鐵路小半徑大跨度曲線連續(xù)梁關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 伴隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，曲線連續(xù)梁橋越來(lái)越多地應(yīng)用于鐵路建設(shè)中。鐵路工程由于速度快、荷載重、跨度大，因此需要對(duì)鐵路曲線連續(xù)梁進(jìn)行專門研究，尤其是小半徑大跨度曲線連續(xù)梁的關(guān)鍵技術(shù)研究。文章以洋呂鐵路位于線路曲線半徑為600 m的（65+114+114+65）m連續(xù)梁工程為例，對(duì)鐵路小半徑大跨度曲線連續(xù)梁關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，利用有限元空間模型對(duì)主梁進(jìn)行縱、橫向受力進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等多種設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了檢算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車橋耦合振動(dòng)計(jì)算，對(duì)鐵路小半徑大跨度曲線連續(xù)梁和列車的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞 小半徑曲線；大跨度連續(xù)梁；有限元法；關(guān)鍵技術(shù)；車橋耦合

中圖分類號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0046-03

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)鐵路曲線形橋?qū)乙姴货r，有關(guān)曲線梁橋的研究、設(shè)計(jì)、建造、監(jiān)控水平也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。和直線連續(xù)梁橋相比，曲線連續(xù)梁橋具有線條流暢明快、外形優(yōu)美、能夠很好地適應(yīng)地形特點(diǎn)、改善行車條件、縮短線路的里程從而降低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)隨之而來(lái)的是曲線連續(xù)梁橋的不足：存在彎扭耦合嚴(yán)重[1]、內(nèi)外側(cè)支座受力不均、內(nèi)外側(cè)梁體受力不均、剪力滯效應(yīng)明顯、墩臺(tái)受力趨于復(fù)雜等[2]。鐵路工程由于速度快、荷載重、跨度大，因此需要對(duì)鐵路曲線連續(xù)梁進(jìn)行專門研究，尤其是小半徑大跨度曲線連續(xù)梁的關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 工程概況

洋呂鐵路是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中普速鐵路網(wǎng)“三門峽經(jīng)禹州至江蘇沿海港口鐵路”的重要組成部分。項(xiàng)目建成后將串聯(lián)起沿海的主要港口，實(shí)現(xiàn)市域鐵路成網(wǎng)成環(huán)，打通鐵路進(jìn)港的“最后一公里”。線路支線段以（65+114+114+65）m連續(xù)梁跨越G328一級(jí)公路、老海堤道路、高壓燃?xì)夤堋⒁?guī)劃南一主干河等諸多控制因素，同時(shí)此段線路平面曲線半徑為600 m，并靠近另外一個(gè)半徑為600 m的反向曲線。橋址平面圖如圖1所示。

2 主橋總體設(shè)計(jì)

2.1 主橋總體布置

（65+114+114+65）m單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為單箱單室變截面箱梁，主梁全長(zhǎng)為359.5 m。邊支點(diǎn)和跨中段梁高為4.4 m，中支點(diǎn)處梁高為8.9 m，梁底縱橋向按圓曲線變化。箱梁頂總寬為8.0 m，箱梁底寬為6.0 m，在中支點(diǎn)局部范圍內(nèi)加寬到7.8 m，在邊支點(diǎn)局部范圍內(nèi)加寬到7.0 m。

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）線路情況：?jiǎn)尉€客貨共線，有砟鐵路。

（2）設(shè)計(jì)速度：80 km/h。

（3）橋面布置：橋梁頂面總寬8.0 m。曲線無(wú)聲屏障。

（4）地震烈度：7度，Ag=0.05 g。

（5）軌底至梁頂高度：0.65 m。

（6）設(shè)計(jì)正常使用年限：主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用周期為100年。

3 主梁計(jì)算結(jié)果

3.1 主梁縱向計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 強(qiáng)度檢算

（1）主梁混凝土檢算。運(yùn)營(yíng)階段內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表1所示，主梁各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

施工階段混凝土最大壓應(yīng)力在上緣為12.79 MPa，拉應(yīng)力出現(xiàn)在下緣為?0.46 MPa，拉壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋檢算。預(yù)應(yīng)力筋計(jì)算結(jié)果見表2所示，鋼束應(yīng)力及應(yīng)力幅結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。

3.1.2 剛度檢算

（1）豎向撓度。ZKH靜活載各工況組合下的主梁豎向變形計(jì)算結(jié)果見表3所示，均滿足規(guī)范要求[3]。

（2）梁端轉(zhuǎn)角。ZKH靜活載作用下，主梁梁端轉(zhuǎn)角為+0.759‰rad、?0.902‰rad，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.6-1中有砟軌道橋梁梁端轉(zhuǎn)角的限值要求（小于3.0‰rad）[4]。

（3）工后徐變。大跨度混凝土主梁工后的徐變變形會(huì)造成軌道不平順，從而影響列車行駛的安全性和乘坐舒適度[5]。主梁二期恒載上橋時(shí)間按終張拉后60 d進(jìn)行計(jì)算，邊跨、主跨理論計(jì)算的殘余徐變變形（向上為正、向下為負(fù)）分別為+0.96 mm和?16.79 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，并結(jié)合恒載、活載影響、預(yù)應(yīng)力張拉、溫度、混凝土收縮徐變等影響因素，主梁按恒載+0.5靜活載撓度考慮設(shè)置預(yù)拱度。

