轨道交通简支梁设计分析范文

1引言

新建铁路广州至珠海(含中山至江门)城际快速轨道交通工程桥梁占全线95%以上,本线具有以下特点:(1)多种交路主要开行站站停车,兼顾广州以远路网车及广州至珠海直达车。(2)多种运行速度本线速度目标值为200km/h,主要考虑直达车,而站站停车的最高运营速度为140km/h,珠海金唐车站后线路设计速度实际已降至80km/h,成为完全的城市轨道交通。(3)设置站点多且分布密集线路正线全长143.70Km,21个车站,最大站间距12Km,最小站间距3Km。(4)列车追踪间隔短,按2min设计。(5)运营车辆采用动力分散式车组。因此,广珠城际快速轨道交通工程综合了单式城际铁路与复式城际铁路特点,具有城市内轻轨、城市间快速交通、客运专线路网的特点,又与城市内轻轨、客运专线、一般铁路有区别,目前尚属新型的交通形式。图1和图2为广珠城际简支梁效果图。

2关于活载图式标准

本线运营车辆采用动力分散式动车组,六辆编组,车辆活载图式如图3。根据广珠城际特点,经过研究确定广珠城际快速轨道交通工程桥梁采用UIC荷载图式值乘以系数作为广珠快速城际轨道桥梁设计荷载图式标准如图4示。经研究,跨度小于10m梁或进行局部构件检算时,计算效应0.6UIC比实际车辆运营活载小,特别对临时施工设备用的铺轨机、架桥机荷载作用时,0.6UIC并不能完全包络,因此根据“荷载图式”另考虑验算车辆荷载轴重情况,采用四轴轴重为19.5t如图5所示荷载图式作为广珠城际验算活载图式,同时也作为小跨度桥涵结构的补充。经过计算表明:(1)换算均布静活载效应广珠城际活载图式作用下简支梁跨中弯矩为广珠城际实际运营车辆荷载作用下跨中弯矩2倍左右,支点反力为广珠城际实际运营车辆荷载作用下1.5倍左右。(2)换算均布动活载效应①广珠运营车辆荷载与广珠城际活载图式活载效应比较,换算均布动活载效应的平均值跨中弯矩为0.6UIC的52.42%,支点反力为0.6UIC的61.94%。②0.6UIC与中-活载及国内典型动车组比较,0.6UIC荷载换算均布活载效应平均值跨中弯矩为中-活载的65.73%、“中华之星”的225.96%、“神州号”的143.65%、“先锋号”的288.15%、“法国TGV”的172.37%、“德国ICE”的148.49%。由此可见,0.6UIC除不能满足大宗货物运输的货车外,其它的客车无论是动力分散式还是动力集中式车组都能进行包络。但本线为客运性质,无需考虑货车的问题。(3)广珠城际活载图式标准的发展系数广珠城际轨道桥梁活载图式将将0.6UIC做为设计荷载,发展系数1.6高于国内外发展系数平均水平1.488,处于国内外发展系数1.124~1.834之间,具备足够的荷载发展储备。

3主要设计技术参数

3.1动力系数广珠城际活载作用下动力系数按下面公式采用φ=2.16L-0.2+0.73式中:L-结构的计算跨度

3.2梁体变形限值根据广珠城际快速轨道交通工程桥梁设计荷载标准特点制定桥梁设计梁体变形限值如下:(1)竖向挠度梁部结构在广珠城际活载乘以动力系数φ后的作用下,梁体的竖向挠度不应大于表1所列数值。(2)梁的水平挠度在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下,梁体的水平挠度应不大于梁体计算跨度的1/4000。(3)梁端转角:在广珠城际活载乘以动力系数φ后的作用下,梁端竖向折角不应大于1‰rad。(4)由墩台横向水平位移差引起的相邻结构物轴线间的水平折角不得超过1‰。确定水平折角按以下荷载组合进行计算:考虑动力系数的列车活载,离心力,横向摇摆力,桥墩、梁体和车上的风荷载,桥墩和梁体结构的温度差,以及因地基位移造成的转动。

3.3预拱度的设置当由恒载及静活载引起的竖向挠度等于或小于10mm可不设预拱度,大于上述数值时应设预拱度;预拱度的数值曲线与恒载及1/2静活载所产生的挠度曲线基本相同,但方向相反。预应力混凝土梁,计算预拱度时尚应考虑预加应力的影响。

