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        高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態(tài)平順性能分析

        2016-12-06 10:46:35翟建平徐升橋任為東
        鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 2016年11期
        關(guān)鍵詞:軌面平順跨度

        翟建平,徐升橋,任為東

        (1.南廣鐵路有限責(zé)任公司,南寧 530022;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

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        高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態(tài)平順性能分析

        翟建平1,徐升橋2,任為東2

        (1.南廣鐵路有限責(zé)任公司,南寧 530022;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

        以南廣鐵路主跨450 m的西江特大橋為工程背景,結(jié)合工務(wù)部門的軌道實測高程數(shù)據(jù),對西江橋的軌面靜態(tài)不平順進(jìn)行分析。結(jié)果表明,較大的溫度變形并不是造成軌道靜態(tài)尺寸不達(dá)標(biāo)的原因,只要在軌道精調(diào)階段摸清橋面溫度變形特點,控制好軌道調(diào)整精度,就可以滿足軌道高低偏差管理值要求。

        高速鐵路;橋梁;有砟軌道;軌道不平順;溫度變形

        1 工程概況

        南(寧)至廣(州)鐵路設(shè)計速度為250 km/h。其中跨越西江處的西江大橋全長618.3 m,橋跨布置為(41.2+486+49.1) m鋼箱提籃拱橋+1-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。主跨為中承式拱橋,拱腳中心間距450 m,拱肋為鋼箱結(jié)構(gòu),其450 m跨徑,屬目前世界同類鐵路鋼拱橋最大跨度。

        本橋設(shè)計為雙線有砟軌道,線間距為4.6 m。線路平、縱斷面設(shè)計為直線、平坡,正線軌道設(shè)計為跨區(qū)間無縫線路,有砟軌道[1]。

        全橋立面見圖1。

        2 大跨度橋梁溫度變形對車輛運營的影響分析

        圖1 全橋立面(單位:cm)

        大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變形比活載引起的結(jié)構(gòu)變形還大。溫度變形只與結(jié)構(gòu)的材料、長度、結(jié)構(gòu)剛度有關(guān),大跨度鐵路橋梁結(jié)構(gòu)一般都會允許結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下發(fā)生較大的變形以釋放溫度內(nèi)力。對于梁式橋,其梁體本身在整體升降溫時只產(chǎn)生縱橋向的伸縮變形,豎向不會發(fā)生變形,但是大跨度梁式橋為加大跨度,一般都通過拉索體系進(jìn)行跨中支撐,而索體在溫度荷載下產(chǎn)生的變形改變了梁體的豎向約束條件,這時梁體同樣會產(chǎn)生較大的豎向變形;對于拱式結(jié)構(gòu)為受力主體的橋梁,由于拱在溫度荷載下的變形特點,縱橋向由于拱腳約束不會產(chǎn)生變形,變形便發(fā)生在豎橋向。如武漢天興洲公鐵兩用橋在斜拉索單獨降溫10 ℃時,主跨跨中即可產(chǎn)生80 mm向上的豎向位移,京滬高速鐵路大勝關(guān)大橋主橋體系升溫10 ℃,跨中橋面產(chǎn)生40 mm的向上位移。西江橋的受力體系為無鉸拱,根據(jù)計算環(huán)境溫度升(降)溫1 ℃時,跨中橋面變形為+5.72 mm(-5.72 mm)。雖然溫度荷載下大跨度橋都會產(chǎn)生較大的溫度變形,但是由于結(jié)構(gòu)的受力特點,大跨度橋梁的溫度變形曲線都為一圓滑的豎曲線。

        以南廣西江橋為例,雖然溫度變形很大,但是溫度變形對橋面豎曲線的影響卻很小。西江橋拱頂升溫20 ℃時的跨中橋面最大變形為5.72×20=114.4 mm,線路設(shè)計為平坡,由于溫度變形引起線路在橋上產(chǎn)生豎曲線,根據(jù)變形值,計算其豎曲線半徑R=222 039 m,遠(yuǎn)大于規(guī)范中250 km/h設(shè)計速度的豎曲線半徑限值要求。規(guī)范[2]條文說明5.3.4中解釋:線路豎曲線半徑由旅客舒適度要求控制,即受列車運行于豎曲線產(chǎn)生的豎向離心加速度a限制的最小豎曲線半徑為:R≥V2/(3.62a)。其中,a為乘客舒適度允許的豎向離心加速度,根據(jù)國外高速鐵路經(jīng)驗取值,一般情況下為0.4 m/s2,困難時滿足0.5 m/s2,相應(yīng)地R≥0.193v2或R≥0.15v2,這也是現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計規(guī)范中豎曲線半徑下限值取值的依據(jù)??梢姡词箍紤]溫度變形對西江橋橋面縱斷豎曲線的影響,由此產(chǎn)生的列車豎向離心加速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于舒適度允許的0.4 m/s2。