3.2 主梁橫向計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

橫向分析時(shí)的活載，采用ZKH載特種荷載軸重，單個(gè)軸重250 kN，橫向分布寬度取“軌底軌枕寬+頂板厚”。取3個(gè)典型的不同厚度腹板的截面進(jìn)行檢算，縱橋向取1 m梁長(zhǎng)，采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，截面內(nèi)力及檢算結(jié)果見表4所示[6]。經(jīng)檢算，橫向框架截面應(yīng)力強(qiáng)度及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3.3 支反力

在各種工況荷載組合情況下，各墩頂支座曲線內(nèi)側(cè)支反力均大于曲線外側(cè)，詳見表5所示。其中邊墩支反力相差約540 kN，差值幅為15.9%；主墩支反力相差13 607～15 629 kN，差值幅為56.7%。

4 車橋耦合振動(dòng)分析

4.1 橋梁模型

分析模型采用Midas Civil有限元軟件建立，車橋耦合振動(dòng)計(jì)算取其前150階模態(tài)，其中第150階頻率為50.661 3 Hz。計(jì)算時(shí)各階模態(tài)阻尼比均取0.02。

4.2 計(jì)算工況

為分析橋梁振動(dòng)、軌道隨機(jī)不平順、車輛運(yùn)行狀況等因素對(duì)主橋行車性能的影響，共采用K6轉(zhuǎn)向架貨車重車編組、空車編組及準(zhǔn)高速客車編組三個(gè)工況參與計(jì)算[7]。

4.3 橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析與評(píng)價(jià)

（1）車橋耦合作用下，西港池特大橋主梁跨中最大豎向位移為31.19 mm（限值85.5 mm）；橋梁豎向加速度最大值為0.21 m/s2（限值3.5 m/s2）；橫向加速度的最大值0.37 m/s2（限值1.4 m/s2）；梁端轉(zhuǎn)角最大值為0.48‰rad（限值3‰rad）。上述橋梁響應(yīng)均滿足規(guī)范限值或參考標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）主梁最大扭轉(zhuǎn)角為0.43‰rad，扭轉(zhuǎn)引起的內(nèi)外軌高差約0.6 mm，可滿足橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的安全性要求。

（3）在檢算車速范圍內(nèi)，橋梁運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)約1.03，小于1.042的設(shè)計(jì)值。

4.4 列車動(dòng)力響應(yīng)分析與評(píng)價(jià)

列車的動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)從行駛安全性及乘坐舒適性（車體平穩(wěn)性）兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軌橫向力等指標(biāo)反映行駛安全性；車體加速度、Sperling指標(biāo)等則反映乘坐舒適性[8]。

（1）在車速100 km/h內(nèi)，機(jī)車豎向加速度最大為0.67 m/s2，橫向加速度最大為0.56 m/s2，豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為1.68，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為1.52，輪重減載率最大為0.19，脫軌系數(shù)最大為0.20，輪軌橫向力最大為37.98 kN，其安全性與舒適性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，平穩(wěn)性為優(yōu)秀。

（2）在車速100 km/h內(nèi)，客車豎向加速度最大為0.73 m/s2，橫向加速度最大為0.71 m/s2，豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為1.83，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為1.89，輪重減載率最大為0.11，脫軌系數(shù)最大為0.13，輪軌橫向力最大為18.04 kN，其安全性與舒適性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，平穩(wěn)性為優(yōu)秀。

（3）在車速80 km/h內(nèi)，K6轉(zhuǎn)向架貨車豎向加速度最大為4.60 m/s2，橫向加速度最大為3.56 m/s2，豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為3.44，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為3.27，輪重減載率最大為0.57，脫軌系數(shù)最大為0.25，輪軌橫向力最大為38.75 kN，其安全性滿足規(guī)范要求，車體橫向加速度合格，平穩(wěn)性達(dá)到優(yōu)秀。

5 結(jié)論

（1）該工程采用有限元軟件對(duì)鐵路小半徑大跨度曲線連續(xù)梁的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了計(jì)算與分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢算。從最終計(jì)算結(jié)果顯示，梁部縱向強(qiáng)度、抗裂及應(yīng)力運(yùn)營(yíng)階段位移、橫向框架截面等應(yīng)力強(qiáng)度及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，滿足鐵路相關(guān)技術(shù)變形沉降各項(xiàng)要求。

（2）在各種工況荷載組合情況下，各墩頂支座曲線內(nèi)側(cè)支反力大于曲線外側(cè)支反力，支座選擇時(shí)應(yīng)考慮曲線對(duì)支座噸位的影響。

（3）針對(duì)主橋的車橋耦合振動(dòng)問(wèn)題，在多種工況下及最不利工況組合下開展了數(shù)值仿真計(jì)算分析。主梁的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)均小于規(guī)范限值或相關(guān)參考規(guī)定，滿足橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性要求。車輛響應(yīng)的舒適性、安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，平穩(wěn)性為優(yōu)秀。

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收稿日期：2024-01-29

作者簡(jiǎn)介：柴永飛（1988—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)及咨詢工作。