重載鐵路橋墩運營性能研究

李峰幟

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 河北肅寧 062350）

重載運輸由于運能大、效率高等優(yōu)點，已經(jīng)受到世界各國鐵路運輸部門的青睞，并將成為未來鐵路貨運發(fā)展的必然趨勢[1]。與常規(guī)貨運鐵路相比，重載鐵路運輸?shù)闹饕攸c是列車編組增加，車輛軸重增大，運營密度增大，但是對橋梁的沖擊作用也隨之增大，必然導致橋梁結(jié)構(gòu)豎向和橫向振動加劇，甚至危及鐵路行車安全[2]。

在重載運輸中圓端型和圓柱型橋墩占了相當大的比例，本文以圓端型橋墩和圓柱型橋墩為主要研究對象，建立有限元模型計算分析了不同軸重不同速度情況下兩種類型橋墩橫向振動特性。結(jié)合朔黃鐵路多座橋梁的運營性能試驗，統(tǒng)計分析兩種類型橋墩的墩頂橫向振幅和自振頻率數(shù)據(jù)，對兩種類型橋墩的橫向振動特性進行了分析研究，為保證運營安全提供必要的技術(shù)支撐。

1 橋墩振動特性有限元分析

1.1 有限元模型

本文采用有限元計算軟件MIDAS/Civil 建立了8 m 高圓柱型橋墩和8 m 高圓端型橋墩模型，橋跨上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和約束會對橋墩的振動特性產(chǎn)生一定的影響，因此建立了兩跨32 m 簡支預應(yīng)力混凝土T 梁的全橋模型。模型中簡支梁和橋墩均采用梁單元，梁端約束為一端簡支一端固定，墩底約束為固定端約束，梁單元與橋墩連接采用彈性連接。分別計算C64、C70、C80,25t、C80,27t 列車以不同速度通過橋跨結(jié)構(gòu)時，橋墩的墩頂橫向振幅和橫向自振頻率，對比分析相同車型相同速度下圓端型與圓柱型橋墩的墩頂橫向振幅和自振頻率之間差異。建立的圓端型及圓柱型墩的有限元計算模型如圖1、圖2 所示。

1.2 列車荷載形式

橋墩橫向振動主要是由于車輛荷載的橫向搖擺力引起的，《鐵路橋梁動力學》中對橫向搖擺力與列車豎向力的關(guān)系做了統(tǒng)計分析，表明這種依賴關(guān)系是很大的，水平力和豎向力的比值的平均值為同樣水平橫向力作為速度和豎向力的函數(shù)進行線性回歸，得到如下方程式 Hy=a+bV+cF，式中，a、b、c 是回歸系數(shù)。結(jié)果也確證水平橫向力大約為豎向輪力的1/3[3]。目前重載鐵路運營列車主要包括C64、C70、C80 等車型，其中C64 列車軸重21 t，C70 列車軸重23t，C80 列車軸重分25t 和27t 兩種。按照橫向搖擺力和軸重之間的關(guān)系，本文在建立有限元計算模型時，在結(jié)構(gòu)上施加的移動節(jié)點荷載形式如圖3 所示。

圖1 圓端型橋墩計算模型圖

圖2 圓柱型橋墩計算模型圖

圖3 列車移動節(jié)點荷載圖

各車型荷載圖示中相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 各車型荷載圖示參數(shù)表

1.3 墩頂橫向振幅分析

橋墩結(jié)構(gòu)在移動荷載作用下墩頂橫向振幅值是評價橋墩運營性能的一個重要指標，本文主要通過有限元模型計算了C64、C70、C80,25t 以及C80,27t 列車分別以60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h 速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時，圓端型橋墩和圓柱型橋墩的墩頂橫向振幅值。計算結(jié)果如表2 所示。圓端型橋墩墩頂橫向振幅隨軸重及速度的變化關(guān)系如圖4 所示，圓柱型橋墩墩頂橫向振幅隨軸重及速度的變化關(guān)系如圖5 所示。

圖4 圓端型橋墩墩頂橫向振幅與軸重和速度關(guān)系圖

圖5 圓柱型橋墩墩頂橫向振幅與軸重和速度關(guān)系圖

從表2 和圖4、圖5 可以看出無論圓端型橋墩還是圓柱型橋墩，墩頂橫向振幅隨著軸重增加而增加，在一定速度范圍內(nèi)墩頂橫向振幅與速度關(guān)系不明顯，隨著速度變化墩頂橫向振幅出現(xiàn)一定的波動。相同軸重相同速度情況下圓柱型橋墩墩頂橫向振幅要遠大于圓端型橋墩墩頂橫向振幅值。

