既有250 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁提速至300 km/h適應(yīng)性分析

趙健業(yè) 胡所亭 王巍

1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

隨著高速鐵路建設(shè)持續(xù)快速推進(jìn)，我國高速鐵路運(yùn)營里程突破4 萬km，已建成世界上最發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)［1］。在已開通運(yùn)營的高速鐵路線路中，250 km/h的線路運(yùn)營里程約為1.5 萬km，占比超過40%，是我國高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分。250 km/h 高速鐵路的提速，可有效提升其運(yùn)行品質(zhì)和效率效益，充分挖掘龐大的高速鐵路固定資產(chǎn)潛力，最大限度地增加客運(yùn)供給，進(jìn)一步優(yōu)化完善高速鐵路路網(wǎng)布局，實(shí)現(xiàn)全路效益最大化。提速后有利于科學(xué)合理地布局全國交通運(yùn)輸版圖，對實(shí)現(xiàn)我國各區(qū)域優(yōu)勢互補(bǔ)，助力欠發(fā)達(dá)地區(qū)解決發(fā)展不平衡不充分問題，推動(dòng)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施具有重要意義。為保證線路的可靠性和旅客乘坐舒適性，同時(shí)達(dá)到節(jié)約土地、保護(hù)環(huán)境等目的，我國高速鐵路優(yōu)先采用以橋代路形式［2］，且大量采用等跨布置的32 m 簡支箱梁。本文以32 m 簡支箱梁為例，研究其對250 km/h 提速至300 km/h 的適應(yīng)性，采用標(biāo)準(zhǔn)對比、現(xiàn)場調(diào)研、試驗(yàn)分析的方法研究簡支箱梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、養(yǎng)護(hù)維修情況、關(guān)鍵參數(shù)對提速的影響。

1 32 m簡支箱梁設(shè)計(jì)情況

2016 年之前編制的通用參考圖橋梁的設(shè)計(jì)依據(jù)為TB 10621—2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》［3］，2016 年編制的通用參考圖橋梁的設(shè)計(jì)依據(jù)為現(xiàn)行的TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］，后者橋梁部分沿用了前者的相關(guān)規(guī)定。

統(tǒng)計(jì)梁高和軌道結(jié)構(gòu)可知，250 km/h 高速鐵路有砟軌道32 m 簡支箱梁梁高主要分為2.5、2.8 m，無砟軌道32 m簡支箱梁梁高為2.5 m。

2 250 km/h達(dá)速前后橋梁情況對比

2.1 達(dá)速前后橋梁傷損情況對比

高速鐵路混凝土橋梁病害主要為附屬設(shè)施的耐久性病害，包括：①混凝土橋面欄桿風(fēng)化、欄片松動(dòng)缺失；②梁端止水帶淤積、掉落；③橋面泄水孔堵塞；④支座鋼制部分銹蝕，鋼構(gòu)件開裂等。這些病害主要由施工質(zhì)量缺陷引起，屬于橋梁耐久性病害。此外，部分路局管段存在橋梁徐變上拱、路橋過渡段沉降等，路橋過渡段沉降主要原因是施工質(zhì)量缺陷。

這些病害與速度相關(guān)性不強(qiáng)，多由施工質(zhì)量引起。根據(jù)達(dá)速試驗(yàn)前后現(xiàn)場橋梁情況調(diào)研對比發(fā)現(xiàn)，速度的提升并未顯著加速病害的發(fā)展，試驗(yàn)前后設(shè)備傷損情況基本相當(dāng)。

2.2 達(dá)速前后橋梁養(yǎng)護(hù)維修情況對比

我國高速鐵路大量采用工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)跨度梁，運(yùn)營多年后橋梁主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量完好，病害多為附屬設(shè)施的耐久性病害或初始施工質(zhì)量引起的病害，速度的提升并未顯著加速病害的發(fā)展。250 km/h高速鐵路達(dá)速試驗(yàn)前后，橋梁養(yǎng)護(hù)維修工作量變化不大。

3 關(guān)鍵參數(shù)適應(yīng)性分析

TB 10621—2014 給出了32 m 簡支箱梁的橋梁梁部及墩臺(tái)剛度的限值，除梁體豎向撓度限值、不需動(dòng)力檢算的豎向自振頻率限值與設(shè)計(jì)速度相關(guān)外，列車荷載圖式及動(dòng)力系數(shù)、豎向殘余徐變變形、梁體橫向變形限值、橋面板振動(dòng)加速度限值、梁端轉(zhuǎn)角限值、墩臺(tái)縱向和橫向水平線剛度限值、墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值對于設(shè)計(jì)250、300 km/h 的規(guī)定完全一致。因此，既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁適應(yīng)性分析與速度相關(guān)參數(shù)包括：梁體豎向自振頻率、梁體豎向剛度（撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角）、梁體豎向振動(dòng)加速度。

4 與速度相關(guān)參數(shù)分析

對貴陽—廣州鐵路32 m 簡支箱梁進(jìn)行提速適應(yīng)性試驗(yàn)，對與速度有關(guān)的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行分析。

