CN106951668A - 一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法及斜拉桥 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及斜拉桥技术领域,特别涉及一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法及斜拉桥,本发明的铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法通过建立动力分析模型,并采用动力分析方法,分析斜拉桥结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应三个方面的影响规律,同时以车‑桥系统评价指标体系为指标进行评判,得出铁路大跨度斜拉桥的刚度限值范围和设计参数取值范围,使设计出的铁路大跨度斜拉桥的刚度及设计参数在限值范围内,从而使刚度得以控制,使大跨度斜拉桥满足使用性能要求,对推广铁路大跨度斜拉桥起着重要的作用,节省巨额成本。

Description

一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法及斜拉桥
技术领域
[0001] 本发明涉及斜拉桥技术领域,特别涉及一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法及 斜拉桥。
背景技术
[0002] 高速列车通过桥梁时,车辆和桥梁都会发生振动,过大的振动会影响行车安全性 及乘坐舒适性,桥梁振动与桥梁刚度具有直接联系,因此,必须要求桥梁具有一定的竖向刚 度和横向刚度,才能保证列车行车安全性与旅客乘车舒适性的要求。
[0003] 评价车辆走行性的指标主要是车辆安全性及车辆的平稳性,车辆安全性主要涉及 车辆脱轨及倾覆等危及行车安全的问题,采用车辆动力响应和桥梁动力响应指标来评价列 车脱轨安全度,车辆运行平稳性是衡量车辆运行性能的一项重要技术指标。
[0004] 对于大跨度的铁路斜拉桥,可参考的工程实践很少,全球仅有铁路斜拉桥6座,均 为普速铁路斜拉桥,其中,国内仅有跨度为96m的红水河桥,国外最大跨度的铁路斜拉桥为 南斯拉夫萨瓦河桥,其跨度为254m。通常将300m以上跨度的铁路斜拉桥称之为铁路大跨度 斜拉桥,所以,铁路大跨度斜拉桥在国际国内均没有建设经验,在工程实践重一直处于空 白。相对于公铁两用和多线铁路斜拉桥,双线铁路大跨度斜拉桥具有跨度大、桥面窄、体量 轻、活载比重大等特点,虽然具有工程投资上的成本优势,但是由此引起的桥梁动力效应也 比较明显,长期以来,桥梁工程界一直认为铁路大跨度斜拉桥属于柔性结构,难以满足高标 准铁路的刚度要求,对刚度难以进行有效的控制,因此,修建大跨度铁路斜拉桥成为行业内 的禁忌,刚度控制问题十分突出,成为制约行车安全的关键。
[0005] 桥梁横向振幅是列车运行荷载作用下,桥梁结构的几何特性、物理特性以及动力 特性的在桥梁横向刚度上的综合反映,为保证行车安全和旅客的舒适性,有必要对桥梁横 向振幅加以限制。对于中小跨度铁路桥梁,常以横向自振周期为主的方法来控制刚度,对于 大跨度铁路桥梁,没有刚度控制标准,如仍用自振周期为主的方法控制刚度既难以实现,又 缺乏合理性,同时,采用横向自振周期为主控制刚度的方法会导致在建设桥梁时用钢量极 大(约30t/m),这不仅增加了桥梁自身的重量,而且极其不经济、不合理。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于:针对现有技术中所存在的铁路大跨度斜拉桥刚度难以控制, 从而导致无法修建铁路大跨度斜拉桥的问题,提供一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法 及斜拉桥,该刚度控制方法建立动力分析模型,并采用动力分析方法,得出铁路大跨度斜拉 桥的刚度限值范围和设计参数取值范围,使铁路大跨度斜拉桥的刚度得到有效控制,为大 跨度铁路斜拉桥的建设提供依据,解决了大跨度斜拉桥刚度较难控制的技术难题,使铁路 大跨度斜拉桥得到推广,节省了大量工程投资成本。
[0007] 为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
