铁路悬索桥设计活载模式与结构合理刚度标准研究

2021-01-09辛杰

铁道建筑 2020年12期

辛杰

（中国国家铁路集团有限公司建设管理部，北京100084）

大跨度悬索桥的设计没有现成的经验可循，TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》、TB 10621—2017《高速铁路设计规范》等设计规范对大跨度悬索桥的加载长度和结构刚度2项重要指标没有明确规定，若按照通常设计采用无限长度加载会增加桥梁结构尺寸，造成巨大经济浪费；高速铁路的安全性和平稳性与桥梁刚度有直接联系，如何选取合理的刚度指标，亦没有现成的标准。2015年，我国连镇铁路五峰山长江大桥和丽香铁路金沙江大桥2座铁路悬索桥开工建设，计划分别于2020年和2021年建成通车。基于此，本文从实际列车的加载长度、开行间隔、车桥耦合振动响应进行分析，结合理论计算初步确定大跨度悬索桥合理的活载模式和刚度指标。

1 国内外铁路悬索桥发展概况

铁路悬索桥在国外发展相对较早，但早期设计荷载较轻，运营速度较慢。如葡萄牙4月25日大桥建成于1966年，为主跨1 013 m的双层悬索桥，下层通行两线铁路，上层通行4车道公路；日本下津井濑户大桥建成于1987年，为主跨940 m的公铁两用悬索桥，下层通行日本新干线双线，上层通行4车道公路；日本四联络线北备赞濑户大桥、南备赞濑户大桥建成于1988年，分别为主跨990，1 100 m的公铁两用悬索桥；土耳其博斯普鲁斯三桥建成于2016年，为主跨1 408 m的公铁两用斜拉-悬吊组合桥，桥面中央布置双线UIC铁路，铁路两侧各布置4车道公路。

铁路悬索桥在我国发展相对较晚，2015年10月［1］连镇铁路五峰山长江大桥开工建设，拉开了我国铁路悬索桥建设的大幕。五峰山长江大桥为主跨1 092 m的公铁两用钢桁梁悬索桥，大桥按照4线高速铁路+8车道高速公路标准建设，铁路到发线长度650 m，是我国第1座公铁两用悬索桥。2019年12月大桥顺利合龙，标志着连镇铁路五峰山长江大桥主体工程完工，计划2020年9月底具备通车条件。五峰山长江大桥的建设为我国铁路悬索桥的发展、设计与施工积累了宝贵的经验。2015年10月，我国另一座铁路悬索桥——丽香铁路金沙江大桥开工建设。丽香铁路金沙江大桥为主跨660 m的铁路悬索桥［2］，大桥按照双线普速铁路标准建设，桥上设越行站，是我国第1座典型的山区铁路悬索桥，计划2021年建成通车。丽香铁路金沙江大桥的建设为山区铁路悬索桥的设计、山区铁路施工便道搭设、隧道锚的开挖与施工积累了宝贵的经验［3］。

2 设计活载模式研究

2.1 五峰山长江大桥设计活载模式

五峰山长江大桥主跨达千米，超过现有最长动车组编组长度，承载了4线铁路和8车道高速公路［4］，对列车荷载加载长度、多线铁路列车荷载折减系数和公铁荷载组合系数的合理取值是亟需解决的问题。结合悬索桥结构特点，主要开展的研究与取得的主要成果有：

1）对于中小跨度桥梁，一列车编组长度均超过桥梁跨度，一般不考虑加载长度的问题，可采用无限长的加载长度进行设计［5］。对于桥梁主跨长度明显大于列车编组长度的情况，若采用无限长加载会导致结构尺寸较大，从而增加桥梁的投资成本［6］。因此，建立空间计算模型，以无限长为基准，在仅考虑列车荷载作用的情况下，对550，500，450 m ZK荷载加载长度下桥梁主要部位受力进行计算分析，其降低幅度见表1。

