新建時速400 km高速鐵路32 m簡支梁設(shè)計參數(shù)研究

班新林,蘇永華,張 楠,程澤農(nóng)

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

我國高速鐵路運營里程已超過2.3萬km，“四縱四橫”高速鐵路干線運輸網(wǎng)絡(luò)基本成型。中國居世界高鐵里程榜首，已建成全世界規(guī)模最大、運營速度最高的高速鐵路網(wǎng)，高速鐵路運營里程約占世界高速鐵路運營里程的50%以上。隨著社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，我國對于高速鐵路建設(shè)的實際需求越來越大，并規(guī)劃了“八縱八橫”高速鐵路干線網(wǎng)，同時存在發(fā)展時速400 km高速鐵路的需求。國外高速鐵路建設(shè)中，英國規(guī)劃的HS2線，全長220.5 km，計劃2017年開工，最初運行速度約為360 km/h(225英里/小時)，預(yù)留未來運營速度約為400 km/h(250英里/小時)的潛力。俄羅斯莫斯科至喀山高鐵，全長770 km，也提出了設(shè)計時速400 km的需求。因此，基于我國高速鐵路常用跨度簡支梁的建設(shè)情況，研究時速400 km高速鐵路 32 m 簡支梁的設(shè)計參數(shù)十分有必要。

1 設(shè)計參數(shù)

高速鐵路橋梁區(qū)別于普速鐵路橋梁的主要特征是須具有足夠大的剛度。我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中通過梁體撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角及梁體豎向基頻等限值保證梁體具有必要的豎向剛度。同時還要保持列車高速運行的平順性，主要指標(biāo)是梁體殘余徐變變形和工后基礎(chǔ)不均勻沉降。現(xiàn)行規(guī)范對時速350 km高速鐵路橋梁設(shè)計參數(shù)的主要規(guī)定如下[1-2]：

1)基頻。對于運行車長24～26 m 動車組、跨度不大于32 m 的混凝土雙線簡支箱梁的情況，規(guī)范給出了不需進(jìn)行動力檢算的豎向自振頻率限值。對于32 m梁(計算跨度31.5 m)，豎向自振頻率不應(yīng)小于150/L(L為跨度)，即4.76 Hz。

2)撓跨比。規(guī)范制定時，通過計算高速列車以各種速度通過不同跨度簡支梁時的車橋耦合振動響應(yīng)，獲得各種計算工況下的車輛振動加速度、輪重減載率、脫軌系數(shù)、橋梁振幅等，研究梁體不同豎向剛度時車橋的振動狀態(tài)，提出32 m簡支梁在靜活載作用下豎向撓跨比不應(yīng)大于1/1 600。

3)梁端轉(zhuǎn)角。對于采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉(zhuǎn)角使得梁縫兩側(cè)的鋼軌支點分別產(chǎn)生鋼軌上拔和下壓現(xiàn)象。當(dāng)上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時將導(dǎo)致鋼軌與下墊板脫開，當(dāng)墊板所受下壓力過大時可能導(dǎo)致墊板破壞。為了保證梁端扣件系統(tǒng)的受力及線路安全，減少運營期間的維修工作量，規(guī)定32 m簡支梁(梁端懸出長度0.55 m)在靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角限值為1.5‰ rad。

4)殘余徐變變形。軌道鋪設(shè)完成后，32 m無砟橋面預(yù)應(yīng)力混凝土梁的豎向殘余徐變變形不應(yīng)大于10 mm。

5)工后基礎(chǔ)不均勻沉降。高速鐵路橋梁墩臺基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計算，無砟橋面的32 m簡支梁在恒載作用下產(chǎn)生的工后基礎(chǔ)不均勻沉降不應(yīng)大于5 mm。

2 計算理論

以剛體動力學(xué)方法建立車輛模型，以有限元方法建立橋梁模型，假定輪軌之間密貼，以全過程迭代法求解車-橋動力耦合方程。分析中，車輛模型考慮6個自由度(見圖1)，其中車體2個自由度，每個轉(zhuǎn)向架各2個自由度，一系懸掛中的剛度和阻尼的影響不體現(xiàn)在剛度矩陣和阻尼矩陣中，而是后續(xù)步驟中在總體剛度矩陣中添加轉(zhuǎn)向架與橋面之間的垂向彈簧。質(zhì)量矩陣方面，考慮輪對質(zhì)量在豎向及扭轉(zhuǎn)方向上對橋梁總體質(zhì)量矩陣的影響[3]。

圖1 車輛子系統(tǒng)多剛體動力學(xué)模型示意

其他計算條件：

①車輛采用中國標(biāo)準(zhǔn)動車組。

②驗算速度至1.2倍設(shè)計速度，即100～480 km/h，每10 km/h一級。

③考慮梁端變形時用梁端過渡曲線模擬梁端區(qū)域軌道的變形曲線。

④考慮殘余徐變變形影響時，假設(shè)每一跨均發(fā)生相同的梁體上拱，且上拱形狀均為半正弦曲線。

⑤模型為5跨連續(xù)布置，支座為理想支座。

⑥考慮基礎(chǔ)沉降時，按5跨梁中的第1～2梁之間、第3～4梁之間的基礎(chǔ)沉降計算，每跨梁的工后基礎(chǔ)不均勻沉降曲線仍按直線考慮,如圖2所示。

圖2 梁端線路處理方法示意

⑦不考慮軌道不平順。

(1)