[0008] —种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法,包括以下步骤:
[0009] a、建立动力分析模型,包括桥梁和车辆模型;
[0010] b、采用动力分析方法,分析斜拉桥结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动力 响应和桥梁动力响应三个方面的影响规律;
[0011] c、以车-桥系统评价指标体系为指标进行评判,得出铁路大跨度斜拉桥的刚度限 值范围和设计参数取值范围。
[0012] 在轨道不平顺及外在激励(如风荷载、地震荷载等)作用下,高速车辆通过桥梁时, 车辆和桥梁都会发生振动,过大的振动会影响行车安全性及乘坐舒适度。因此,需对车辆和 桥梁的振动程度加以限制,通过相应的指标来评判车辆和桥梁的振动性能,从而使桥梁的 刚度得以控制,保证车辆在桥梁上安全行驶。现有的铁路桥梁主要为中小跨度的铁路桥梁, 对于中小跨度铁路桥梁,常以横向自振周期为主的方法来控制刚度,如仍采用自振周期为 主的方法来控制大跨度斜拉桥的刚度,既难以实现,又缺乏合理性。
[0013] 车辆-桥梁系统是一个耦合体系,桥梁的过大振动不仅使结构疲劳强度降低、线路 形状发生改变,而且还会影响桥上车辆的行车安全性和平稳性。车辆-桥梁系统中,车辆和 桥梁是两个相对独立的子系统,两者振动特性差异较大。因此,除对车辆的振动特性进行评 定外,亦需相应的指标来评判桥梁的振动水平。桥梁结构在列车荷载的作用下将产生竖向 和横向的位移,从而引起支座端部产生转角,使相邻范围内的线路形成不平顺曲线,动车及 车辆通过该部位时,必然受到激振,影响列车行车的安全性与舒适性。因此,必须要求桥梁 具有一定的刚度,才能保证列车行车安全与旅客乘车舒适性的要求。
[0014] 本方案通过建立铁路大跨度斜拉桥模型,对铁路大跨度斜拉桥的结构刚度参数的 敏感性进行分析,并车-桥系统评价指标体系为指标进行评判,得出铁路大跨度斜拉桥的刚 度限值范围和设计参数取值范围,为大跨度铁路斜拉桥的建设提供刚度值和设计参数值的 依据,使铁路大跨度斜拉桥的刚度得以有效控制,保证桥梁安全和列车的行驶安全,实现铁 路斜拉桥最大跨度的飞跃。
[0015] 优选的,所述斜拉桥结构刚度参数包括桁宽、桁高、桥面系刚度、斜拉索刚度、辅助 墩和道砟板。
[0016] 优选的,所述车-桥系统评价指标体系包括车辆动力评价标准、轨道动力评价标准 和桥梁主梁刚度评价标准。
[0017] 铁路大跨度斜拉桥作为超静定柔性结构,整体受力复杂,结构每一个参数的变化 都有可能引起桥梁受力及位移显著变化,而铁路大跨度斜拉桥的结构参数包括桁宽、桁高、 桥面系、拉索、辅助墩和道砟板,通过分析这些结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动 力响应和桥梁动力响应方面的影响规律,并以车-桥系统评价指标体系为指标进行评判,得 出斜拉桥结构参数变化对斜拉桥刚度的影响情况。桁宽和桁高为主梁的重要结构参数,需 要进行分析,斜拉桥的桥面系和拉索同样对桥梁受力和位移变化其中重要作用,而是否需 要设置辅助墩和道砟板,对斜拉桥的刚度也具有较大影响,通过对桥面系相对刚度、拉索相 对刚度、辅助墩和道砟板方面进行敏感性分析,得到结构刚度参数变化时对桥梁动力特性、 车辆动力响应和桥梁动力响应三个方面的影响规律,并以车-桥系统评价指标体系为指标 进行评判,为确定斜拉桥刚度限值范围的取值提供依据和参考。
[0018] 优选的,在步骤b中,还包括改变二期恒载,得到在二期恒载改变前后两种工况下 的车辆动力响应和桥梁动力响应的情况,并进行对比,得出二期恒载对车辆动力响应和桥 梁动力响应的影响情况。
[0019] 优选的,在步骤b中,还包括引入外界环境所产生的荷载所引起的变形,得到在引 入前后两种条件下的车辆动力响应和桥梁动力响应的情况,并进行对比,得出外界环境所 产生的荷载的影响情况。
