格构桥面系在铁路拱桥上的应用

2014-06-26黎曙文

土木工程与管理学报 2014年1期

黎曙文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

国内铁路拱桥因为刚度限制一般采用整体性桥面[1]，对格构桥面系在铁路拱桥上应用研究的文献甚少；大部分车桥耦合分析文献均只对结构方案的列车运行安全性、舒适性进行评价，通过动力响应力分析确定结构形式研究的文献也较为少见。

本文以动力响应分析为基础，比较宜万铁路野三河不对称拱桥桥面结构形式，将车桥耦合分析与结构形式比选结合在一起，在方案前期，通过动力性能确定桥面形式，不失为铁路桥梁设计过程中值得推广的新思路。本文首次对铁路拱桥上采用格构桥面系的可行性进行论述，对推动格构桥面系在铁路桥上的应用具有重要的意义。

1 桥梁概况

1.1 桥式方案

野三河大桥位于宜万铁路巴东县境内，桥址处峡谷深窄，山坡陡峭，桥式方案采用1-124 m的钢管混凝土非对称坡拱桥，主拱跨度124 m，为不对称平行双肋复合钢管混凝土桁架坡拱桥，两拱脚高差为15.85 m，全桥立面图见图1。铁路等级：I级铁路，双线；设计车速：客车 160 km/h，货车 90 km/h；设计活载：中-活载。

图1 全桥立面布置/m

1.2 桥面系选择

相比公路市政桥梁，铁路桥梁活载效应占总效应比重大，本身结构的动力性能要求较高。野三河大桥作为国内首次设计的不对称钢管混凝土拱桥，桥型新颖，受力复杂。柔性吊杆、拱梁分离的设计导致结构整体刚度较低，为保证列车通过桥梁结构时走行安全、平稳及车乘人员的舒适性，桥面系采用整体性较强的箱梁方案(图2)是一种比较稳妥的办法。

但野三河大桥桥址处桥隧相连，地势险峻，大型机具设备难以进场，现场基本不具备箱梁施工条件。为解决复杂地形条件下的山区拱桥桥面系施工问题，在本桥设计中提出了三种桥面设计方案：(1)连续箱梁方案；(2)连续纵横梁格构方案[2]；(3)简支纵横梁方案。其中方案3存在整体性差及纵、横向刚度低等缺点，在本桥中该结构形式无法满足铁路桥梁动力性能要求，不予采用。连续纵横梁格构方案(图3)通过现场预制纵横梁；吊装横梁；横梁就位后逐列吊装纵梁，并通过湿接缝和预应力与横梁和前面就位的纵梁形成整体框架结构，现浇桥面板形成完整桥面系，和方案3相比，连续纵横梁格构方案增强了桥面刚度和整体性。

预应力混凝土纵横梁格构桥面系首次应用于铁路桥梁，该方案能否成功应用于铁路拱桥的关键在于，和整体性较强、刚度较大的连续箱梁方案相比，在牺牲了部分刚度的情况下，纵横梁格构方案在列车走行时的安全、舒适、平稳性上能否通过相关的指标限定。本文通过对桥面分别采用格构方案和连续箱梁方案的野三河大桥建立空间梁格模型，进行车桥动力仿真分析。通过对结构自振频率、列车运行安全性与舒适性进行评估，论述首次应用在铁路拱桥上的格构桥面系方案的可行性。

