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        重載鐵路橋梁線橋偏心和道砟超厚的影響

        2022-10-11 04:53:48王新讓袁磊張巖李克冰李承君
        鐵道建筑 2022年9期

        王新讓袁磊張巖李克冰李承君

        1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司,河北肅寧 062350;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京100081

        線橋偏心和道砟超厚是有砟道床重載鐵路橋梁的常見問題。長期以來,受有砟道床線路結(jié)構(gòu)養(yǎng)護清篩、搗固等作業(yè)影響,橋上道砟厚度不斷增加,而運營列車橫向作用力等效應則使得軌道與橋梁結(jié)構(gòu)橫向相對位置偏離設計狀態(tài),產(chǎn)生線橋額外偏心。

        早期建設的大秦、朔黃等重載鐵路多采用雙片式簡支T梁。根據(jù)TG/GW 103—2018《普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》[1]:運營橋上線路中線與梁跨設計中線的偏差,圬工梁不應大于70 mm;運營橋上道砟厚度不應大于450 mm(框構(gòu)橋除外)。線橋額外偏心過大主要影響列車活載在雙片式簡支T梁左右梁間的荷載分配;橋面道砟超厚一方面使得簡支T梁承受的橋面二期恒載增加,另一方面可使列車活載的動力效應降低。

        本文在對線橋偏心和道砟超厚情況下雙片式簡支T梁受力理論分析的基礎上,結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),探討了線橋偏心和道砟超厚對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響程度,給出了相關(guān)病害的整治建議,可為橋梁病害整治維修決策提供參考。

        1 道砟橋面雙片式簡支T梁活載偏載系數(shù)

        1.1 活載彎矩偏載系數(shù)理論計算式

        對于直線上雙片式簡支T梁,設計通常按每片梁承擔列車荷載的1/2考慮,不計線橋偏心的影響。而對于曲線上梁,梁體布置通常以直代曲,線路中心線和梁體中心線采用平分中矢法布置,由此產(chǎn)生的線橋偏心效應采用活載偏載系數(shù)加以考慮。

        對于運營狀態(tài)線路平面位置變化產(chǎn)生的線橋偏心,其活載偏載系數(shù)目前沒有明確的理論計算公式。本文在設計活載偏載系數(shù)理論計算式的基礎上,對曲線上梁運營階段線橋額外偏心下的活載偏載系數(shù)計算公式予以推導。假定[2]如下:

        1)荷載在梁體頂面的分布為直線,見圖1。圖中l(wèi)1、l2分別為線路中線至荷載分布線外側(cè)和內(nèi)側(cè)邊緣的距離,σ1、σ2分別為相應位置的荷載強度,e為梁頂處活載合力(N)作用點距l(xiāng)1+l2中點的距離。

        圖1 橋面荷載分布

        2)荷載自枕底按1∶1的坡度擴散;

        3)線路沿梁長為拋物線分布,即

        式中:L為橋梁計算跨度;f為以跨度L為弦的線路中心線正矢,f=L2/(8R),R為曲線半徑;eb為運營階段產(chǎn)生的線橋額外偏心,以向曲線外側(cè)偏心為正;x、y為以圖2所示O點為坐標原點的縱向和橫向坐標。

        圖2 道砟橋面橋梁與線路中心線的關(guān)系

        由于沿梁長超高一致,活載分布也按式(1)計算。

        根據(jù)荷載平衡原則,有

        對于早期翼緣未設連接的雙片式T梁,忽略橫隔板的影響,認為兩片梁獨立作用。根據(jù)線梁幾何關(guān)系,外梁承受荷載的寬度l1+f1-y,內(nèi)梁承受荷載的寬度l2-f1+y,f1為設計狀態(tài)橋梁中心線對線路中心線的正矢,對平分中矢法布置的梁有f1=f/2。任意截面上外梁和內(nèi)梁承受的單位長度荷載Nox、Nix分別為

        對荷載沿梁長積分,可求得任意截面彎矩,將其與直線梁任意截面彎矩對比,即可得額外偏心eb下曲線上外梁、內(nèi)梁的活載彎矩偏載系數(shù)ηoM、ηiM分別為

        當額外偏心eb=0時,式(6)即與TG/GW 208—2004《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[3]給出的曲線上梁活載彎矩偏載系數(shù)計算公式一致。