[0020] 优选的,在分析桁宽对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下 内容:根据斜拉桥的跨度得出桁宽基准值,并择取桁宽基准值相邻的多个数值,在不同的车 辆前进速度条件下分别得出桁宽在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力 响应方面的变化情况,从而得到桁宽变化对斜拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后, 可以根据跨度得出桁宽的基准值,再根据该基准值左右择取多个相邻的数值,并得出在不 同的车辆前进速度下择取的多个该相邻数值所对应的桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆 动力响应方面的一系列数值,并根据这一系列数值得出桁宽变化对桥梁动力特性、桥梁动 力响应和车辆动力响应方面的影响规律,从而确定对斜拉桥刚度的影响情况,得出铁路大 跨度斜拉桥的刚度限值范围,使得铁路大跨度斜拉桥的刚度数值在其限值范围内。
[0021] 优选的,在分析桁高对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下 内容:根据斜拉桥的跨度得出桁高基准值,并择取桁高基准值相邻的多个数值,在不同的车 辆前进速度条件下分别得出桁高在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力 响应方面的变化情况,从而得到桁高变化对斜拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后, 可以根据跨度得出桁高的基准值,再根据该基准值左右择取多个相邻的数值,并得出在不 同的车辆前进速度下择取的多个该相邻数值所对应的桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆 动力响应方面的一系列数值,并根据这一系列数值得出桁高变化对桥梁动力特性、桥梁动 力响应和车辆动力响应方面的影响规律,从而确定对斜拉桥刚度的影响情况,得出铁路大 跨度斜拉桥的刚度限值范围,使得铁路大跨度斜拉桥的刚度数值在其限值范围内。
[0022] 优选的,在分析桥面系刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包 括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出桥面系相对刚度基准值,并择取桥面系相对刚度基准 值相邻的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出桥面系相对刚度在多个数值下 的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到桥面系相对刚 度变化对斜拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后,可以根据跨度得出桥面系相对刚 度的基准值,再根据该基准值左右择取多个相邻的数值,并得出在不同的车辆前进速度下 择取的多个该相邻数值所对应的桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的一系 列数值,并根据这一系列数值得出桥面系相对刚度变化对桥梁动力特性、桥梁动力响应和 车辆动力响应方面的影响规律,从而确定对斜拉桥刚度的影响情况,得出铁路大跨度斜拉 桥的刚度限值范围,使得铁路大跨度斜拉桥的刚度数值在其限值范围内。
[0023] 优选的,在分析拉索刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括 以下内容:根据斜拉桥的跨度得出拉索相对刚度基准值,并择取拉索相对刚度基准值相邻 的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出拉索相对刚度在多个数值下的桥梁动 力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到拉索相对刚度变化对斜 拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后,可以根据跨度得出桥面系相对刚度的基准值, 再根据该基准值左右择取多个相邻的数值,并得出在不同的车辆前进速度下择取的多个该 相邻数值所对应的桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的一系列数值,并根 据这一系列数值得出桥面系相对刚度变化对桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆动力响应 方面的影响规律,从而确定对斜拉桥刚度的影响情况,得出铁路大跨度斜拉桥的刚度限值 范围,使得铁路大跨度斜拉桥的刚度数值在其限值范围内。
