铁路简支梁桥桥台承受列车制动力的计算分析

2021-10-02 来源：好走旅游网

第15卷第11期中国

2005年11月China安全

Safety科学Science学报Vol.15No.11

　　　　　　　　　　　JournalNov.2005

铁路简支梁桥桥台承受列车制动力的计算分析

雷俊卿1　教授　田文野1,2　李宏年1

(1北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044　2北京市市政工程设计研究总院,北京100045)

学科分类与代码:62015020　　　　　　　中图分类号:X928.02　　　　　　　文献标识码:A基金项目:国家自然科学基金资助(50178004)。

【摘　要】　铁路桥台是桥梁和路基之间过渡的结构物,列车制动力通过桥台进行传递,其传递的机理和数

值大小对桥台设计意义重大。笔者首次应用桥墩线刚度概念,把长钢轨力传到路基或更多的桥跨上,目的在于增加桥墩台抵抗长钢轨力的能力,以减小每个墩台的长钢轨力。应用结构分析的伪动力法,对不同跨度、不同长度的铁路简支梁桥墩台承受制动力进行大量计算;确定了16m,24m及32m跨度桥梁的桥墩台可能承受的最大制动力,并与试验结果进行对比分析;研究了桥台传递列车制动力的机理,为确定简支梁桥的墩台制动力设计值提供了理论基础。通过分析制动力作用下的桥台安全性问题及措施,提出了列车制动力率取0.2和有效制动力率取0.15比较合理的数值,以确保列车运营的可靠与安全。

【关键词】　简支梁桥;　列车制动力;　铁路桥台;　计算分析;　安全性

CalculationAnalysisofTrainBrakingForceonAbutmentof

SimpleSupportedRailwayBridges

LEIJun2qing1,Prof.　TIANWen2ye1,2　LIHong2nian1

(1SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)2BeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Beijing100045,China

Classificationandcodeofdisciplines:620.5020　　　　　　CLCnumber:X928.02　　　　　Documnetcode:ABridgeabutmentisthetransitionstructureofthebridgeandthesub2grade,throughwhichthetrainbrakingforceisAbstract:　

transferred.Themechanicsandnumericalvaluetransferredaresignificantinthedesignofthebridgeabutment.Forthefirsttimeusingtheconceptionoflinearstiffnessofbridgepier,theforceoflongsteelrailisdeliveredtothesub2gradeandevenmorebalksaimingatstrengtheningtheresistingabilityofbridgepierandabutmenttoreducethepressureonsinglebridgepierandabutment.Numerouscalculationsarecarriedoutforsimplesupportedrailwaybridgeswithdifferentspansanddifferentbridgelengthsusingpseudo2dynamicstructureanalysismethod.Themaximumbrakingforcespossiblyexertingonabutmentsofbridgeswithspansof16,24and32metersaredeterminedandcomparedwiththetestresults,providingatheoreticalbasistodelimitthebrakingforce.Itisonthisbasisthatcalculationandanalysisarealsopresentedforthesafetyofabutmentsundertheactionofbrakingload.Itisbelievedthatwhenthebrakingforceratiois0.2andtheefficiencybrakingforceratiois0.15,thereliabilityandsafetyoftrainoperationcouldbeassured.

simplesupportedrailwaybridge;　railwayabutment;　brakingforce;　calculationandanalysis;　safetyKeywords:　

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1　引　言

铁路桥梁墩台承受水平列车制动力的设计计算涉及列车编组、线路及桥梁结构形式,长期困扰理论计算分析,因而造成世界各国规范对制动力的数值规定差别很大[1]。为计算简便,世界各国都用制动力率———制动力与考虑范围内的列车竖向静活载的比值规定制动力的大小。

(以下简称)没我国《铁路桥涵设计基本规范》“铁桥规”

在前人试验研究的工作基础上,文献[3]从列车制动机理入手,对铁路桥梁墩台承受列车制动力问题进行了系统研究,提出了用于时程分析的动力计算方法,以及用于确定铁路桥梁的墩台承受最大制动力的动力计算方法,为深入研究这一工程中的复杂受力问题提供了有效的研究方法。