        對直線上梁,R=∞,且l=l、e=0,則m=1,有

        式(7)與按杠桿法計算的直線梁荷載橫向偏載系數(shù)表達式相近。這反映了前述推導對橋面荷載的橫向分配本質(zhì)上是按杠桿法考慮的。

        1.2 活載彎矩偏載系數(shù)的影響因素

        由理論計算式的推導可知,活載彎矩偏載系數(shù)主要與三方面因素有關(guān)[4-5]:①線上列車荷載合力N值及其偏心e值,其中N為列車豎向力和離心力的合力;②列車荷載在橋面的分布寬度l1、l2,由曲線超高、軌枕寬度和道床厚度共同確定;③線橋偏心值,包括曲線上梁設計線梁偏心值和運營階段產(chǎn)生的額外偏心值eb。其中,前兩項僅與橋面列車荷載和軌道結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系相關(guān),第三項僅與線梁相對位置有關(guān)。線上列車荷載幾何關(guān)系如圖3所示。其中,W為列車靜荷載;C為列車荷載離心力率;(1+μ)為列車荷載動力系數(shù);H為列車重心至梁頂?shù)木嚯x;T為列車重心至軌頂?shù)木嚯x;t1為鋼軌高度;t2為軌底至梁頂?shù)木嚯x;h為曲線超高;k為列車荷載合力作用點距線路中線的距離(以軌底平面為準);i為列車靜止時合力作用線距線路中線的距離,鋼軌中心距取1.5 m。

        圖3 線上列車荷載幾何關(guān)系(單位:cm)

        在役鐵路橋梁的計算跨徑和曲線半徑,以及采用的鋼軌和軌枕的幾何尺寸是確定的,服役車輛的重心高度通常也是確定的,曲線超高h可根據(jù)需要調(diào)整,道砟厚度會隨著道床整修發(fā)生變化。重載鐵路列車荷載離心力率C=V2/(127R),因而在役鐵路橋梁活載彎矩偏載系數(shù)的大小主要與列車運行速度(V)、曲線超高、道砟厚度和線橋偏心有關(guān)。

        以重載鐵路常用跨度32 m簡支T梁為例,其軌道結(jié)構(gòu)采用Ⅲ型枕、75 kg/m軌,以曲線半徑400 m、列車運行速度60 km/h、曲線超高100 mm、道砟厚度450 mm、線橋額外偏心0為基本狀態(tài),梁體在不同曲線半徑、列車運行速度、曲線超高、道砟厚度、線橋偏心下的活載彎矩偏載系數(shù)見圖4。

        圖4 活載彎矩偏載系數(shù)影響因素

        由圖4可知:在一定的列車運行速度和曲線超高下,隨著曲線半徑增加,外梁活載彎矩偏載系數(shù)減小,內(nèi)梁活載彎矩偏載系數(shù)增大,且隨著曲線半徑的增大變化趨于平緩,當曲線超高較小而曲線半徑較大時,活載彎矩偏載系數(shù)趨近于直線梁的1.0。在一定的曲線半徑和超高下,隨著列車運行速度增加,外梁活載彎矩偏載系數(shù)增加,內(nèi)梁活載彎矩偏載系數(shù)減小,且隨著行車速度的增大變化越趨明顯,因而在設計計算時,外梁偏載系數(shù)取最大行車速度對應值,內(nèi)梁偏載系數(shù)取平均行車速度對應值。活載彎矩偏載系數(shù)隨曲線超高、道砟厚度和線橋偏心均呈線性變化:隨著曲線超高增加,外梁活載彎矩偏載系數(shù)減小,內(nèi)梁偏載系數(shù)增大;隨著道砟厚度增加,外梁活載彎矩偏載系數(shù)增大,內(nèi)梁偏載系數(shù)減小;隨著向曲線內(nèi)側(cè)的偏心增大,外梁活載彎矩偏載系數(shù)減小,內(nèi)梁偏載系數(shù)增大。其中,道砟厚度分別為250 mm和850 mm時的活載彎矩偏載系數(shù)相差約1%,說明道砟厚度對活載彎矩偏載系數(shù)的影響很小。

        2 雙片式簡支T梁活載彎矩偏載系數(shù)精細化分析

        如前所述,雙片式簡支T梁活載偏載系數(shù)理論計算式的推導未計橫隔板等對荷載橫向分配的作用,在對運營橋梁分析評估時可能偏離結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài),有必要對結(jié)構(gòu)受力進行精細化分析。

        采用梁格法[6]對雙片式簡支T梁活載彎矩偏載系數(shù)進行精細化分析。以某重載鐵路32 m簡支T梁為分析對象,建立包含鋼軌、軌枕和梁體的空間多層梁格模型(圖5)。該橋曲線半徑400 m,曲線超高100 mm,道砟厚度680 mm,線路相對橋梁向曲線內(nèi)側(cè)額外偏心310 mm,采用Ⅲ型枕、75 kg/m軌。