[0024] 优选的,在分析辅助墩对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以 下内容:根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置辅助墩的初步结论,并分别得出斜拉桥的辅 助墩在受力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面 的变化情况,从而得到设置辅助墩对斜拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后,可以根 据跨度初步得出是否设置辅助墩,并得出辅助墩受力与不受力两种情况下对应的桥梁动力 特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的一系列数值,并根据这一系列数值得出设置辅 助墩与否对桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的影响规律,从而得出设置 辅助墩与否对斜拉桥刚度的影响情况。
[0025] 优选的,在分析道砟板对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以 下内容:根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置道砟板的初步结论,并分别得出斜拉桥的道 砟板在受力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面 的变化情况,从而得到设置道砟板对斜拉桥刚度的影响情况。斜拉桥的跨度确定后,可以根 据跨度初步得出是否设置道砟板,并得出道砟板参与受力与否两种情况下对应的桥梁动力 特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的一系列数值,并根据这一系列数值得出设置道 砟板与否对桥梁动力特性、桥梁动力响应和车辆动力响应方面的影响规律,从而得出设置 道砟板与否对斜拉桥刚度的影响情况。
[0026] 优选的,所述桥梁动力特性为桥梁基频,包括横弯基频、竖弯基频和扭转基频。大 跨度斜拉桥由于其跨度大以及结构的柔性,在动力行为方面有其特殊性,故有必要考虑不 同参数影响下结构动力特性的变化,为斜拉桥动力行为研究提供理论基础。以前通常使用 解析法对动力特性进行参数研究,其优点是很容易通过参数方程的形式,得到参数变化时 结构动力行为变化情况,但由于分析方法的限制,所考虑的参数仅局限于加劲梁刚度、垂跨 比、塔的刚度等。目前可通过有限元的方法较简便地选择各种可能的参数,求解后可得到各 种情况下的动力特性,从而总结出各种参数变化对结构动力特性影响的规律。本方案根据 各结构参数展开动力特性对比研究,得到各参数变化对结构动力特性影响的敏感性,可以 了解各参数对结构动力特性影响规律,为了与刚度限值相对应,主要针对桥梁横向、竖向和 扭转基频方面进行分析。
[0027] 优选的,所述车辆模型包括多节动车和与动车连接的多节拖车,所述车辆动力响 应方面的指标包括车辆加速度的最大值和轮重减载率的最大值。建立车辆模型时,设置多 节动车和多节拖车,动车和拖车交叉布置。
[0028] 优选的,所述桥梁动力响应方面的指标包括桥梁主跨跨中位移的最大值、扭转角 的最大值、梁端折角的最大值和主跨跨中桥梁加速度的最大值。
[0029] 车辆-桥梁系统是一个耦合体系,桥梁的过大振动不仅使结构疲劳强度降低、线路 形状发生改变,而且还会影响桥上动车的行车安全性和平稳性。车辆-桥梁系统中,车辆和 桥梁是两个相对独立的子系统,两者振动特性差异较大。这两个子系统通过轮轨相互作用 而形成耦合机制,对这两个子系统的运动方程分别独立求解,通过分离迭代来实现车、桥两 子系统间的几何和力学耦合关系。