表1 不同加载长度桥梁主要部位受力降低幅度 %

由表1可知，在列车荷载作用下，加载长度对吊索和主缆内力影响较大，当加载长度从无限长（500 m）减小至450 m时，二者内力降低幅度分别为26.6%，35.3%；加载长度对主桁杆件影响较小，主桁杆件应力降低幅度最大值为12.3%。总体来说，桥梁主要部位受力降低幅度平均为13%～14%。因此，加载长度减小时桥梁杆（构）件应力（内力）相应减小，截面可以适当减小。对于高速铁路超大跨度桥梁，只开行动车组时，列车荷载图式加载长度建议取450 m，同时开行普通客运列车时，列车荷载图式加载长度建议取550 m。

2）TB 10002—2017参考国际铁路联盟相关条文，对多线铁路列车荷载进行强度设计时，制定了荷载折减系数取值规定。随着列车运营速度的提高和桥梁跨度的增大，多线列车在桥上的相遇概率也会发生变化。因此，假定列车平均发车时间间隔为3 min，变异系数分别取0.1，0.2和0.3，采用随机模拟的方法，通过计算机独立产生随机列车车流，排队上桥模拟多线列车过桥工况。利用桥梁关键构件内力历程曲线，计算构件内力。以0.12 s为时间间隔进行采样，得到构件内力样本值，经统计分析建立关键构件内力的概率模型，得到关键构件设计使用年限内力最大值的概率分布。研究表明，当多线列车在线时，以桥梁构件内力不超过其最大内力5%的概率进行控制。建议2，3，4线ZK荷载折减系数分别采用0.9，0.7，0.6。

3）公铁两用桥梁考虑2种荷载组合时，一般将公路荷载按0.75进行折减再与铁路荷载进行组合。随着过江通道汽车流量的显著增长，该规定对于承载4线铁路和8车道高速公路的千米级大跨度桥梁是否适用，需要展开相关研究。在模型中随机产生公路汽车车队，施加在桥梁8条汽车道上，计算桥梁构件内力，以0.12 s为时间间隔进行采样，得到构件内力的样本值，经统计分析建立桥梁构件内力概率模型，研究列车荷载与汽车荷载的组合方法。结果表明，多线、多车道［3］公铁两用桥梁的列车荷载与汽车荷载组合时，建议汽车荷载组合值系数取0.8。

2.2 金沙江大桥设计活载模式

金沙江大桥是承载双线铁路的大跨度悬索桥，主跨660 m，全长868 m，设计行车速度120 km/h，线间距5 m，桥上设越行站，到发线有效长度650 m。

1）活载模式

铁路悬索桥活载的影响区间有其特殊性：①有的活载正影响区间非常短，负影响区间相当长，如果只在正影响区间加载，结果可能偏大；②如果在正影响区作用正常活载、在负影响区作用空车活载，需要分正反运行方向计算，空载长度也应有限制；③对于较长的影响区间，应考虑线路的设计运能、牵引能力和到发线长度，确定合理的加载长度。对于短影响区间作用活载的加载模式，建议只在主影响区的短区间作用设计活载，其他区间不作用活载。

活载加载时，如果影响区间长度超过列车长度，在列车长度范围内，按照技术标准的活载加载；超出列车长度且在站台长度内的部分按空车加载；超出站台长度的部分不再加载。

2）活载动力系数

在现行的公路大跨度悬索桥设计中，一般不考虑动力系数，局部构件则考虑0.35的动力系数。对于铁路悬索桥，由于列车荷载是在轮轨上运动，列车通过是连续的，因此其动力作用与公路荷载明显不同。根据已有的铁路悬索桥振动研究结果，建议速度低于200 km/h、跨度大于800 m的悬索桥，计算时可以不考虑整体结构的动力影响，即可以不计冲击作用。跨度600 m以上的铁路悬索桥，也可以不计冲击作用。