        假設(shè)西江橋的理論軌面豎曲線半徑按25 000 m設(shè)置,滿足規(guī)范的最小要求,考慮升溫變形疊加后的豎曲線半徑變?yōu)?2 460 m。進(jìn)一步分析,考慮溫度變形對軌面豎曲線的影響,只要西江橋橋面上的豎曲線半徑設(shè)置大于28 000 m,就可以滿足旅客舒適度的要求,這也從西江橋車橋耦合分析結(jié)論[3]和動態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試中列車的最高運行速度得到了驗證。

        大跨度橋梁一般情況下線路都位于平坡或大半徑豎曲線上,所以對于大跨度橋梁雖然溫度變形大,但是由于溫度變形產(chǎn)生的橋面豎向曲線都為一圓滑曲線,所以溫度變形對于高速列車運行不會產(chǎn)生不利影響。

        3 實測軌面高程分析

        3.1 實測軌面高程的動態(tài)性能分析

        根據(jù)對橋梁在溫度荷載作用下的變形分析可得出不同環(huán)境溫度下的理論軌面高程,但由于實際橋梁跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同部位所處的日照、風(fēng)吹等外部環(huán)境不同,且實際溫度場情況非常復(fù)雜,致使實測高程與理論高程可能產(chǎn)生差異。

        2014年11月對試運行階段的西江特大橋跨中橋面高程進(jìn)行了十多天的連續(xù)測量,其中夜間的實測高程和計算值最大偏差值11.9 mm,白天測量的最大偏差22 mm,在此情況下試運營期間動態(tài)檢測車最高速度達(dá)到272 km/h[4],各項實測指標(biāo)均合格,實驗表明西江特大橋的行車性能完全滿足設(shè)計要求。工務(wù)部門2015年4月28日和5月22日兩次對西江橋軌面高程的實測數(shù)據(jù)與計算值最大偏差為23.1 mm,但實測高程變化趨勢同理論分析基本一致??紤]到高程測量誤差、實際環(huán)境溫度場同計算溫度可能產(chǎn)生的差異,最大差值23.1 mm屬于正常范疇。但是從軌道高程實測結(jié)果的曲線分析,曲線上有較為明顯的不平順,在后面的對軌面高程偏差驗收的分析中,可見不滿足靜態(tài)尺寸控制管理值的點正是位于曲線不平順的位置。

        依據(jù)廣鐵集團(tuán)工務(wù)部門和設(shè)計單位實測的橋梁軌面變形,進(jìn)行了動態(tài)模擬分析,分析結(jié)果表明各項指標(biāo)均滿足時速250 km的行車要求[3]。

        3.2 軌道高低靜態(tài)幾何尺寸容許偏差分析

        對于實測軌面高程與對應(yīng)環(huán)境溫度下理論高程的差異,可按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]中相應(yīng)條款對軌面高程容許偏差進(jìn)行管理。如表1、表2所示。

        (1)軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差分析(圖2)

        表1 軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差管理值

        注:高低偏差為10 m及以下弦測量的最大矢度值。

        表2 軌道靜態(tài)幾何尺寸長弦測量作業(yè)驗收容許偏差管理值

        注:當(dāng)弦長為30 m時,相距5 m的任意兩測點實際矢度差與設(shè)計矢度差的偏差不得大于2 mm;當(dāng)弦長為300 m時,相距150 m的任意兩測點實際矢度差與設(shè)計矢度差的偏差不得大于10 mm。

        圖2 實測軌道高程靜態(tài)高低尺寸容許偏差分析

        其中典型不平順點1(運營里程K469+120,設(shè)計里程IDK378+529.2,近小里程拱腳)的最大矢度為2 mm;典型不平順點2(運營里程K469+250,設(shè)計里程IDK378+659.2,小里程拱腳與拱頂中間位置)的最大矢度為1.5 mm;典型不平順點3(運營里程K469+360,設(shè)計里程IDK378+769.2,拱頂往大里程29 m)的最大矢度為2.1 mm;典型不平順點4(運營里程K469+560,設(shè)計里程IDK378+969.2,近大里程拱腳)的最大矢度為1.7 mm;典型不平順點5(運營里程K469+600,設(shè)計里程IDK379+009.2,2號墩與3號墩中間位置)的最大矢度為1.0 mm。

        以上典型不平順點的最大矢度均小于3 mm,滿足軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差管理值的作業(yè)驗收要求。

        (2)軌道靜態(tài)幾何尺寸長弦測量作業(yè)驗收容許偏差管理值分析

        ①當(dāng)弦長為30 m時,相距5 m的任意兩測點實際矢度差與設(shè)計矢度差的偏差不得大于2 mm。

        ②當(dāng)弦長為300 m時,相距150 m的任意兩測點實際矢度差與設(shè)計矢度差的偏差不得大于10 mm。

        圖3 軌道靜態(tài)幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點1)