[0030] 采用车辆-桥梁耦合振动模型,是以轮轨接触面为界将车辆-桥梁系统分解为独立 的车辆及桥梁子系统,分别建立振动微分方程,其耦合关系通过轮轨作用力产生,并将输入 的轨道不平顺模型作为系统的外部激励源。各敏感性参数(包括桁宽、桁高、桥面系相对刚 度、拉索相对刚度、辅助墩和道砟板)对车辆-桥梁系统中车辆响应的影响,主要考虑动车和 车辆横向、竖向加速度的最大值,桥梁响应主要考虑桥梁主跨跨中位移和扭转角的最大值, 梁端转角的最大值,主跨跨中桥梁加速度的最大值。
[0031] 梁端折角的规定多数仅适用于高速铁路,对于中低速铁路,我国规范对梁端折角 无相应的规定,对梁端折角进行限制的目的是保证列车走行的安全性和轨道结构的稳定 性,由于城市轨道交通桥梁设计运行速度较低,梁端折角的控制标准较中速或高速铁路标 准应有所放松,在对铁路大跨度斜拉桥的结构刚度参数敏感性进行分析时,需要考虑结构 参数改变时梁端折角的变化情况。
[0032] 车辆以较高速度通过中小跨度桥梁时,当荷载的激励频率等于或接近于桥梁自振 频率的情况下,车辆-桥梁系统就可能产生谐振,对于桥上有碴轨道,过大的桥面板振动加 速度将使道碴之间失去啮合作用,导致道碴蹦移和破碎粉化、轨枕悬空、线路状态不良,影 响行车安全。对于桥上无碴轨道,车辆-桥梁谐振引起的桥梁跨中往复振动将在无碴轨道上 产生附加负弯矩,严重情况下有可能超过设计弯矩,影响结构的强度和使用寿命,因此,应 对桥梁的振动加速度加以限制。
[0033] 优选的,铁路大跨度斜拉桥的刚度包括竖向刚度、横向刚度和扭曲刚度。桥梁刚度 控制对建造桥梁至关重要,包括竖向刚度、横向刚度和扭曲刚度,桥梁竖向刚度过小可能导 致的问题有:桥面坡度过大导致桥上线路坡度超限;列车过桥时振动过大而使司机、乘客感 到不舒适甚至造成列车脱轨;因桥梁与桥台间或桥梁与桥梁间形成过大的折角而危及行车 安全;因桥梁刚度过小而引起过大次应力;因动应力过大而引起过大冲击及疲劳,因此各国 铁路桥规都对桥梁竖向刚度做了比较严格的要求。铁路横向刚度是在工程实践中提出来 的,有些桥梁在列车高速通过时,横向晃动较大,引起司机、旅客和桥上行人的不舒适和不 安全感,影响桥梁的正常使用,因此虽然桥梁横向刚度所蕴含的机理比较复杂,但最主要的 就是要保证横向运行稳定性和控制动态响应。大跨度桥梁在偏载作用下主梁可能发生较明 显的扭转变形,过大的扭转变形会对桥上行车带来不利影响,大跨度桥梁典型的扭转变形 从塔梁结合处到跨中逐渐增大,对于某一段主梁而言,其扭转总变形包括梁段整体扭转变 形和局部扭曲变形,因此,必须严格控制扭转刚度。
[0034] 优选的,所述竖向刚度包括竖向挠跨比的限值、高跨比的限值和竖向振动基频。
[0035] 挠跨比不仅与桥梁本身的刚度有关,而且也和桥梁上的荷载密切相关。由于综合 考虑了桥梁刚度及荷载,因此竖向挠跨比作为评价竖向刚度的尺度之一为各国规范所广泛 采用,竖向挠跨比在桥梁设计中发挥了重要作用,并得到了长期的实践检验,但是,对于大 跨度桥梁,特别是大跨度铁路斜拉桥则不尽合理,这是因为各国规范中有关规定大都是建 立在对于中小跨度桥梁的动力分析与试验基础上,故对大跨度桥梁竖向挠跨比不该用规范 中对一般桥梁的规定来约束,而是应该有适当的放宽。
[0036] 竖向刚度与主梁高跨比有一定的关系,但主梁高跨比与梁高都相同的斜拉桥由于 拉索的稀密、强弱及倾斜角度有所不同,其竖向刚度也不同,亦即主梁高跨比只能影响斜拉 桥竖向刚度的一部分而不是全部,故此项在各国规范中都没有强制性规定。但作为桥梁竖 向刚度的重要影响因素,在对铁路大跨度斜拉桥进行刚度控制时,需要进行考虑。
[0037] 优选的,所述横向刚度包括横向挠跨比的限值、宽跨比的限值和横向振动基频。
[0038] 横向挠跨比和竖向挠跨比相同,对于大跨度桥梁,特别是属于柔性结构的斜拉桥 或悬索桥,横向挠跨比的最大限值不该用规范中对一般桥梁的规定来约束,而是也应有适 当的放宽,即容许最大横向挠跨比应有所增大。梁横向振幅是列车运行荷载作用下,桥梁结 构的几何特性、物理特性以及动力特性的在桥梁横向刚度上的综合反映,为保证行车安全 和旅客的舒适性,有必要对桥梁横向振幅加以限制。
[0039] 对应地,本发明还提供了一种铁路大跨度斜拉桥,斜拉桥的刚度参数包括挠跨比、 主梁高跨比、主梁宽跨比和振动基频;
