劉 凱
(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)
京雄城際鐵路正線長度78.24 km,為設(shè)計(jì)時速350 km的雙線高速鐵路,線間距5 m,采用ZK荷載,CRTSⅢ型板式無砟軌道。京雄城際鐵路在DK87+410.30位置上跨津霸鐵路時,需要跨度70 m左右結(jié)構(gòu),若采用連續(xù)梁,其上部建筑高度大,需要拉高全橋縱斷面,增加投資;若采用簡支拱,則施工過程對既有線影響大,且自重反力較大,易引起沉降進(jìn)而影響既有線行車。因此,擬采用72 m簡支鋼桁梁跨越,其具有上建高度小,自重輕,頂推施工對既有線影響小等優(yōu)點(diǎn)。但近期我國修建的客運(yùn)專線及高速鐵路大跨度鋼橋均采用有砟軌道結(jié)構(gòu),如京滬高鐵濟(jì)南黃河大橋、南京大勝關(guān)長江大橋;京廣高鐵鄭州黃河大橋、武漢天興洲大橋公鐵兩用橋等[1]。在鋼橋面上鋪設(shè)無砟軌道,需要解決以下問題。
(1)梁端轉(zhuǎn)角過大,對軌道結(jié)構(gòu)受力不利。
(2)鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響大,結(jié)構(gòu)變形對軌道長短波不平順有較大影響。
(3)梁縫位置橫向錯位較大。
(4)橋面系剛度偏弱,行車安全性和舒適性有待驗(yàn)證。
本設(shè)計(jì)通過構(gòu)造設(shè)計(jì),解決了上述難題,并通過車橋動力仿真驗(yàn)證了高速行車的安全性和舒適性。
簡支鋼桁梁橋主桁采用兩片鋼桁梁[2],桁高12.3 m,桁式為無豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角架[3];兩片主桁間距為13.8 m;節(jié)間距為12 m,支座中心距梁端0.85 m。主桁結(jié)構(gòu)示意見圖1。
圖1 鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)示意 (單位:mm)
主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面,斜腹桿采用焊接箱形截面和H形截面。上弦桿內(nèi)寬800 mm,內(nèi)高952 mm,板厚24~32 mm;箱形截面腹桿內(nèi)寬800 mm,外高分別為860、760 mm,板厚20~28 mm;H形截面腹桿翼板寬760 mm,腹板內(nèi)高800 mm,板厚16~28 m;下弦桿內(nèi)寬800 mm,內(nèi)高1 444 mm,頂?shù)装搴?4 mm,腹板厚28 mm。
橋面結(jié)構(gòu)采用鋼正交異性板[4-5],為提高橋面系結(jié)構(gòu)剛度、提高行車舒適性,并方便無砟軌道結(jié)構(gòu)與橋面連接,在正交異性板上設(shè)置了35 cm厚的混凝土板,混凝土板與剛橋面板直接采用剪力釘連接。鋼橋面板板厚16 mm,在軌道下方共設(shè)置了4道縱梁,采用倒T形截面,腹板高750 mm,厚16 mm,下翼板寬300 mm,厚20 mm。另外還設(shè)置了16道U肋, U肋高度280 mm,厚8 mm[6-7],間距600 mm??v肋全橋連續(xù),遇橫梁、橫肋腹板則開孔穿過[8]。橫梁間距12 m,中橫梁采用倒T形截面,高1 444 mm,腹板厚20 mm,底板寬800 mm,厚24 mm;端橫梁采用箱形截面,內(nèi)高1 444 mm,腹板厚28 mm,底板寬800 mm,厚24 mm。橫梁上翼板與主桁伸出肢焊接,腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。兩道橫梁之間設(shè)3道橫肋,間距3 m,采用倒T形截面,高1 444 mm,腹板厚16 mm,底板寬600 mm,厚24 mm,上翼板與主桁伸出肢焊接,腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。橋面系結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 橋面布置示意(單位:mm)
梁體豎向剛度達(dá)到1/2 812,橫向剛度達(dá)到1/11 429,均滿足規(guī)范要求,鋼桁梁結(jié)構(gòu)受力計(jì)算也與常規(guī)鋼桁結(jié)構(gòu)類似,不再贅述。本文主要在梁端轉(zhuǎn)角、軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度、相鄰梁端鋼軌支點(diǎn)橫向變形等與高速行車相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)方面予以論述。
高速鐵路無砟軌道要求在梁端懸出長度0.55~0.75 m時,梁端轉(zhuǎn)角不大于1‰[9],而簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)由于橋面系及下弦剛度小,梁端轉(zhuǎn)角較大。為解決這個問題,采用了加大端橫梁剛度、增加橋面混凝土板等措施,分別對比以下4個方案。
方案1 端橫梁為倒T形截面;腹板:1 444 mm×28 mm;底板:800 mm×24 mm;橋面不設(shè)混凝土板。
方案2 端橫梁為箱形截面;腹板:2-1 444 mm×28 mm;底板:600 mm×24 mm;橋面不設(shè)混凝土板。
方案3 端橫梁為箱形截面;腹板:2-1 444 mm×28 mm;底板:800 mm×24 mm;橋面不設(shè)混凝土板。
方案4 端橫梁為箱形截面;腹板:2-1 444 mm×28 mm;底板:800 mm×24 mm;橋面設(shè)置混凝土板。
各方案計(jì)算結(jié)果見表1,其中1~4表示的是4根鋼軌位置。如圖2所示。
表1 梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果 ‰
從計(jì)算結(jié)果來看,端橫梁尺寸加大,梁端轉(zhuǎn)角減小,同時增設(shè)橋面混凝土板能有效提高梁端局部剛度,減小梁端轉(zhuǎn)角。因此,采用轉(zhuǎn)角最小的方案4,且軌道結(jié)構(gòu)梁端第一組扣件采用常阻力扣件彈條,經(jīng)檢算,能滿足無砟軌道受力要求。
對于高速鐵路無砟軌道,要求軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(容許偏差):①短波 2 mm/10 m(弦長);②長波 2 mm/8a(基線長)、10 mm/240a(基線長)[9]。a為無砟軌道扣件節(jié)點(diǎn)間距,本線a值為0.63 m。在溫度荷載作用下,考慮橋面混凝土板參與整體受力,橋面系縱梁豎向位移見圖3。
圖3 體系溫度與溫度包絡(luò)下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板參與整體受力)