图2 箱梁方案截面/cm

图3 1/2纵横梁格构方案截面/cm

2 分析模型

2.1 车辆计算模型

所采用机车、车辆振动分析空间模型主要基于以下假定[3，4]：

(1) 轮对及车体沿行驶方向等速运动，即不考虑机车、车辆纵向振动；

(2)不考虑机车、车辆对桥梁振动影响，也不考虑行驶速度的影响；

(3) 假设列车、列车整个转向架或货车转向架的两侧架和轮对均为刚体；

(4) 轮对、转向架和车体均作小位移振动；

(5) 所有弹簧均按线性考虑，车辆所有悬挂系统间阻尼按粘滞阻尼计算；

(6) 沿竖方向，轮对与钢轨的竖向位移相同。

(7)轮对无转动自由度。

2.2 桥梁计算模型

拱肋、横联、吊杆及桥面系均采用空间梁单元进行模拟，建立全桥有限元模型，拱肋底部为刚接约束。

连续箱梁桥面系：截面按实际箱梁CAD图形导入，每一段桥面系在桥中心建立一根空间梁单元，吊杆与桥面系的连接通过横向刚臂相连，如图4所示。

纵横梁格构桥面系：将纵横梁离散成交错的空间梁单元，纵横梁之间约束为刚接，吊杆与横梁节点相连，如图5所示。

图4 桥面连续箱梁方案单元划分示意

图5 桥面纵横梁格构方案单元划分示意

列车行驶时竖向及横向振动较大，连箱梁桥面系纵横向整体性好，而且抗扭惯性矩大，纵横梁格构桥面系整体性相对较差；因此连续箱梁纵横向稳定性及动力性能必定优于纵横梁格构桥面系。

基于以上计算模型，按照动力学势能驻值原理并采用“对号入座”法则[5]形成计算矩阵，建立刚度、质量、约束矩阵。

2.3 车桥耦合分析激励源选择

激励源一般有二种方式：一种采用轨道不平顺谱，一种为实测的车体转向架振动加速度响应波形。第一种能反映出轮轨相互作用的微观关系，后者简单将实测的转向架振动加速度波形输入进去，求解车桥耦合系统响应。实际上，轮轨关系之间的相互作用是很难避免的，因此国内外大多数研究单位均采用轨道不平顺谱作为车桥耦合分析的激励源[6]。上世纪九十年代，我国就已经制定了主要干线轨向、水平及高低三种轨道不平顺谱，并与美国轨道谱进行了比较，如图6、图7所示。从下图可知，我国轨道不平顺功率谱，综合来看与美国五级轨道谱大体相当[7]。本次计算采用轨道不平顺谱作为车桥耦合分析的激励源。

图6 轨道方向不平顺功率谱

图7 轨道高低不平顺谱

2.4 轨道不平顺模拟

国内在进行车桥耦合分析时，一般情况下，轨道不平顺所采用样本选择的方式主要为二种：采用国外高铁轨道不平顺功谱通过时频转换，或者采用国外高铁实测值；采用国内在高速及准高速试验中实测的轨道不平顺样本，如：郑武线、广深线。

郑武线在1998年6月，于许昌至小商桥段进行了时速200 km/h及以上的综合动力学试验[8]，对线路轨道不平顺进行了实测。实测结果表明，该轨道不平顺样本不平顺最大幅值分别为水平7.81 mm、轨向5.5 mm及高低4.89 mm，其不平顺幅值大小在高速试验所提出的安全管理标准内，而且也控制在日本高铁轨道不平顺安全管理指标范围内，并小于法国高铁轨道不平顺保养标准。

本次分析采用郑武线实测轨道不平顺进行计算。

3 列车运行安全性与舒适性(平稳性)评价标准

列车运营的安全性采用轮重减载率及脱轨系数来评判，乘坐客车舒适性及货车运行平稳性采用Sperling公式来评判，公式具体内容如下：

式中：W为平稳性指标，W值越大，平稳性越差；J为振动加速度；F为振动频率；F(f)为与振动频率有关的函数。

按照GB 5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[9]及TB/T 2360-93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》[10]，并参照历史提速实测所采用评价准则。在进行车桥耦合仿真分析时，列车运营可靠性、乘坐舒适性及货车平稳性的评价指标详见表1。