[0040] 挠跨比包括竖向挠跨比和横向挠跨比,所述横向挠跨比包括可行车风速时的横向 挠跨比和设计风速时的横向挠跨比,且挠跨比的参数值满足以下范围:
[0041] 竖向挠跨比:1/300-1/1000;
[0042] 可行车风速时的横向挠跨比:小于1/3000;
[0043] 设计风速时的横向挠跨比:1/800-1/3000;
[0044] 所述振动基频包括竖向振动基频和横向振动基频,振动基频的参数值满足以下范 围:
[0045] 竖向振动基频:0 · 25-0 · 5Hz;
[0046] 横向振动基频:0 · 15-0 · 45Hz;
[0047] 所述主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围:
[0048] 主梁高跨比:1/20-1/50;
[0049] 主梁宽跨比:1/15-1/35。
[0050] 优选的,斜拉桥的竖向挠跨比、可行车风速时的横向挠跨比、设计风速时的横向挠 跨比、竖向振动基频、横向振动基频、主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围:
[0051] 竖向挠跨比:1/500-1/800;
[0052] 可行车风速时的横向挠跨比:1/4000;
[0053] 设计风速时的横向挠跨比:1/1000-1/2000;
[0054] 竖向振动基频:0.3-0.45Hz;
[0055] 横向振动基频:0 · 2-0 · 4Hz;
[0056] 主梁高跨比:1/25-1/40;
[0057] 主梁宽跨比:1/20-1/30。
[0058] 与现有技术相比,本发明的有益效果:
[0059] 1、通过分析斜拉桥结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力 响应三个方面的影响规律,同时以车-桥系统评价指标体系为指标进行评判,得出铁路大跨 度斜拉桥的刚度限值范围和设计参数取值范围,使铁路大跨度斜拉桥的刚度得到有效控 制,为大跨度铁路斜拉桥的建设提供依据,解决了大跨度斜拉桥刚度较难控制的技术难题, 使铁路大跨度斜拉桥得到推广,节省了大量工程投资成本;
[0060] 2、桁宽和桁高为主梁的重要结构参数,需要进行分析,斜拉桥的桥面系刚度和拉 索刚度同样对桥梁受力和位移变化起着重要作用,而是否需要设置辅助墩和道砟板,对斜 拉桥的刚度也具有较大影响,通过对桁宽、桁高、桥面系相对刚度、拉索相对刚度、辅助墩和 道砟板方面进行敏感性分析,得到结构刚度参数变化时对桥梁动力特性、车辆动力响应和 桥梁动力响应三个方面的影响规律,从而为确定斜拉桥刚度限值范围和设计参数取值范围 提供参考;
[0061] 3、根据刚度控制方法得出的大跨度斜拉桥的挠跨比、高跨比、宽跨比和振动基频 参数的限值范围,在建造铁路大跨度斜拉桥时,将斜拉桥的挠跨比、高跨比、宽跨比和振动 基频参数与得到的这些参数限值范围进行比较,可以快速、准确得出设计出的铁路大跨度 斜拉桥是否满足使用性能要求;
[0062] 4、通过本方法建成的国内某座长江大桥,已顺利通车,列车在桥上运行安全、平 稳,旅客乘坐舒适,使用性能良好,同时,该方法已成功推广应用于国内其他铁路大跨度斜 拉桥的设计中,解决了技术难题,使铁路大跨度斜拉桥得到较好的发展,节省了巨额的工程 投资成本。
附图说明:
[0063] 图1为桥梁基频随桁宽变化图。
[0064] 图2为动车横向加速度随桁宽变化图。
[0065] 图3为拖车横向加速度随桁宽变化图。
[0066] 图4为动车竖向加速度随桁宽变化图。
[0067] 图5为拖车竖向加速度随桁宽变化图。
[0068] 图6为动车轮重减载率随桁宽变化图。
[0069] 图7为拖车轮重减载率随桁宽变化图。
[0070] 图8为跨中横向位移随桁宽变化图。
[0071] 图9为跨中竖向位移随桁宽变化图。
[0072] 图10为跨中扭转角随桁宽变化图。
[0073] 图11为梁端竖向折角随桁宽变化图。
[0074] 图12为梁端横向折角随桁宽变化图。
[0075] 图13为跨中横向加速度随桁宽变化图。
[0076] 图14为跨中竖向加速度随桁宽变化图。
[0077] 图15为桥梁基频随桁高变化图。
[0078] 图16为动车横向加速度随桁高变化图。
[0079] 图17为拖车横向加速度随桁高变化图。
