线内、外侧支点反力对比表

4.2计算工况

为分析桥梁振动、轨道随机不平顺、车辆运行状况等因素对主桥行车性能的影响，共采用K6转向架货车重车编组、空车编组及准高速客车编组三个工况参与计算[7]。

4.3桥梁动力响应分析与评价

(1）车桥耦合作用下，西港池特大桥主梁跨中最大竖向位移为31.19 mm（限值85.5 mm）；桥梁竖向加速度最大值为0.21 m/s2（限值3.5 m/s2）；横向加速度的最大值0.37 m/s2（限值1.4 m/s2）；梁端转角最大值为0.48‰rad（限值3‰rad）。上述桥梁响应均满足规范限值或参考标准要求。

(2）主梁最大扭转角为0.43‰rad，扭转引起的内外轨高差约0.6 mm，可满足桥梁和轨道结构的安全性要求。

(3）在检算车速范围内，桥梁运营动力系数约1.03，小于1.042的设计值。

4.4列车动力响应分析与评价

列车的动力响应应从行驶安全性及乘坐舒适性（车体平稳性）两方面进行评价。轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力等指标反映行驶安全性；车体加速度、Sperling指标等则反映乘坐舒适性[8]。

(1）在车速100 km/h内，机车竖向加速度最大为0.67 m/s2，横向加速度最大为0.56 m/s2，竖向平稳性指标最大为1.68，横向平稳性指标最大为1.52，轮重减载率最大为0.19，脱轨系数最大为0.20，轮轨横向力最大为37.98 k N，其安全性与舒适性指标均满足规范要求，平稳性为优秀。

(2）在车速100 km/h内，客车竖向加速度最大为0.73 m/s2，横向加速度最大为0.71 m/s2，竖向平稳性指标最大为1.83，横向平稳性指标最大为1.89，轮重减载率最大为0.11，脱轨系数最大为0.13，轮轨横向力最大为18.04 k N，其安全性与舒适性指标均满足规范要求，平稳性为优秀。

(3）在车速80 km/h内，K6转向架货车竖向加速度最大为4.60 m/s2，横向加速度最大为3.56 m/s2，竖向平稳性指标最大为3.44，横向平稳性指标最大为3.27，轮重减载率最大为0.57，脱轨系数最大为0.25，轮轨横向力最大为38.75 k N，其安全性满足规范要求，车体横向加速度合格，平稳性达到优秀。

5、结论

(1）该工程采用有限元软件对铁路小半径大跨度曲线连续梁的关键技术进行了计算与分析，对结构的各项技术指标进行了检算。从最终计算结果显示，梁部纵向强度、抗裂及应力运营阶段位移、横向框架截面等应力强度及裂缝宽度均满足规范要求，满足铁路相关技术变形沉降各项要求。

(2）在各种工况荷载组合情况下，各墩顶支座曲线内侧支反力大于曲线外侧支反力，支座选择时应考虑曲线对支座吨位的影响。

(3）针对主桥的车桥耦合振动问题，在多种工况下及最不利工况组合下开展了数值仿真计算分析。主梁的各项动力响应指标均小于规范限值或相关参考规定，满足桥梁和轨道结构的安全性、稳定性要求。车辆响应的舒适性、安全性指标均满足规范要求，平稳性为优秀。

参考文献:

[1]马坤全,张阳,郭玉坤.小半径曲线段铁路槽型梁力学性能及计算模型研究[J].桥梁建设, 2017(6):30-35.

[2]王存国,彭华春,段竑.铁路小半径曲线刚构-连续梁桥设计研究[J].铁道标准设计, 2017(8):55-59.

[3]王德志,薛照钧,陈顺平.客运专线铁路长大跨度曲线连续梁设计研究[J].铁道标准设计, 2009(1):28-30.

[4]寇延春.客运专线大跨度曲线连续梁变形研究[J].铁道工程学报, 2015(4):71-75.

[5]黄国兴,惠荣炎,王秀军.混凝土徐变与收缩[M].北京:中国电力出版社, 2012.

[6]白鹏宇,丁少凌,彭元诚,等.小半径曲线刚构-连续梁桥单箱双室主梁合理构造设计研究[J].世界桥梁,2018(3):7-11.

[7]孙善超,王卫东,刘金朝.小半径曲线动力学超限成因分析及影响因素研究[J].铁道建筑, 2012(2):82-86.