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一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法與流程

文檔序號(hào):11704019閱讀:980來(lái)源:國(guó)知局
一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法與流程

本發(fā)明涉及橋梁工程,特別涉及一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法,在保證橋梁在高速列車運(yùn)行的安全性和舒適性前提下,可有效降低橋梁工程投資。



背景技術(shù):

高速公路、高速鐵路、航空運(yùn)輸是我國(guó)快速交通網(wǎng)的三大組成部分,當(dāng)前三種運(yùn)輸方式都在迅速地建設(shè)發(fā)展中。高速鐵路的設(shè)計(jì)速度均在200km/h以上,多數(shù)為250~350km/h。

當(dāng)列車通過(guò)橋梁時(shí),運(yùn)行速度不同,產(chǎn)生的影響也不同。當(dāng)行車速度達(dá)到200km/h以上時(shí),由于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題產(chǎn)生的影響將控制橋梁設(shè)計(jì),直接影響行車的安全性和旅客乘坐的舒適性。因此,在高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中,如何保證橋梁達(dá)到與設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值相應(yīng)的安全性和舒適性,是橋梁設(shè)計(jì)必須考慮的核心問(wèn)題。

高速鐵路是一個(gè)綜合性系統(tǒng)工程,保證橋梁在高速條件下的安全性和舒適性,需要考慮各種相關(guān)因素,例如必須嚴(yán)格控制橋梁結(jié)構(gòu)的變形,保持軌道持續(xù)穩(wěn)定和高平順性。高速鐵路橋梁在各種荷載工況下的變形,將直接導(dǎo)致橋上軌道結(jié)構(gòu)的變形,從而影響高速列車運(yùn)行的安全與乘坐的舒適。因此必須對(duì)橋梁墩臺(tái)的水平剛度、基礎(chǔ)的沉降變形、梁體撓度、梁端轉(zhuǎn)角、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的后期殘余徐變變形等,作嚴(yán)格的限定與控制,才能使線路軌道的平順性保持在允許范圍內(nèi)。

在高山峽谷地區(qū)修建高速鐵路,上承式大跨度拱橋常常是經(jīng)濟(jì)合理的跨越橋型。在此類橋梁設(shè)計(jì)中,橋梁在溫度、風(fēng)力及車輛荷載作用下橋梁不可避免的會(huì)發(fā)生橫向位移,設(shè)計(jì)如何控制橋面的橫向變形,對(duì)保證列車高速平穩(wěn)通行至關(guān)重要。

我國(guó)現(xiàn)行《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(tb10621-2014)對(duì)于橋梁橫向位移的限值只適用于跨度小于96m的混凝土結(jié)構(gòu),而常規(guī)大跨度鐵路橋梁一般采用主跨200m以下的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和系桿拱等橋型,該類鐵路橋梁設(shè)計(jì)中橋梁的橫向剛度一般采用結(jié)構(gòu)的一階橫向自振周期來(lái)控制(主橋的一階自振周期不大于1.7s)。從工程實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看,對(duì)常規(guī)梁橋來(lái)說(shuō),采用該指標(biāo)進(jìn)行控制效果較好。但對(duì)于跨度超過(guò)300m的橋梁,尤其是近年來(lái)屢次在西南山區(qū)高速鐵路中出現(xiàn)的跨度在400m以上的超大跨度上承式拱橋而言,該指標(biāo)的適用性就有待商榷了。對(duì)此類大跨度復(fù)雜橋梁若還采用傳統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn),將大橋的一階橫向自振周期控制在1.7s以內(nèi),則會(huì)造成工程量的極大浪費(fèi),甚至影響該橋型的選用。

因此在高速鐵路300m及以上大跨度上承式拱橋設(shè)計(jì)中,橫向位移如何控制就成為了一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題。急需找到一種簡(jiǎn)單有效的大跨度上承式拱橋橫向位移的控制方法。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法,以有效解決大跨度上承式鐵路混凝土拱橋橫向位移控制的難題,使該類橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單、合理,有效降低橋梁工程投資。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下:

一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法,主橋結(jié)構(gòu)體系由主拱圈、拱上墩柱和主橋梁部構(gòu)成,其特征是:將所述主橋梁部視為拱上墩柱對(duì)其橫向無(wú)約束的等效簡(jiǎn)支梁,將所述主拱圈視為拱上墩柱的彈性支撐,主拱圈及拱上墩柱視為只給等效簡(jiǎn)支梁傳遞水平荷載;拱上墩柱在主拱圈上均勻布置,其傳遞的水平力等效為水平均布荷載,主橋梁部的橫向位移曲線采用水平均布荷載作用下等效簡(jiǎn)支梁的橫向撓度曲線來(lái)擬合,主橋梁部跨中水平撓度δ按下式控制:

即可有效滿足高速鐵路線路橫向平順性的要求,式中,l為主橋梁部長(zhǎng)度。

本發(fā)明的有益效果是,針對(duì)大跨度上承式拱橋橫向位移控制,創(chuàng)造性的提出了“等效簡(jiǎn)支梁法”,填補(bǔ)了我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的空白,解決了大跨度上承式鐵路混凝土拱橋橫向位移控制的難題,使得該類橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單、合理;能夠有效的減小主橋各構(gòu)件(主拱、拱上墩柱、主橋梁部)的結(jié)構(gòu)尺寸,更加準(zhǔn)確的反映出大橋在各橫向荷載作用下的受力情況,能顯著地降低橋梁造價(jià)。

附圖說(shuō)明

本說(shuō)明書(shū)包括如下六幅附圖:

圖1是典型的上承式拱橋的立面圖;

圖2是梁端折角的示意圖;

圖3是拱橋引橋梁縫處梁端轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)示意圖;

圖4是本發(fā)明一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法中等效簡(jiǎn)支梁的示意圖;

圖5是本發(fā)明一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法的示意圖;

圖6是實(shí)施例的示意圖。

圖中示出構(gòu)件和對(duì)應(yīng)的標(biāo)記:拱座10,主拱圈11,拱上墩柱12,主橋梁部13,左側(cè)引橋梁體21,右側(cè)引橋梁體22,左側(cè)梁縫a1,右側(cè)梁縫a2,等效簡(jiǎn)支梁t,主橋梁部長(zhǎng)度l。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1示出的是一座典型的上承式拱橋,主橋結(jié)構(gòu)體系由主拱圈11、拱上墩柱12和主橋梁部13組成,主橋梁部13與左側(cè)引橋梁體21之間設(shè)置左側(cè)梁縫a1,與右側(cè)引橋梁體22之間設(shè)置右側(cè)梁縫a2。主橋上部的梁部荷載(包括列車荷載)通過(guò)拱上的拱上墩柱12傳遞至主拱圈11,荷載通過(guò)主拱圈11主要以壓力的形式傳遞至兩岸的拱座10,并最終傳遞至兩岸的巖石地基。對(duì)高速鐵路橋梁來(lái)講,橋梁的橫向變形主要源自列車的離心力、搖擺力,以及風(fēng)力和溫度的作用。橋梁的橫向變形大小與橋梁的橫向剛度有關(guān),但并不只與剛度有關(guān),例如橫向位移中占比較大的溫度變形就與橋梁橫向剛度無(wú)關(guān),所以單純從結(jié)構(gòu)剛度入手研究,無(wú)法得到合理的橫向變形控制方法。

高速鐵路列車之所以能夠保證高速平穩(wěn)運(yùn)行,除了在車輛上采用了大量的減振技術(shù)外,保持軌道持續(xù)穩(wěn)定和高平順性是關(guān)鍵。參照?qǐng)D2,雖然我國(guó)現(xiàn)行《高速鐵路規(guī)范》已不適用于大跨度拱橋,但可以從影響軌道橫向平順性的梁端折角的控制作為切入點(diǎn),來(lái)研究大跨度拱橋橫向變形的控制方法。