3 評判標(biāo)準(zhǔn)

采用的車橋動力響應(yīng)指標(biāo)：

①跨中動撓度應(yīng)不大于設(shè)計活載撓度(含沖擊系數(shù))，即列車通過時的跨中動撓度不應(yīng)大于(跨度×撓跨比×設(shè)計活載動力系數(shù))/2。

②跨中加速度不應(yīng)大于5.0 m/s2。

③輪重減載率限值取0.25。參考日本在確定新干線橋梁剛度限值時，不考慮軌道不平順情況下采用了反復(fù)出現(xiàn)的減載率不大于0.25[5]作為限值。

④不考慮軌道不平順的影響，在車體加速度規(guī)范限值基礎(chǔ)上考慮40%的安全余量，則車體加速度限值取0.6 m/s2(舒適度優(yōu)秀)、0.78 m/s2(舒適度良好)、1.2 m/s2(舒適度及格)[6]。

4 理論分析

1)動撓度

不同橋梁剛度(以靜活載撓度來表示，下同)，無徐變無沉降情況下跨中動撓度與列車運營速度的關(guān)系見圖3?？梢?，動撓度最大值發(fā)生在速度480 km/h左右，橋梁剛度越大，動撓度越小。最大動撓度3.43 mm，相當(dāng)于單線設(shè)計活載動撓度的0.311倍，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖3 無徐變無沉降情況下跨中動撓度與速度的關(guān)系

2)梁體跨中加速度

不同橋梁剛度、無徐變無沉降情況下梁體跨中加速度與列車運營速度的關(guān)系見圖4?？梢?，梁體跨中加速最大值發(fā)生在速度480 km/h左右，橋梁剛度越大，梁體跨中加速度越小。最大跨中加速度為2.63 m/s2，滿足限值要求。

圖4 無徐變無沉降情況下梁體跨中加速度與速度的關(guān)系

圖5 無徐變無沉降情況下輪重減載率與速度的關(guān)系

3)輪重減載率

不同橋梁剛度、無徐變無沉降情況下輪重減載率與列車運營速度的關(guān)系見圖5?？梢?，輪重減載率最大值發(fā)生在速度480 km/h左右，橋梁剛度越大，輪重減載率越小。最大輪重減載率為0.11，滿足限值要求。

4)車體加速度

不同橋梁剛度的情況下，車體加速度與列車運營速度的關(guān)系見圖6?？梢姡圀w加速度最大值發(fā)生在速度480 km/h左右，橋梁剛度越大，車體加速度越小。最大車體加速度為0.30 m/s2，舒適度優(yōu)秀。

圖6 車體加速度與列車運營速度的關(guān)系

5)徐變變形[7-8]、不均勻沉降的影響

通過分別設(shè)置徐變上拱5 mm、徐變上拱10 mm、沉降5 mm、沉降10 mm，計算車橋動力響應(yīng)。計算結(jié)果見表1?？梢姡孩傩熳冏冃魏筒痪鶆虺两祵訐隙扔绊戄^小;②徐變變形對梁體跨中加速度影響較大，徐變10 mm 時加速度超過限值;③徐變變形和不均勻沉降對輪重減載率影響均較大，徐變10 mm和沉降10 mm 時輪重減載率超限;④徐變變形和不均勻沉降對車體加速度影響均較大，徐變10 mm時舒適度不及格。

表1 徐變與沉降的影響計算結(jié)果

5 結(jié)論

1)速度在420 km/h以上時，車橋動力響應(yīng)急劇增大，動力響應(yīng)最大值均發(fā)生在最大計算速度(480 km/h)時。

2)橋梁剛度增加，車橋動力響應(yīng)減小。

3)徐變變形和不均勻沉降對動撓度影響較小，對梁體加速度、輪重減載率、車體加速度影響較大。

4)新建設(shè)計時速400 km高速鐵路32 m混凝土簡支梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建議值為：基頻限值150/L;撓跨比L/1 600;梁端轉(zhuǎn)角1.5‰rad(無砟);殘余徐變上拱5 mm;工后基礎(chǔ)不均勻沉降5 mm。其中撓跨比指標(biāo)維持既有標(biāo)準(zhǔn)，是因為在滿足基頻的條件下混凝土簡支梁均能滿足規(guī)范限值。對于梁端轉(zhuǎn)角的限值也維持既有標(biāo)準(zhǔn)，是因為其是軌道結(jié)構(gòu)靜態(tài)受力控制，并且在滿足基頻的條件下，混凝土簡支梁均能滿足規(guī)范限值。

5)對于時速400 km高速鐵路，由于徐變影響較大，建議預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁進(jìn)一步延后二期恒載上橋時間，降低殘余徐變變形。

綜上所述，對于32 m混凝土簡支梁，新建時速400 km高速鐵路設(shè)計參數(shù)基本與既有時速350 km高速鐵路設(shè)計參數(shù)相當(dāng)。

[1]國家鐵路局.TB 10002—2017 鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3]夏禾,張楠.車輛與結(jié)構(gòu)動力相互作用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[4]劉晶波,杜修力.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]王天福.車輛動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，1981.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]83號 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[7]王永寶,賈毅,廖平,等.混凝土收縮徐變預(yù)測模型對比分析[J].鐵道建筑，2017,57(8):146-150.

[8]姜嫚.基于實測數(shù)據(jù)修正的徐變預(yù)測模型在鐵路橋預(yù)拱度計算中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2014,54(5):5-8.