溫度荷載按如下因素考慮:
(1)體系升降溫 按整體升降溫35 ℃[10];
(2)驟然升降溫 混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)溫差±15 ℃;
(3)日照溫度 上平聯(lián)、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃,下弦桿的溫度為10 ℃,鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。
圖3中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合[11]。
由圖3可知,橋面豎向變形不滿足軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。各種溫度荷載中,驟然升降溫造成的變形占主要部分,其原因是混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間有±15 ℃的溫差,造成結(jié)構(gòu)之間變形不協(xié)調(diào),從而引起豎向變形[12]。因此,考慮橋面混凝土板設(shè)置斷縫,使其不參與整體受力,同時考慮施工方便和軌道受力,橋面混凝土板斷縫和軌道板斷縫位置對齊。則在溫度荷載作用下,橋面系縱梁豎向位移見圖4。
溫度荷載按如下考慮:
(1)體系升降溫 根據(jù)該項(xiàng)目氣象資料,按整體升降溫35 ℃;
(2)日照溫度 上平聯(lián)、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃,下弦桿的溫度為10 ℃,鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。
圖4中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合。
圖4 體系溫度與溫度包絡(luò)下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板不參與整體受力)
可見,在橋面混凝土板設(shè)置斷縫的情況下,橋面豎向變形滿足軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
無砟軌道要求相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對位移不大于1 mm,本梁主桁間距較寬,而相鄰32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁支座間距較小,若將橫向固定支座設(shè)置在一片主桁下,則無法滿足橫向相對位移小于1 mm的要求。因此,主桁下不設(shè)橫向固定支座,橫向力通過設(shè)置在橋梁中心線上的橫向限位裝置傳遞給橋墩,具體布置見圖5。
圖5 支座及橫向限位裝置布置(單位: mm)
對全橋進(jìn)行車橋耦合動力仿真分析,采用空間梁-板混合單元來建立主橋模型,梁體與橋墩墩頂采用主從約束模擬橋墩對主梁的約束,以彈簧單元模擬墩底總的基樁約束[13]。橋面二期恒載以線分布形式作為均布質(zhì)量分配到橋面板單元中。動力分析模型見圖6,該模型共有節(jié)點(diǎn)1281個,梁單元1028個,板單元720個。列車采用國產(chǎn)CRH3動力分散式車組:列車編組為2×(動+拖+動+動+動+動+拖+動),共16節(jié)。速度等級取180、200、225、250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。軌道不平順采用德國低干擾軌道譜[14]。根據(jù)上述條件,進(jìn)行車橋動力仿真分析,檢算橋梁的自振頻率[15]、跨中豎向與橫向動位移、跨中豎向與橫向加速度;檢算機(jī)車車輛的安全性和舒適度指標(biāo),包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標(biāo)。
圖6 動力仿真模型
針對72 m鋼桁簡支梁橋動力仿真模型,進(jìn)行橋梁自振特性分析以及在國產(chǎn)CRH3客車作用下的動力響應(yīng)分析。表2列出了72 m鋼桁簡支梁橋的自振特性頻率分析結(jié)果。
表2 72 m簡支鋼桁梁橋自振頻率
根據(jù)建立的車橋耦合動力仿真模型,在國產(chǎn)CRH3客車作用下,計(jì)算得到車橋動力分析評價結(jié)果見表3。
表3 車橋動力響應(yīng)評價結(jié)果
(1)橋梁自振特性分析
支承體系基頻:梁體一階橫向頻率1.877 Hz,梁體一階豎向頻率2.224 Hz。
(2)橋梁振動性能
在國產(chǎn)CRH3動力分散式車組以速度180~420 km/h運(yùn)行時,橋梁跨中橫向和豎向振動位移最大值分別為0.483、4.825 mm,橋梁跨中橫向和豎向振動加速度最大值分別為0.374、0.669 m/s2。
可見,在上述列車作用下,72 m鋼桁簡支梁橋各跨的豎向和橫向振動位移較小,橋梁豎向和橫向振動加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值,說明橋梁的振動性能良好。
(3)列車行車安全性
在國產(chǎn)CRH3動力分散式車組以速度180~420 km/h通過跨度72 m鋼桁簡支梁橋時,動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi),保證了高速列車的行車安全。
(4)列車乘坐舒適性
國產(chǎn)CRH3動力分散式車組以速度180~350 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時,豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”; 國產(chǎn)CRH3動力分散式車組以速度375~420 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時,豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”、“良”。
72 m簡支鋼桁梁在吸收我國既有鋼桁梁經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,解決了簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)無砟軌道、運(yùn)營速度350 km/h高速列車的難題,并得到了車橋動力仿真的驗(yàn)證,符合技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理等設(shè)計(jì)原則,其構(gòu)造形式及分析方法可供類似結(jié)構(gòu)借鑒。