3.4强度安全值、抗裂安全值、应力等规定强度安全值大于2.2,抗裂安全值、应力、普通钢筋的配置与裂缝宽度的计算等均按现行铁路规范执行。

4梁体设计

4.1梁体截面选择桥梁截面形式是高架结构设计的重要前提,箱梁是目前国内外城市轨道交通高架区间普遍采用的主要梁部结构形式。上海轻轨9号线在国内率先采用了简支组合箱梁,国外意大利高铁设计了单箱截面、单箱双室截面及多箱室截面梁。由于箱梁结构采用了闭合截面,其抗弯、抗扭性能好,并具有外观简洁、整体性强、刚度大、结构耐久性好的特点,此外,箱梁还具有良好的动力特性,在列车走行时产生的振动及噪声均相对较小,有利于城市的环境保护;由于其刚度较大,混凝土后期徐变上拱较小,尤其适用于无碴轨道的应用。根据不同的设计需要,箱梁可以采用单箱或多箱截面梁。广珠城际轨道交通工程全线95%以上均为高架桥,位于经济发达、城镇化程度高的珠江三角经济带,对桥梁景观要求高,同时要求施工架梁方便,对周边影响小。因此,广珠城际轨道交通桥梁截面形式采用箱形截面形式,考虑在满足使用功能的前提下,力求经济、美观、方便施工,确定了以下4种圆弧形翼板斜截面箱梁形式:单箱双室、双箱单室、三箱单室和四箱单室。各截面梁的适用工点及施工方法:(1)单箱双室梁:适用于双线,全线均可使用,主要是考虑该截面梁重较重(600t),既可采用现浇施工,也可预制架设。主要应用在道路不通畅大面积荒地、鱼塘、稻田等空地。(2)双箱单室梁:适用于双线,全线均可使用,采用预制架桥机架设后通过隔板连接成一整体,每片梁重量300,t易于施工。(3)三箱单室梁:适用于双线;梁重较轻,采用预制架设,每片梁重180t。横向通过隔板连接成一整体,全线均可使用,但主要应用于线路与公路夹角较小,与门式墩或多柱墩相配套,可改善门式墩横梁受力。(4)四箱单室梁:适用于双线;梁重较轻,采用预制吊装架设,每片梁重150t。横向通过隔板连接成一整体,主要应用于高架车站。

4.2梁高的确定在确定梁的高度时,主要考虑以下因素:(1)满足规范所规定的刚度要求及桥梁动力响应分析结果;(2)配合线路标高和桥下净空的要求;(3)满足运输和架设的要求;(4)考虑各种跨度的梁的高度变化规律,应尽量做到标准化、模数化,以利模板的互用。据既有预应力混凝土简支梁的设计经验,高跨比h/L约为1/10~1/16,且跨度越大,比值越小,考虑到广珠城际活载相对客运专线较小,设计时对单箱双室和双箱单室截面形式的梁型梁高从2.1~2.4m(1/13~1/15),进行了比选,比选结果如表2。从表2可以看出,各截面梁梁高2.2m时,刚度指标能满足相关技术要求,考虑到不同跨度,不同截面梁型梁高统一尽量标准化,以利于设计施工,因此广珠城际简支梁梁高均定为2.2m。

5广珠城际简支梁桥动力动力特性分析

通过对广珠城际4种32m跨度简支梁分别配以不同墩高及墩型后构成双线简支梁桥的动力特性及列车走行性进行分析与计算,得出如下结论:(1)在所有计算工况下,桥梁的动力响应均满足要求;各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求,列车行车安全性满足要求。(2)当德国ICE3动力分散独立式高速列车、法国TGV铰接式高速列车、国产高速列车以车速250~350km/h、先锋号列车以车速140~270km/h通过各桥梁(单线行车或双线对开)时,列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上。综上所述,4种32m跨度简支梁分别配以不同墩高及墩型后构成双线简支梁桥具有良好的动力特性及列车走行性,能够保证列车运行的安全性和乘坐舒适性。

6广珠城际简支梁的经济性

广珠城际各类型简支梁每孔梁主要数量及国内客运专线简支梁主要数量对比如表3。从表3可以看出,广珠城际32m简支梁主要梁型单箱双室截面类型和双箱单室截面类型与秦沈客专、250Km/h客货共线、350Km/h客运专线简支梁相比,混凝土方量节约较多,每孔梁比秦沈客专梁可节约47.4m3,比250Km/h客货共线简支梁可节约73.8m3,比350Km/h客运专线简支梁可节约86.3m3,钢绞线用量上与三种简支梁用量相当,普通钢筋含筋量指标比三种简支梁略高,但总量上与秦沈相当,比250Km/h客货共线及350Km/h客专少10t左右;对于三箱、四箱单室简支梁与秦沈相比材料用量相当,比250Km/h客货共线及350Km/h客专用量要少,但三箱、四箱单室简支梁占全线比重只有5%~8%左右,另外,由于梁高较低,有效降低桥梁高度,可节约下部基础材料用量,因此广珠城际简支梁经济性良好,可节约大量投资。

7结束语

城际快速轨道交通的建设在我国尚属首次,桥梁的设计和施工均有一个不断完善的过程。在梁部设计中除遵循现有铁路规范外,还参照了国外的设计规范及国内公路规范,对梁体竖向、横向刚度限值,通过车桥动力响应计算来确定。广珠城际轨道交通简支梁结构先进,经济合理,轻巧实用,方便施工,在今后大规模的城际轨道交通建设中,无疑具有良好的应用前景。