笔者应用伪动力法,对不同跨数、不同桥墩台刚度的

16m,24m和32m跨度的铁路简支梁桥桥台最大制动力进

行了大规模的计算分析,得出不同跨度桥台承受的最大制动力值,并与《铁桥规》规定的制动力设计值进行了比较分析。

有制动力率规定,但却规定了有效制动力率θe=0.1,即认为桥梁墩台的制动力设计值取0.1倍的桥上列车静活载;而日本规范[2]对制动力率和有效制动力率则分别取0.35和

0.25。也就是说,在铁路桥梁的墩台设计中,日本考虑的制2　铁路桥桥台的力学特性单个铁路桥梁桥台的最大受力问题是桥梁承受列车制动力课题中最为复杂,也是现有计算方法感到很困惑的问题。笔者首先讨论桥梁桥台承受列车制动力的受力特性,然后对确定桥台最大制动力的伪动力计算方法进行分析,最后以16m,24m,32m梁为例,给出简支梁桥桥台的最大制动力值的计算方法[4],并对既有桥台进行安全性评估。

为讨论问题方便,笔者约定:每孔梁的左端设活动支座,右端设固定支座;列车自左方0号台(近台,设活动支座)驶入桥梁,如图1所示。

动力值是我国的2.5倍。此外,美国、前苏联及欧洲国家制动力的取值也相差甚大。表1是世界一些国家的规范值,对有效制动力率而言,而前苏联和中国还没有作为桥梁设计荷载值的制动力率的规定,此空白迫切需要研究填补。

表1　世界主要国家对制动力率的规定

国家前苏联

θ—θ0.10e

中国

—

0.10

美国

0.150.12

日本

0.350.25

英国

0.250.167

德国

0.250.13～0.25

图1　铁路简支梁桥台承受制动力的最不利制动停车位置示意图

　　国内外大量的列车制动力试验研究表明:列车制动力在停车前瞬间达到最大值,而桥台承受的最大制动力值又与桥上的线路轨道的制动力密切相关。即由线桥结构(包括桥上线路、梁跨、支座及墩台)共同承受。因此,研究桥台承受的制动力问题时,首先要建立线桥整体结构模型。

笔者采用线桥结构梁单元模型。其中:钢轨按60kg/m焊接长钢轨取值;梁体单元的位置取实际梁体的中性轴,中性轴以上梁高以及支座处中性轴以下梁体用刚臂模拟;道床纵向刚度具有很大的变异性,实测刚度在5～30MN/m之间,制动力作用下轨底与梁体上缘的相互位移不大于2mm,故道碴床处于弹性工作阶段[2],计算均采用弹性分析。

跨度16m,24m和32m的T形桥台的纵向刚度在4941～

34771MN/m之间变化,桥台纵向刚度取5000MN/m。根据文

献[5]研究结果,支座对桥台受力同样影响显著,笔者只讨论承受制动力较大的设置钢支座的情况。

道床纵向刚度取15MN/m;桥墩纵向刚度对桥台受力影响显著,为便于分析,将桥墩刚度按照每延米纵向刚度分为8个等级,如表2所示。这8个等级的桥墩纵向刚度包含了不同高度圆端形重力式桥墩的刚度变化范围。桥墩每延米纵向刚度为单个桥墩的纵向刚度除以一孔梁的梁缝中心距得到。

桥墩线刚度的前提:制动力+牵引力同时达到最大控制长钢轨内力。此取值对桥墩台受力大小的影响不超过5%,却使桥台的计算分析大为简化。因此,笔者全部计算均采用弹性分析。

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表2　16m、24m、32m跨度铁路简支梁桥桥墩刚度等级

刚度等级

桥墩线刚度(MN/m)

16m跨度桥墩刚度(MN/m)24m跨度桥墩刚度(MN/m)32m跨度桥墩刚度(MN/m)