        圖5 線橋偏心下雙片式T梁受力分析多層梁格模型

        表1給出了分別按式(6)和梁格法計算的不同行車速度下偏心側(cè)內(nèi)梁與相應外梁的活載彎矩偏載系數(shù)計算值。在行車速度不大于70 km/h時,按式(6)計算的內(nèi)梁活載彎矩偏載系數(shù)較梁格法偏大,相應地外梁活載彎矩偏載系數(shù)偏小,隨著行車速度的增加,兩者差異減小。在列車低速運行時,兩者差異約為10%~15%,在列車運行速度達到80 km/h時,兩者基本一致。

        表1 線橋偏心下活載彎矩偏載系數(shù)計算結(jié)果

        對該橋在實際運營列車作用下曲線內(nèi)梁和外梁的活載彎矩偏載系數(shù)進行了測試,得到不同編組運營列車以不同速度通過時的活載彎矩偏載系數(shù),并與理論值對比,見圖6。

        圖6 實測活載彎矩偏載系數(shù)與理論值對比

        由圖6可知:實測內(nèi)梁活載彎矩偏載系數(shù)隨列車運行速度增加而減小,外梁活載彎矩偏載系數(shù)隨列車運行速度增加而增大,與理論計算結(jié)果的變化趨勢一致。相對而言,梁格法計算結(jié)果與實測值吻合程度更好,而式(6)的計算結(jié)果則較為明顯地偏離了實測值。因而理論計算式更適合偏保守的設計包絡計算(外梁取最高行車速度、內(nèi)梁取平均行車速度),在對結(jié)構(gòu)實際受力進行分析時則會帶來一定偏差。

        3 線橋偏心和道砟超厚對梁體受力的影響

        以前述重載鐵路32 m雙片式簡支T梁為分析對象,其道砟厚度680 mm,線路相對橋梁向曲線內(nèi)側(cè)額外偏心310 mm,不同狀態(tài)下的主力組合(恒載+列車活載)跨中彎矩見表2。可知:設計狀態(tài)曲線上32 m梁以外梁受力更為不利。運營過程中線路向曲線內(nèi)側(cè)的偏心一定程度上減緩了外梁受力的不利狀態(tài),僅計線橋偏心時,內(nèi)梁和外梁跨中組合彎矩均小于設計最不利值。道砟超厚對內(nèi)梁和外梁均存在不利影響,道砟厚度680 mm時,內(nèi)梁和外梁跨中組合彎矩均大于設計最不利值,其中外梁彎矩20 552 kN·m較設計最不利值17 166 kN·m大20%。同時考慮道砟超厚和線橋偏心效應,內(nèi)梁和外梁跨中組合彎矩分別為18 939 kN·m和19 221 kN·m,較設計最不利值分別大10%和12%。換算線橋額外偏心-310 mm時與道砟超厚270 mm時的內(nèi)梁跨中組合彎矩相當。

        表2 線橋偏心和道砟超厚下T梁跨中組合彎矩及其比較

        對于線橋偏心和道砟超厚病害的整治,應根據(jù)病害的實際情況,以線路專業(yè)的軌道線形和標高調(diào)整為主,并根據(jù)實際運行列車的情況設置合理的曲線超高,采取措施增強軌道結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性[7]。

        4 結(jié)論

        1)在設計活載偏載系數(shù)理論計算方法的基礎上,推導了考慮運營階段線橋額外偏心的活載彎矩偏載系數(shù)計算公式,可用于線橋偏心狀態(tài)梁體結(jié)構(gòu)受力分析。

        2)列車活載偏載效應與橋梁跨度、曲線半徑、曲線超高的設置以及行車速度、道砟厚度、線橋偏心值有關(guān)。隨行車速度增加,外梁活載彎矩偏載系數(shù)增大、內(nèi)梁減?。坏理暮穸葘钶d彎矩偏載系數(shù)影響很?。痪€橋偏心使得偏心側(cè)梁體活載彎矩偏載系數(shù)增大。

        3)實測列車活載彎矩偏載系數(shù)與采用多層梁格模型分析的結(jié)果吻合較好,但與理論計算式結(jié)果存在一定偏差。列車低速行駛時,理論計算式和梁格法計算結(jié)果相差10%~15%,車速80 km/h時兩者基本一致。在對結(jié)構(gòu)實際受力進行評估時,采用精細化分析的梁格法更為合理。

        4)線橋偏心使得雙片式T梁偏心側(cè)活載效應增大,由于曲線上線路相對橋梁多發(fā)生向曲線內(nèi)側(cè)的偏心,對32 m梁來說在一定程度上緩解了設計狀態(tài)更為不利的外梁受力狀態(tài);道砟超厚使得內(nèi)梁和外梁的二期恒載效應均明顯增大,對兩片梁受力均不利。

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