4.1 梁體豎向自振頻率

32 m 簡支箱梁實(shí)測梁體豎向自振頻率見表1?？梢?，不同梁高梁體豎向自振頻率實(shí)測值大于設(shè)計(jì)值，且滿足TB 10621—2014 規(guī)定的設(shè)計(jì)速度300 km/h 不需動(dòng)力檢算限值的要求，表明既有250 km/h 高速鐵路32 m簡支箱梁豎向自振頻率能夠滿足提速至300 km/h的要求。32 m 簡支箱梁梁體豎向自振頻率實(shí)測值高于設(shè)計(jì)值的主要影響因素有混凝土實(shí)際彈性模量、二期恒載、梁軌相互作用、活動(dòng)支座摩阻等［5］。對于同類型梁，因混凝土實(shí)際彈性模量不同，且受活動(dòng)支座摩阻、梁體相互作用等因素影響，造成實(shí)測值有差異。

表1 32 m簡支箱梁梁體豎向自振頻率

列車對橋梁的豎向強(qiáng)振頻率主要取決于動(dòng)車組列車速度v和車輛長度d。由車輛長度引起的豎向強(qiáng)振頻率為v/（3.6d）［6］。由于軸距、定距、兩車相鄰轉(zhuǎn)向架的中心距造成的重復(fù)加載作用不連續(xù)，引起的強(qiáng)振頻率處于次要地位。我國動(dòng)車組列車車長一般為25 m，理論強(qiáng)振頻率為0.011v。當(dāng)動(dòng)車組列車以300 km/h及以下速度通過橋梁時(shí)，列車引起的豎向強(qiáng)振頻率小于3.5 Hz，小于32 m 簡支箱梁實(shí)測豎向自振頻率，梁體不會(huì)產(chǎn)生豎向共振現(xiàn)象。

4.2 梁體豎向剛度

國內(nèi)外規(guī)范均以靜活載作用下的撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角作為梁體豎向剛度控制指標(biāo)，不同梁高的32 m 簡支箱梁實(shí)測梁體豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角（換算至ZK 活載）分別見表2、表3。可知，32 m 簡支箱梁撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值高于TB 10621—2014 規(guī)定的相關(guān)限值要求，而實(shí)測值均小于設(shè)計(jì)值。這表明既有250 km/h 高速鐵路32m 簡支箱梁梁體豎向剛度能夠滿足提速至300 km/h的要求。

表2 32 m簡支箱梁梁體豎向撓跨比（換算至ZK活載）

表3 32 m簡支箱梁梁端豎向轉(zhuǎn)角（換算至ZK活載）

4.3 梁體豎向加速度

250 km/h 高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試最高試驗(yàn)速度為275 km/h［7］。隨機(jī)選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究跨中豎向振動(dòng)加速度與行車速度的關(guān)系，見圖1。可知，梁體跨中豎向振動(dòng)加速度隨行車速度提高而增大，未發(fā)生振動(dòng)過大和共振現(xiàn)象。

圖1 簡支箱梁跨中豎向振動(dòng)加速度與行車速度的關(guān)系

動(dòng)車組列車以275 km/h 及以下速度通過時(shí)，實(shí)測32 m 簡支箱梁跨中豎向振動(dòng)加速度最大值見表4。可知，不同軌道結(jié)構(gòu)類型、梁高的32 m 簡支箱梁跨中豎向振動(dòng)加速度最大值均小于TB 10621—2014限值。

結(jié)合圖1和表4可以推測，動(dòng)車組列車以300 km/h及以下速度通過既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁時(shí)，梁體跨中豎向振動(dòng)加速度均小于TB 10621—2014的限值，既有250 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁梁體豎向振動(dòng)加速度能夠滿足提速至300 km/h的要求。

表4 32 m簡支箱梁跨中豎向振動(dòng)加速度最大值

5 結(jié)論

1）TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了32 m 簡支箱梁的梁部及墩臺(tái)剛度的限值，設(shè)計(jì)250、300 km/h的高速鐵路橋梁大部分參數(shù)限值完全一致。

2）TB 10621—2014 規(guī)定既有250 km/h 高速鐵路車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析的檢算速度為300 km/h。既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)滿足提速至300 km/h的要求。

3）設(shè)計(jì)速度250 km/h 的32 m 簡支箱梁實(shí)測梁體豎向自振頻率小于設(shè)計(jì)值，且滿足TB 10621—2014 中設(shè)計(jì)速度300 km/h不需動(dòng)力檢算限值的要求。

4）設(shè)計(jì)速度250 km/h 的32 m 簡支箱梁梁體豎向撓跨比和豎向轉(zhuǎn)角實(shí)測值均小于TB 10621—2014 規(guī)定的設(shè)計(jì)速度300 km/h簡支箱梁豎向剛度限值。

5）動(dòng)車組列車以300 km/h 及以下速度通過250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁時(shí)，梁體跨中豎向振動(dòng)加速度均小于TB 10621—2014的限值。