115.0248.4370.5490.5

212.0198.7296.4392.4

39.0149.0222.3294.3

46.099.4148.2196.2

54.066.298.8130.8

62.033.149.465.4

71.016.624.732.7

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80.58.312.3516.4

3　铁路桥台承受制动力的动力分析

为建立结构最大响应与列车停车位置的关系,还需将结构的时程响应转换为路程响应,这需要引入相对坐标的概念。相对坐标定义为

m=x0+vt󰁡l

计算

311　列车制动力的动力分析计算

列车制动力是一随时间变化的移动水平轴荷载序列

bj(t)(j=1,2,…,n)。该荷载序列的大小及变化规律与列式中,󰁡l是等跨度桥的梁缝中心距。为使梁缝中心对应整数

m值,需取x0=-a󰁡l,式中,a为一正整数,根据跨度可取

车编组、制动机类型、列车管风压、制动工况等多种因素相关。针对货运列车紧急制动条件编制的列车制动动力计算程序ZDL,可根据实际采用的列车参数得到制动力轴荷载bj(t)。我国货运列车采用磷铁闸瓦,bj(t)为一单调升函

1或2;对n孔简支梁桥,可取运动终止位置x1=(n+2a)󰁡l。

按上述方法处理后,m=i恰好表示列车第一轴到达i号墩中心。

图2是一座4孔24m简支梁桥(桥墩刚度等级5)墩台承受制动力的伪动力分析时程,曲线上标注的数字为墩台号。

数,并在制动停车前瞬间达到最大值bjmax。为使列车产生较大的制动力荷载值,计算按以下条件选取参数:

1)制动列车:2台DF4内燃机车牵引15辆C62A重载

货车;

2)制动机:机车采用JZ-7制动机,车辆采用120型制

动机;

3)其他条件:列车制动初速度40km/s,紧急制动,高磷

闸瓦,600kPa列车管风压。

312　动力分析法计算原理

由于制动力在停车前瞬间达到峰值,桥台承受的制动力不仅与列车参数有关,还与列车在桥上的停车位置密切相关。在动力分析法提出之前,理论上还无法解决桥墩台最大制动力的计算问题。文献[3]对伪动力方法进行了详尽的论述,其基本原理如下:

根据文献[3],当列车制动停车在桥上某一位置时,线桥结构的最大动力响应,与将bjmax作用在相同位置线桥结构的静力响应基本一致,这是应用伪动力分析法的前提条件。现给出动力分析法的原理及主要步骤:

1)运用列车制动动力计算,得出前述条件下列车制动

图2　4孔24m简支梁桥伪动力时程响应

　　图3是按上述方法转换得到的路程曲线,横坐标为无量纲相对坐标,表示列车第一轴的停车位置,1号、2号、3号墩和4号台达到最大值对应的相对位置。列车制动停车时,任意墩台的最大制动力总在第一轴超过该墩台一段距离后产生,这与国内外的桥上列车制动试验结果完全相符。

停车前瞬间的最大轴荷载序列bjmax。

2)以x0为第一轴起始位置,让bjmax以匀速v通过桥

梁,并将其转化为线桥模型中的钢轨节点荷载向量F(t);其中的Fi(t)是作用在上第i个节点上的水平荷载时程。

3)求F(t)作用下线桥结构动力响应,得到任意单元的

最大内力(或任意节点最大位移)。

不难理解,当bjmax移动速度很慢时,任意位置对应的结构动力响应,等于将bjmax静止于同一位置时的结构静力响应。可见,伪动力法的基本原理就是通过一次动力分析过程,得到一条连续的静力分析曲线。这一性质对复杂结构移动荷载作用下静力分析有着重要的意义。