圖1示出的上承式拱橋梁部一共分成三個(gè)部分,中間是主橋梁部13,兩側(cè)分別是左側(cè)引橋梁體21(小里程引橋梁部)和右側(cè)引橋梁體22(大里程引橋梁部),它們之間一共有兩道梁縫(左側(cè)梁縫a1、右側(cè)梁縫a2)。對(duì)于大跨度拱橋,根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算列車橫向搖擺力對(duì)橋梁產(chǎn)生的橫向位移非常有限,設(shè)計(jì)基本可以忽略不計(jì),因此引起橋面發(fā)生橫向位移主要因素為列車離心力、風(fēng)力及溫度的作用。對(duì)高速鐵路橋梁來(lái)講,一座橋梁上一般只可能有一個(gè)平曲線,因此離心力作用下只會(huì)使橋梁整體偏向一側(cè)(或左側(cè)或右側(cè))。橋梁在橫向風(fēng)力作用下的橋面橫向變形,很顯然也只會(huì)是橋梁整體偏向一側(cè)。溫度作用引起的橋梁橫向變形,是由陽(yáng)光偏曬使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向溫差所引起,由于陽(yáng)光偏曬具有一致性,所以溫度作用下的橋梁橫向變形也只會(huì)整體偏向橋梁一側(cè)?;谝陨戏治?,在列車離心力、風(fēng)力及溫度作用下,拱橋橋面只可能向拱橋一側(cè)偏移,以小里程梁縫為例,梁端轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)圖3所示。

圖3中,簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)動(dòng)凈值為θ1,主橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)凈值為θ2,梁端折角為θ=θ2-θ1,按照規(guī)范要求θ=θ2-θ1≤0.001。由于在列車離心力、風(fēng)力及溫度作用下,拱橋橋面只可能向一側(cè)偏移,所以θ1必然大于等于0,因此只要θ2≤0.001,該梁縫處的梁端折角即滿足要求。換言之,主橋梁部橫向位移曲線對(duì)應(yīng)的梁端轉(zhuǎn)角θ2只要小于0.001,梁縫處的梁縫折角即滿足要求,也就滿足了高速鐵路線路橫向平順性的要求。

參照?qǐng)D4和圖5,對(duì)于大跨度拱橋,主橋結(jié)構(gòu)體系系由主拱圈11、拱上墩柱12和主橋梁部13構(gòu)成,主橋梁部13的橫向位移與主拱圈11和墩柱12的橫向剛度關(guān)系密切,主橋梁部13橫向變形與主拱圈11具有明顯的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)主橋部分受力及橫向變形的特點(diǎn),可將主橋梁部13視為拱上墩柱12對(duì)其橫向無(wú)約束的等效簡(jiǎn)支梁t,將主拱圈11視為拱上墩柱12的彈性支撐,主拱圈11及拱上墩柱12視為視為只給等效簡(jiǎn)支梁t傳遞水平荷載,由于拱上墩柱12在主拱圈11上均勻布置,因此等效為水平均布荷載。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究比較和實(shí)際工程的驗(yàn)證,主橋梁部13的橫向位移曲線可采用以上假設(shè)的水平均布荷載作用下“等效簡(jiǎn)支梁t”橫向撓度曲線來(lái)擬合,且是偏安全的。

如此,橫向位移曲線上各位置的撓度ω、梁端轉(zhuǎn)角值θ分別見(jiàn)下列公式:

拱橋的跨中位置x=l/2,則跨中撓度δ為:

式中:q為等效簡(jiǎn)支梁橫向均布荷載;x為等效簡(jiǎn)支梁位移計(jì)算點(diǎn)至梁端的距離;l為等效簡(jiǎn)支梁計(jì)算跨度,即主橋梁部長(zhǎng)度;e為等效簡(jiǎn)支梁材料彈性模量;i為等效簡(jiǎn)支梁橫向抗彎剛度;

結(jié)合前面轉(zhuǎn)角分析結(jié)果,等效簡(jiǎn)支梁t在左側(cè)梁縫a1、右側(cè)梁縫a2兩端轉(zhuǎn)角:θ≤0.001,從而得到跨中撓度:

對(duì)于大跨度拱橋,只需按上式對(duì)拱頂(橫向位移最大)處的橫向水平位移進(jìn)行控制,梁縫處的梁端轉(zhuǎn)角即可滿足規(guī)范要求,也就滿足了高速鐵路線路橫向平順性的要求。

由此,本發(fā)明將所述主橋梁部13視為“等效簡(jiǎn)支梁t”,將主拱圈11、墩柱12視為只給簡(jiǎn)支梁t傳遞水平均布荷載,依據(jù)均布荷載作用下簡(jiǎn)支梁的撓度及轉(zhuǎn)角公式,并引入“等效簡(jiǎn)支梁”t在引橋梁縫處的轉(zhuǎn)角θ≤0.001的變形條件,可推導(dǎo)得到主橋梁跨中水平撓度δ:

即可滿足高速鐵路線路橫向平順性的要求,式中,l為主橋梁部長(zhǎng)度,即主橋梁部13由左側(cè)梁縫a1至右側(cè)梁縫a2的長(zhǎng)度。

實(shí)施例:

申請(qǐng)人滬昆客專北盤(pán)江特大橋設(shè)計(jì)時(shí),采用了該方法進(jìn)行橋梁橫向位移控制。參照?qǐng)D6,北盤(pán)江橋全長(zhǎng)721.25m,主橋?yàn)榭缍?45m上承式鋼筋混凝土拱橋,為世界最大跨度的鋼筋混凝土拱橋。引橋及拱上結(jié)構(gòu)孔跨布置為1×32m簡(jiǎn)支箱梁+(2×65m+8×42m+2×65m)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁+2×37m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

該橋各種工況下拱頂橋面處橫向位移值為:

橫向搖擺力:1.3mm

橫向風(fēng)力:50.1mm

溫度變化(拱圈和拱上墩柱橫向均單側(cè)升溫10°):51.4mm

合計(jì):102.8mm。

可見(jiàn),北盤(pán)江橋拱頂橋面處橫向最大位移滿足本控制方法的要求。

北盤(pán)江橋于2016年8月開(kāi)始聯(lián)調(diào)聯(lián)試試運(yùn)營(yíng),2016年12月正式運(yùn)營(yíng)通車通車,初期運(yùn)營(yíng)速度300km/h,期間列車最高行車速度達(dá)到330km/h,運(yùn)行時(shí)列車各項(xiàng)動(dòng)力及舒適性參數(shù)均滿足要求,列車運(yùn)行平穩(wěn),說(shuō)明設(shè)計(jì)采用的本發(fā)明橋梁橫向變形控制方法切實(shí)可行。并且采用本發(fā)明“等效簡(jiǎn)支梁法”,全橋橫向一階自振周期為3.54s,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的1.7s。本橋采用本發(fā)明“等效簡(jiǎn)支梁法”控制較原一階橫向自振周期控制法,主拱圈拱腳截面寬度由36m減小至28m,拱頂截面寬度由22m減小至18m,主拱板厚及拱上結(jié)構(gòu)尺寸均相應(yīng)減小,經(jīng)測(cè)算,工程造價(jià)降低約30%左右,節(jié)省投資約1.85億元。

因此,采用本發(fā)明橫向位移控制方法,較原有大跨度橋梁一階橫向自振頻率的方法,能夠有效的減小主橋各構(gòu)件(主拱、拱上墩柱、主橋梁部)的結(jié)構(gòu)尺寸,更加準(zhǔn)確的反映出大橋在各橫向荷載作用下的受力情況,既方便使用又顯著的提高了經(jīng)濟(jì)性(在示例橋梁中降低造價(jià)30%左右,且跨度越大節(jié)約的效果越明顯)。是一種值得大范圍推廣的大跨度上承式鐵路拱橋橫向位移控制方法。

以上所述只是用圖解說(shuō)明本發(fā)明一種高速鐵路大跨度拱橋的橫向位移控制方法的一些原理,并非是要將本發(fā)明局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi),故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物,均屬于本發(fā)明所申請(qǐng)的專利范圍。

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