表1 列车运行安全性、舒适性(平稳性)评价指标

4 桥梁自振特性分析

表2列出了配备箱梁桥面系和纵横梁格构桥面系两种不同方案的野三河大桥桥梁模型前10阶振型的频率和振型特征，表3列出相应模型前3阶振型图。计算表明：格构桥面系方案各阶自振频率均低于箱梁桥面系方案，两种方案的前三阶振型均为拱梁侧弯，从第四阶开始出现拱梁的竖弯，而高阶振型的振动特性相对比较复杂。这与一般钢管混凝土拱桥的动力特性相一致[11]。

表2 野三河大桥动力特性

表3 野三河大桥前3阶振型

5 车桥动力仿真分析

根据前述计算模型与计算原理，对箱梁桥面系和格构桥面系两种不同方案的野三河大桥进行车桥空间动力仿真分析，得到车桥动力响应，包括机车车辆的最大竖向与横向振动加速度、Sperling指标、轮重减载率、脱轨系数、轮对横向力、桥梁跨中竖向与横向动位移、桥梁跨中振动加速度、墩顶横向动位移与振动加速度等数据。

计算列车按旅客列车和货物列车两种考虑。旅客列车采用神州号电动车组(简称DDJ客车)进行计算；货物列车编组工况按至少布满中跨进行计算，本桥取编组工况为1辆DF4 内燃机车牵引20辆C62货车。客、货列车分别按单、双线方式通过采用不同桥面系的野三河大桥。

列车速度范围：

C62货物列车：50～90 km/h

DDJ动车组：160～220 km/h

表4列出了单、双线DDJ列车及C62货车通过时的结构振动响应时程结果，表5列出了单线及双线DDJ列车及C62货车通过时的列车振动响应计算结果。

从表4可知，列车以单线及双线行驶通过两种不同桥面系的野三河大桥时，拱顶及跨中最大竖向位移分别为7.82 mm、22.5 mm，小于规范限值150 mm；拱顶及跨中最大横向位移分别为5.76 mm、3.94 mm，小于规范限值30.8 mm；拱顶及跨中最大竖向振动加速度分别为0.43 m/s2、2.74 m/s2，小于规范限值3.5 m/s2；拱顶及跨中最大横向振动加速度分别为0.23 m/s2、0.36 m/s2，小于规范限值5.0 m/s2；桥梁的各项动力性能计算指标均在容许值之内。

表4 野三河大桥车桥动力仿真分析桥梁响应计算结果

表5 野三河大桥车桥动力仿真分析列车响应计算结果

从表5可知，机车及车辆的最大脱轨系数分别为0.45、0.48，小于规范限值0.8；机车及车辆的最大轮重减载率为0.41、0.54，小于规范限值0.6，列车行驶安全可靠。机车最大竖向振动加速度为2.33 m/s2，小于规范限值3.65 m/s2，机车最大横向振动加速度为1.69 m/s2，小于规范限值2.45 m/s2，而且机车行驶平稳性指标最大为3.09，小于3.10，机车行驶平稳性达到“良好”标准。

从表5还可知，旅客乘坐车辆振动竖向加速度为1.28 m/s2，小于规范限值1.3 m/s2；旅客乘坐车辆振动横向加速度为0.97 m/s2，小于规范限值1.0 m/s2；而且乘坐舒适性指标最大为2.73，小于2.75，乘坐舒适性达到“良好”标准。货车车辆振动竖向加速度为2.02 m/s2，小于规范限值7.0 m/s2；货车车辆振动横向加速度为2.17 m/s2，小于规范限值5.0 m/s2；而且乘坐舒适性指标最大为3.91，小于4.0，货车车辆平稳性达到“良好”标准。

对比格构桥面系和箱梁桥面系两种方案，格构方案虽然桥面整体刚度减弱，整体性低于箱梁方案，但通过车桥动力仿真分析表明，该桥面系方案同样满足列车行车安全要求，在列车行驶舒适性、平稳性指标指标上均达到了“良好”标准，为该桥面方案在复杂山区铁路拱桥上的应用提供了有力的依据。