图3　转换坐标4孔24m简支梁桥伪动力路程响应

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4　桥台承受的最大制动力计算分析

对表3所列跨度和孔数、8种桥墩刚度共128种条件的简支梁桥进行了伪动力计算。

表3　桥墩台伪动力计算分析范围

跨度

16m24m32m

222

444

666

　　图4～图6分别是16m,24m及32m跨度桥梁远端桥台的最大制动力计算结果,图中曲线上标注的数字表示桥墩刚度等级。选择远端桥台进行分析的理由是:远端桥台设置了固定钢支座,而近端桥台设置活动支座,其承受制动力远远大于桥墩和近端桥台承受的制动力。图2和图3示出的计算结果已经证明了此结论的正确性。

3种跨度的桥台承受的制动力计算揭示了以下共同的

孔　数

888

1010

—

———

规律:

1)远台所承受的制动力随桥长(体现为跨数)的增大而

增大。

2)相同跨度且相同孔数的桥梁,桥墩刚度越小,远端桥

台受到的制动力越大;相同刚度和跨数的桥梁,跨度大时,远端桥台受力大。

3)桥梁的桥墩纵向刚度较小时,远端桥台承受的制动

力随着孔数的增多迅速趋近一限值,这主要是因为实际中的墩台刚度比有一限值的体现。对于16m,24m和32m跨度的简支梁桥,这一限值分别约为625kN,725kN和875kN,如图4～图6所示。

铁路简支梁桥的桥台设计中,列车制动力作为一项重要的荷载和其他荷载组合,共同控制桥台的设计。《铁桥规》荷载取中-活荷载(见图7所示),并规定制动力或牵引

图4　16m跨度桥远台最大制动力

力按竖向静活载的10%计算,其作用点在轨顶以上2m处,但计算桥墩台时移至轨底处,均不计移动作用点所产生的力或力矩。制动力和中-活荷载的组合如图8所示,尽管中-活荷载组合图示不限与此,但是此种组合时,制动力设计值最大,为了比较制动力设计值和计算值的差别,取设计制动力较大的计算图示。

图7　中-活荷载示意图

图5　24m跨度远台最大制动力

图8　24m跨度单孔轻载荷载组合图示

　　在实际桥梁设计中计算列车制动力时,桥台道碴槽的长度对桥台制动力设计值影响很小。笔者在计算桥台设计制

图6　32m跨度远台最大制动力

动力时,对于16m,24m和32m跨度的简支梁桥桥台道碴槽长度分别取为:6m,8m和10m。这些取值比设计时的要大,

第十一期　　　　　　　　　　雷俊卿等:铁路简支梁桥桥台承受列车制动力的计算分析在设计中是偏于安全的取值,取值如表4所示。远端桥台承受制动力计算值和设计算值相互关系如图4～图6所示。

表4　桥台道碴槽长度取值

跨度(m)

162432

・95・

定性。

2)通过桥台承受列车制动力的计算得出的数值比较

分析,在实际桥台设计中《铁桥规》,规定的列车制动力设计值远低于计算值,这说明《铁桥规》中列车制动力的规定不尽全面合理,希望能在新的《铁桥规》制修订时予以考虑。按制动力率取0.2和有效制动力率取0.15则比较合理可靠与安全。

3)在任何条件下,桥台制动力的设计值都远低于实际

道碴槽长度(m)

6810

设计制动力(kN)

249346432

5　结　论

我国既有铁路在进行无缝线路改造时,长钢轨力的大小受到限制,所以桥上均采用了小阻力扣件,把长钢轨力传到路基或更多的桥跨上,以减小每个墩台的长钢轨力。综上所述,可得如下结论:

1)首次应用了桥墩线刚度概念,目的在于增加桥墩台计算值,由图4～图6可以验证,这在实际设计中是不安全和很危险的。倘若再考虑地震水平力的作用,桥台将处于更不利的受力状态。4)在实际铁路桥梁结构中,虽然没有因为制动力而导

致桥台发生重大安全事故,但在设计过程中其他荷载的取值和按容许应力法计算时安全系数值较大及偏于保守,才保证了行车的安全性。单独从铁路桥梁的桥台计算结果和试验值可知,桥台自身的安全储备已被人为降低。

抵抗长钢轨力的能力,取消小阻力扣减,增加无缝线路的稳

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(10):85～89

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