2 橋墩運營性能試驗分析

為了保證列車以規(guī)定的速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時，橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)激烈振動、防止車輪脫軌保證運營安全，需要鐵路橋梁橋墩具有足夠的剛度，為此《鐵路橋梁檢定規(guī)范》2004 版第10 章中，對橋墩的墩頂橫向振幅和自振頻率的限值做出了明確規(guī)定[4]，規(guī)定如表3 所示。

表2 列車以不同速度通過時墩頂橫向振幅表（單位：mm）

表3 墩頂橫向振幅限值表

2.1 墩頂橫向振幅運營性能試驗分析

統(tǒng)計了跨新滄保公路大橋、謝官廳中橋、西留肖中橋、南運河特大橋、嶺莊中橋等圓端型橋墩的有關(guān)參數(shù)和運營性能試驗數(shù)據(jù)，對比實驗數(shù)據(jù)和規(guī)范限值對橋墩運營性能進行評價分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 圓端型橋墩墩頂橫向振幅表

統(tǒng)計了跨石港公路1 號大橋、跨石港公路2 號大橋、子牙新河特大橋等圓柱型橋墩的墩頂橫向振幅通常值和實測值，統(tǒng)計結(jié)果如表5 所示。

表5 圓柱型橋墩墩頂橫向振幅表

對比表4 和表5 的數(shù)據(jù)可以看出圓端型橋墩的墩頂橫向振幅實測值均小于通常值，且實測值與通常值的比值較小，圓柱型橋墩的墩頂橫向振幅實測值大部分接近甚至超過通常值。

2.2 墩頂橫向振幅運營性能試驗分析

所測橋梁中圓端型墩橫向尺寸較大除南運河特大橋墩以外其他墩均為低墩，規(guī)范中對橋墩橫向自振頻率限值無要求。南運河特大橋墩橫向自振頻率通常值限值為3.45，實測值為3.5，該橋墩橫向自振頻率滿足要求。進行運營性能試驗的上述圓柱型橋墩的橫向自振頻率通常值和實測值統(tǒng)計如表6 所示。

表6 圓柱型橋墩自振頻率統(tǒng)計表

從上表可以看出各墩的橫向自振頻率實測值均小于橫向自振頻率通常值，說明實測各圓柱型橋墩橫向剛度不足，不滿足運營性能要求。

對比實測橋梁的圓端型和圓柱型橋墩的橫向自振頻率的數(shù)據(jù)，可以看出在運營橋梁中圓端型橋墩與圓柱型橋墩相比橫向剛度較大，更能滿足橋梁安全運營要求。

3 結(jié)論

本文以重載運輸下的圓端型橋墩和圓柱型橋墩為研究對象，通過有限元計算和運營性能試驗，對你兩種橋墩的橫向振動特性進行了對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過有限元模型計算分析，兩種橋墩墩頂橫向振幅隨列車軸重增加而增大，在速度變化范圍不大情況下，墩頂橫向振幅與速度關(guān)系不明顯。相同荷載形式情況下圓柱型墩墩頂橫向振幅大于圓端型墩，自振頻率小于圓端型墩。

（2）通過朔黃鐵路多座橋梁運營性能試驗，統(tǒng)計分析兩種橋墩的試驗數(shù)據(jù)，圓端型橋墩的墩頂橫向振幅和橫向自振頻率大部分滿足《橋檢規(guī)》規(guī)范要求，大多數(shù)圓柱型橋墩的墩頂橫向振幅和自振頻率，接近或不滿足《橋檢規(guī)》規(guī)范要求，因此對于目前正在運營的重載鐵路橋梁中圓端型橋墩的橫向振動特性要普遍優(yōu)于圓柱型橋墩。

[1]肇啟元.發(fā)展重載鐵路是提高運輸能力的主要途徑[J].能源基地建設(shè),1993(4):28～20

[2]錢立新.世界鐵路重載運輸技術(shù)的最新進展[J].世界軌道交通,2007(12):20～23

[3]曾慶元,郭向榮.列車橋梁時變系統(tǒng)振動分析理論與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,1999.201~209

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120 號,鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2004