        從圖3~圖7的軌道測量結(jié)果分析,實測軌道高程均無法滿足軌道靜態(tài)幾何尺寸長弦測量作業(yè)驗收容許偏差管理值,但超出管理值不多。產(chǎn)生偏差的主要原因是因為全橋個別點不平順引起,而由于橋面的溫度變形是平滑的,所以實測軌道高程的不平順只可能是由于前期軌道調(diào)整時個別點施工誤差引起的。

        圖4 軌道靜態(tài)幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點2)

        圖5 軌道靜態(tài)幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點3)

        圖6 軌道靜態(tài)幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點4)

        圖7 軌道靜態(tài)幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點5)

        4 西江橋軌道靜態(tài)幾何尺寸對列車運營影響分析意見

        (1)推力拱橋由于結(jié)構(gòu)受力的特點,在溫度變化時拱肋發(fā)生較大的位移,從而引起軌面高程發(fā)生變化,但是由于溫度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移為圓順變化,從而反映到橋面上也只是對原軌面豎曲線的半徑帶來影響,但是此影響相當(dāng)有限,以主拱跨度450 m的南廣西江橋為例,如果拱肋范圍內(nèi)橋面設(shè)置豎曲線半徑為25 000 m,則豎曲線的理論矢高為1.0125 m,而拱肋整體升溫20 ℃的跨中處橋面向上變形值僅為0.114 m,由此豎曲線變化后的曲線半徑為22 460 m,所以只要

        拱橋范圍內(nèi)的理論軌面豎曲線設(shè)置半徑大于28 000 m,則即使考慮拱肋溫度變形,軌面豎曲線仍可滿足舒適度要求。所以溫度變形對于大跨度橋梁的橋面豎曲線影響很小,也不會降低列車運營的舒適度。

        (2)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值要求,分析工務(wù)部門提供的軌面實測高程,可以滿足維修規(guī)則要求。

        (3)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]中軌道靜態(tài)幾何尺寸長弦測量作業(yè)驗收容許偏差管理值要求,分析工務(wù)部門提供的軌面實測高程,個別平順性較差的點比容許值偏大,但偏差值超出容許值不多,只要調(diào)整軌面高程曲線至較為圓順,即可滿足要求。

        (4)經(jīng)過動態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及考慮實際軌面高程曲線作為軌道不平順進(jìn)行的列車走行性分析表明,即使實測軌面高程的靜態(tài)長波不平順超出目前軌道維修規(guī)則的管理限值,但仍然可以滿足列車在設(shè)計時速下的運營安全和舒適性需要。

        5 結(jié)語

        (1)大跨度橋梁較大的溫度變形并不是造成軌道靜態(tài)尺寸不達(dá)標(biāo)的原因,在橋面軌道精調(diào)時,只要根據(jù)溫度變形特點,設(shè)定好不同環(huán)境溫度下的軌道調(diào)整目標(biāo)值,將軌道高程調(diào)整為圓順曲線,即使是較難控制的靜態(tài)長弦不平順也可以滿足管理值要求。

        (2)隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)發(fā)展,橋梁跨度越來越大,最大鐵路橋梁主跨已經(jīng)突破1 000 m。在拱橋橋型方面,除了南廣鐵路西江大橋主橋計算跨度450 m外,還有即將建成通車的云桂鐵路南盤江大橋主跨416 m、滬昆客專北盤江大橋主跨445 m[6-9]。由于橋梁跨度增加,橋面變形對溫度變化更敏感。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)通過進(jìn)一步研究軌道不平順對列車運行的影響,提出適合高速鐵路大跨度橋梁的軌道靜態(tài)平順性能控制指標(biāo)。

        [1] 翟建平.南廣鐵路西江特大橋有砟軌道靜態(tài)調(diào)整技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2016(10):40-44.

        [2] 國家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2014.

        [3] 中南大學(xué)土木工程學(xué)院.南廣鐵路肇慶西江特大橋動力特性及列車走行性分析報告[R].長沙: 中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2015.

        [4] 中國鐵道科學(xué)研究院.南廣鐵路梧州南至廣州南段動態(tài)檢測報告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2014.

        [5] 中國鐵路總公司.TG/GW116—2013高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2013.

        [6] 中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司.大跨度中承式鋼箱拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,2011.

        [7] 翟建平.肇慶西江特大橋動力特性分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2011(6):13-17.

        [8] 張華,徐升橋,彭嵐平.南廣鐵路西江特大橋總體設(shè)計[J].鋼結(jié)構(gòu),2015(4):17-21.

        [9] 徐升橋,彭嵐平,張華.南廣鐵路西江特大橋的技術(shù)創(chuàng)新[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2013(2):50-57.

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