高速铁路大跨度混凝土拱桥变形控制限值

2019-06-04郑晓龙徐昕宇陈克坚游励晖

中国铁道科学 2019年3期

郑晓龙，徐昕宇，陈克坚，游励晖

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

随着我国高速铁路建设的发展，截止2017年底，我国高速铁路运营里程达2.5万km。高速铁路建设不可避免地会跨越大江大河，西南地区山峰纵横、沟谷深切，需要采用高墩大跨结构。由于高速铁路对线路的平顺性、稳定性、可靠性等具有很高的要求，故要求高速铁路上的桥梁刚度大、列车通过产生的噪音低、维修养护方便，混凝土桥在满足这些要求方面具有突出的优点。上承式拱桥是山区高速铁路建设中一种适宜的桥型，具有结构刚度大、造价低等特点，已经在水柏、大瑞、云桂、沪昆、渝黔、成兰、成贵等多条铁路线的建设中得到了应用，如主跨416 m的云桂铁路南盘江特大桥为客货共线铁路跨度最大的混凝土拱桥，主跨432 m的沪昆客专北盘江特大桥为高速铁路最大跨度的上承式混凝土拱桥。

随着我国高速铁路建设的推进，科研人员已结合实际工程，开展了大跨度混凝土拱桥的一系列研究工作。但总体而言，前期研究工作多针对工程急需解决的关键技术问题，缺少对适用范围、设计参数、运营情况的综合研究。近年来的建设实践中也出现了一些新的亟待解决的问题，如温度和徐变造成的大跨度桥梁的桥面变形可看作长波不平顺，而长波不平顺对大跨度桥梁行车性能有很大的影响，列车通过大跨度桥梁时，受长波不平顺的影响，车辆和桥梁的空间耦合振动响应问题可能越发突出[1-3]。高速铁路设计规范中的长波不平顺限值已经无法适应建设的需求，成为制约桥梁设计的关键控制因素，急需修改完善；规范中的徐变变形控制值是针对小跨度桥梁制定的，无法适应大跨度桥梁建设的需求。目前有关长波不平顺限值及徐变变形允许值方面的车桥动力响应研究较少[4-7]，相关的研究成果更是有限。因此，开展长波不平顺对车桥系统的影响以及大跨度桥梁的变形控制限值研究的意义重大，能为相关的规范修订提供必要的数据支撑。

本文以某上承式混凝土拱桥为工程背景，通过车桥耦合分析方法，研究温度和徐变共同作用对车桥系统动力响应的影响，确定桥梁变形的控制指标和具体限值。

1 工程概况

该上承式混凝土拱桥的主跨为340 m，主拱圈为X型提篮拱形式，拱轴线为悬链线，拱轴系数为3.2，矢高为75 m，矢跨比为1/4.53。桥梁总体布置如图1所示。

拱肋截面采用钢筋混凝土矩形截面，拱脚处的拱肋高为11 m，跨中处的为6 m，宽为5 m，采用单箱三室截面，其中中间箱室为变宽变高截面，两边箱室为5 m等宽变高截面；拱肋之间在立柱的位置采用横撑进行连接。主梁为(12×29.6) m预应力混凝土等高连续梁，采用单箱单室截面。

图1 桥梁总体布置图(单位：cm)

2 车—桥系统耦合振动仿真

2.1 模型建立

采用商用软件MSC.PATRAN建立桥梁有限元模型，其中梁体、桥墩均采用空间梁单元模拟，墩梁间支座通过主从约束进行连接。对桥梁结构进行动力特性分析，典型自振频率见表1。

表1 桥梁典型自振频率及振型

车辆动力学模型在多体动力学软件ADAMS/RAIL中建立。车辆模型包括7个刚体模型，即1个车体、2个转向架和4个轮对，各刚体之间通过一系和二系悬挂系统连接。

最后，将有限元分析得到的桥梁结构刚度信息、几何信息和模态信息导入ADAMS/RAIL软件。车辆与桥梁之间通过轮轨接触形成车—桥系统耦合振动模型，如图2所示。桥梁的动力响应采用模态综合法进行求解，车辆的动力响应采用多体动力学方法进行求解。分析中，车辆轮轨接触斑采用赫兹接触理论计算；由于轮对在钢轨上存在着蠕滑，轮轨蠕滑力采用Kalker接触蠕滑理论计算[8]。

