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1.6 高速铁路无砟轨道混合组合梁斜拉桥适应性
之前,人们总是认为铁路桥梁应该尽可能采用刚度比较大的桥型,即使采用斜拉桥仍然必须注意加劲梁的竖向、横向和扭转刚度,最好仍以梁作为主要构件,索结构最好只是起到加劲作用。因此,最初铁路专用斜拉桥的梁高、梁宽、塔高与主跨跨径之比值均考虑取较大的值,斜拉索的强度安全系数也要考虑取较大的值。其实不然,斜拉桥毕竟是柔性结构,过多地去加大其刚度则必然不经济,在满足必要的强度、刚度条件的情况下,加劲梁上桥面轨道受荷载作用变形后所形成的竖向、横向曲线线形是否平滑圆顺,曲率半径是否满足客货列车运行安全、平稳和乘坐舒适性的要求。
1.6.1 混合组合梁斜拉桥各部分的适应性分析
1.边跨
铁路混合组合梁斜拉桥的边跨为边墩、辅助墩、桥塔及斜拉索竖向分力支承的多跨混凝土连续结构,其受力和变形基本上是中小跨度的连续梁结构,不容置疑,国内外高速铁路长期运行实践证明,这种中小跨连续梁桥面受荷载作用变形曲线的变化,能够满足桥上高速列车行驶的各项要求。
2.主跨
铁路混合组合梁斜拉桥的主跨为钢混组合截面箱形加劲梁,顶板为混凝土结构,腹板和底板等均为钢结构。因此:
其一,每延米重量比钢结构要重,相对钢梁而言组合截面梁能够进一步提高加劲梁的竖向和横向刚度。
其二,由于仅仅是顶板采用混凝土结构,这种钢混组合结构后期收缩徐变变形对桥面线形影响很小,因此对桥上无砟轨道的变形影响也很小。
其三,主跨加劲梁在长度渐变的斜拉索支承作用下桥面变位线形是平滑圆顺的,曲率半径可以控制在高速行车所要求的范围内。
3.车桥耦合振动
铁路钢箱混合组合梁斜拉桥的固振频率介于混凝土箱梁与钢箱梁之间,与高速列车耦合振动响应指标优于钢箱梁,加上有双面内倾斜拉索保向力的存在,能够使车桥耦合振动高速列车行驶的安全性和旅客乘坐的舒适性指标达到优良。
4.桥面与无砟轨道连接技术
铁路钢箱混合组合梁斜拉桥的桥面与无砟轨道底座混凝土板的连接完全与高速铁路混凝土梁成熟的连接技术相同,毫无疑问,就连接技术而言对无砟轨道结构没有影响。
1.6.2 非直接荷载作用下的变位线形
为考察铁路钢箱混合组合梁斜拉桥对铺设无砟轨道的适应性,以主跨300m高速铁路桥上无砟轨道钢箱混合组合梁斜拉桥为例,对加劲梁梁部在徐变、温度等非直接荷载作用下的变形如图1-81~图1-86所示。
1.徐变荷载作用下的变形
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图1-81 徐变3年主梁竖向位移(其中桥塔收缩徐变产生-17mm)
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图1-82 合龙60d后主梁竖向位移
由于组合梁上混凝土桥面板采用预制,并要求存板期在6个月以上,因此混凝土板收缩徐变产生的变形小。
2.温度荷载作用下的变形
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图1-83 整体升降温25℃主梁竖向位移
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图1-84 拉索升降温10℃主梁竖向位移
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图1-85 顶板升温10℃主梁竖向位移
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图1-86 桥塔一侧升温5℃主梁竖向位移
1.6.3 直接荷载作用下的变位线形
1.高速运营列车荷载图式
高速运营列车车辆荷载图式布置如图1-87所示。
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图1-87 列车8辆编组动车组荷载图式(距离以m计,荷载以t计)
2.高速运营列车动车组动力放大系数
高速动车组荷载图式考虑动力放大系数计算结果见表1-25。
表1-25 动车组动力放大系数计算结果表
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3.动车组荷载作用下竖向位移
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图1-88 列车8辆编组动载作用下加劲梁最大竖向位移(对应曲率半径81643m)
对比图1-88与图1-89,列车16辆编组比列车8辆编组动车组产生的竖向位移值略大,因此,取列车16辆编组荷载作用下的位移值作为最后采用结果。
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图1-89 列车16辆编组作用下加劲梁最大竖向位移(含冲击系数,对应曲率半径78782m)
1.6.4 非直接与直接荷载作用下加劲梁竖向变位组合
各单项荷载作用下加劲梁竖向变位组合见表1-26。各种组合加劲梁竖向位移曲线如图1-90~图1-95所示。
表1-26 变形组合表
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图1-90 组合Ⅰ加劲梁竖向位移
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图1-91 组合Ⅱ加劲梁竖向位移
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图1-92 组合Ⅲ加劲梁竖向位移
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图1-93 组合Ⅳ加劲梁竖向位移
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图1-94 组合Ⅴ加劲梁竖向位移
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图1-95 各种组合加劲梁竖向位移(位移最大时对应曲率半径49845m)
1.6.5 非直接与直接荷载作用下加劲梁梁端变位
各种荷载作用下加劲梁梁端变位值见表1-27。
表1-27 加劲梁梁端纵向变位值
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1.6.6 高速铁路无砟轨道混合组合梁斜拉桥适应性判别
高速铁路桥上铺设无砟轨道要求桥梁在非直接和直接荷载组合作用下,铁路混合组合梁斜拉桥竖向变形曲率满足式(1-3)。
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式中 Rsh——设计荷载作用下的结构变形曲率半径(m);
vsj——高速列车运行速度(km/h)。
当高速列车以vsj=350km/h通过桥梁时,则。上述主跨300m铁路混合组合梁斜拉桥主跨为钢混组合截面加劲梁,在非直接和直接荷载组合作用下加劲梁竖向变形最小曲率半径Rsh=49845m,符合式(1-3)的要求。边跨为具有多个支承的混凝土连续结构,变形与一般的连续梁结构变形类似均较小。高速列车不减速通过桥梁时,以德国低干扰轨道不平顺谱和中国高速铁路轨道不平顺参数进行车桥耦合动力响应分析表明:
①桥梁的横向挠跨比、横向加速度、竖向加速度和单侧梁端竖向折角均满足要求,桥梁的动力性能满足要求。
②车辆运行安全性均满足要求,平稳性达到优秀。
③列车以不同入桥距离差双车对开时,车辆和桥梁的响应均满足要求,未发现明显的最不利入桥距离差。
在荷载组合作用下,斜拉桥加劲梁梁端水平变位均小于300mm,无砟轨道加劲梁梁端转角为0.129‰rad,满足小于1‰rad的要求。
综上所述,可以说铁路钢箱混合组合梁斜拉桥虽然属于柔性结构范畴,但是,荷载作用下的变形曲线连续、平滑、圆顺,通过采用组合截面加劲梁而获得较大的重力刚度,并采取预加力刚度法进一步提高了钢箱混合组合梁斜拉桥的整体刚度,使得主跨300m的斜拉桥挠跨比指标达到主跨跨径的1/850以上,经车桥耦合结构动力响应分析,铁路钢箱混合组合梁斜拉桥完全适应高速行车的要求。