2.3 活载模式对比

五峰山长江大桥设计标准为4线铁路+8车道高速公路。4线铁路中2线为连镇铁路，设计为客运专线，设计速度250 km/h，到发线长度650 m；另外2线为预留城际铁路，设计速度200 km/h，满足250 km/h的运营速度要求。丽香铁路金沙江大桥设计标准为双线普速I级铁路，旅客列车设计速度120 km/h。

按照高速列车和普速列车行车速度、荷载加载模式以及对轨道造成的冲击响应不同，采用不同列车加载长度对桥梁主要部位受力的影响进行分析，并研究不同跨度桥梁的动力系数。根据规范要求与相关研究成果，五峰山长江大桥铁路活载按照ZK荷载加载，加载长度考虑到发线长度每端留50 m的安全距离，按照不超过550 m长度加载。多线列车加载折减系数按照规范取值。由于跨度大、结构恒载大，整体结构计算不考虑冲击作用。丽香铁路金沙江大桥按照中-活载加载，考虑牵引质量、车头重量等，加载长度按照不超过400 m长度加载。由于跨度大、列车运营速度较低，整体结构计算也不考虑冲击作用。

3 结构合理刚度标准研究

3.1 五峰山长江大桥结构合理刚度标准

五峰山长江大桥是我国首座千米大跨度公铁两用悬索桥，如何确定刚度标准没有现成的经验可循，而且现有铁路桥梁规范对刚度标准的规定也不适用。我国公路悬索桥一般设计为单跨简支钢箱梁结构，其横向刚度较小。铁路悬索桥充分考虑了列车运营平稳性，加劲梁设计为多跨连续结构［7］，横向刚度限值规定的相对较高。在充分考虑列车运营速度的基础上，参考国外铁路悬索桥、国内公路悬索桥的刚度取值，同时应满足最小竖曲线半径要求。经过动力响应分析提出我国铁路悬索桥建议刚度标准，见表2。

表2 大跨度铁路悬索桥建议刚度标准

3.2 金沙江大桥结构合理刚度标准

通过调研国外铁路桥梁规范对刚度的要求，分析普通桥梁刚度标准不适用于大跨度铁路悬索桥的原因［8］，提出了大跨度铁路悬索桥挠跨比、梁端转角、错位等刚度评价指标（表3），其刚度指标的选择应考虑以下因素：①竖向挠跨比作为参考指标，适当考虑车速的影响；②梁端转角以单侧的角度为控制标准，与普通中小跨度双侧标准相当；③考虑钢轨等受力要求，竖向错位控制在2.5 mm；④横向刚度以设计能通行列车最大风速下的横向曲线半径为控制指标，且桥梁最小弯曲半径应满足设计铁路的最小半径要求。

表3 大跨度铁路悬索桥刚度限值参考值

对于满足表3指标的桥梁，设计完成前还须通过车-桥-风的耦合振动分析，检验其车辆安全性和运行舒适性。

3.3 结构合理刚度标准对比

由表2和表3可知，五峰山长江大桥和金沙江大桥的竖向挠跨比、横向挠跨比均考虑了列车运营速度的要求［9］，且规定的限值一样，但2座大桥的设计标准不同，具体采用的刚度限值是不同的。五峰山长江大桥是公铁两用悬索桥，属于高速铁路范畴，其单独列车作用、列车+汽车作用竖向挠跨比限值分别为1/450，1/400，在横向有车风、横向百年一遇强风作用下横向挠跨比限值分别为1/800，1/300；金沙江大桥为铁路悬索桥，属于普速铁路范畴，竖向挠跨比限值为1/350，在横向有车风、横向百年一遇强风作用下横向挠跨比限值分别为1/500，1/200。

对于梁端转角可通过合理的跨度布置来调整。五峰山长江大桥按照参照TB 10002—2017，TB 10621—2017等现行铁路设计规范取值；金沙江大桥则给出了具体的限值（参见表3），相对较大，而实际的梁端转角则比限值小得多。