2.2 温度和徐变引起的桥面变形

受温度和徐变的影响，拱上梁和拱圈产生的变形最终反映为桥面的竖向变形。在降温13 ℃情况下，温度变化引起的桥面竖向变形值如图3所示。混凝土徐变是长期发展的过程，由于施工过程较短，徐变的具体影响在成桥之后几年较为明显，本文将成桥后10年的徐变变形作为原始徐变变形，原始徐变变形曲线见图3。

图2 车—桥系统耦合振动模型

图3 降温和徐变引起的桥面竖向变形曲线

2.3 轨道不平顺

由于桥面的变形会引起桥上轨道发生同步变形，桥面竖向变形可视作轨道的附加不平顺。轨道不平顺对车桥系统振动响应有重要影响，其中长波轨道不平顺对舒适度的影响很大，对于行车舒适性要求很高的高速铁路，长波不平顺可能成为影响车桥动力响应的控制性指标。

本文分析中，轨道自身不平顺采用德国低干谱进行模拟，将温度和徐变引起的桥面竖向变形作为轨道的附加不平顺叠加进轨道自身竖向不平顺中，形成车桥分析中的轨道等效不平顺。

由于桥址区温度较为稳定，分析中温度作用考虑为降温13 ℃(如图3所示)，而徐变是个发展的过程，因此，考虑温度和徐变共同作用时，温度产生的桥面变形为恒定曲线，徐变产生的桥面变形为原始徐变变形基础上乘以不同的徐变倍数，其中1.0倍徐变倍数则为原始徐变。

为避免不平顺在桥梁梁端发生突变，在列车入桥前和出桥后各设置一段轨道不平顺作为进、出桥时的过渡段。以温度与原始徐变引起的变形为例，叠加后的轨道等效高低不平顺曲线如图4—图5所示。

图4 左轨等效高低不平顺曲线

图5 右轨等效高低不平顺曲线

3 动力响应结果分析

考虑温度和徐变共同作用下，CRH3和CRH2型列车以不同车速通过桥梁时车辆的动力响应结果如图6和图7所示。

图6 CRH3型列车的车辆动力响应结果

图7 CRH2型列车的车辆动力响应结果

由图6和图7可以看出，在温度和原始徐变共同作用下，车桥系统的动力响应均能满足规范要求。随着徐变倍数的增大，脱轨系数、轮轴横向力和横向加速度这3个指标的变化幅度极小，说明其温度和徐变变形造成的长波不平顺很不敏感。轮重减载率随徐变倍数的增大有一定的变化，但幅度较小，轮重减载率对长波不平顺也不敏感。车体竖向加速度变化幅度显著，随着徐变倍数的增大，车体竖向加速度显著增大。

CRH3和CRH2型列车在各临界工况(响应值达到规范限值)下通过大跨度拱桥时的舒适度指标见表2。从表2可以看出，在各速度对应的临界工况，随着车速的提高，CRH3型列车的横向和竖向Sperling指标呈增大趋势；而CRH2型列车的横向Sperling指标增大，但竖向Sperling指标呈逐渐减小趋势。这是由于温度和徐变引起的桥面变形为竖向不平顺，其对横向Sperling指标几乎无影响。

表2 各临界工况下的车辆舒适度指标

CRH2型列车在低车速时临界工况下的桥面变形对应的附加不平顺较大，导致其竖向Sperling指标较大。

4 变形控制限值

考虑温度和徐变共同作用，随着徐变倍数的增大，车辆响应均为竖向加速度超限。2种车型在各临界工况对应的徐变倍数和温度与徐变引起的桥面变形最大值见表3。

表3 各临界工况下的徐变倍数及桥面变形

图8和图9分别是CRH3和CRH2型列车在各临界工况对应的温度与徐变作用下桥面变形曲线。由图8和图9可以看见：尽管拱上梁和拱圈受温度和徐变作用会引起拱上梁的竖向变形，但由于其沿桥梁纵向为均匀、渐变地发生，可看作全桥范围的“局部区域沉降”，其为全桥范围产生的长波不平顺，这种“波长长、幅值小”的长波不平顺，基本上不影响列车行车安全性指标，对横向和竖向Sperling舒适性指标会产生一定的影响；但幅值较小，对舒适性指标影响不大。