[0080] 图18为动车竖向加速度随桁高变化图。
[0081] 图19为拖车竖向加速度随桁高变化图。
[0082] 图20为动车轮重减载率随桁高变化图。
[0083] 图21为拖车轮重减载率随桁高变化图。
[0084] 图22为跨中横向位移随桁高变化图。
[0085] 图23为跨中竖向位移随桁高变化图。
[0086] 图24为跨中扭转角随桁高变化图。
[0087] 图25为梁端竖向折角随桁高变化图。
[0088] 图26为梁端横向折角随桁高变化图。
[0089] 图27为跨中横向加速度随桁高变化图。
[0090] 图28为跨中竖向加速度随桁高变化图。
[0091] 图29为桥梁基频随桥面系相对刚度变化图。
[0092] 图30为动车横向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0093] 图31为拖车横向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0094] 图32为动车竖向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0095] 图33为拖车竖向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0096] 图34为动车轮重减载率随桥面系相对刚度变化图。
[0097] 图35为拖车轮重减载率随桥面系相对刚度变化图。
[0098] 图36为跨中横向位移随桥面系相对刚度变化图。
[0099] 图37为跨中竖向位移随桥面系相对刚度变化图。
[0100] 图38为跨中扭转角随桥面系相对刚度变化图。
[0101] 图39为梁端竖向折角随桥面系相对刚度变化图。
[0102] 图40为梁端横向折角随桥面系相对刚度变化图。
[0103] 图41为跨中横向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0104] 图42为跨中竖向加速度随桥面系相对刚度变化图。
[0105] 图43为桥梁基频随拉索相对刚度变化图。
[0106] 图44为动车横向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0107] 图45为拖车横向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0108] 图46为动车竖向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0109] 图47为拖车竖向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0110] 图48为动车轮重减载率随拉索相对刚度变化图。
[0111] 图49为拖车轮重减载率随拉索相对刚度变化图。
[0112] 图50为跨中横向位移随拉索相对刚度变化图。
[0113] 图51为跨中竖向位移随拉索相对刚度变化图。
[0114] 图52为跨中扭转角随拉索相对刚度变化图。
[0115] 图53为梁端竖向折角随拉索相对刚度变化图。
[0116] 图54为梁端横向折角随拉索相对刚度变化图。
[0117] 图55为跨中横向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0118] 图56为跨中竖向加速度随拉索相对刚度变化图。
[0119] 图57为有无辅助墩对桥梁基频的影响曲线图。
[0120] 图58为有无辅助墩对动车横向加速度的影响曲线图。
[0121] 图59为有无辅助墩对拖车横向加速度的影响曲线图。
[0122] 图60为有无辅助墩对动车竖向加速度的影响曲线图。
[0123] 图61为有无辅助墩对拖车竖向加速度的影响曲线图。
[0124] 图62为有无辅助墩对动车轮重减载率的影响曲线图。
[0125] 图63为有无辅助墩对拖车轮重减载率的影响曲线图。
[0126] 图64为有无辅助墩对跨中横向位移的影响曲线图。
[0127] 图65为有无辅助墩对跨中竖向位移的影响曲线图。
[0128] 图66为有无辅助墩对跨中扭转角的影响曲线图。
[0129] 图67为有无辅助墩对梁端竖向折角的影响曲线图。
[0130] 图68为有无辅助墩对梁端横向折角的影响曲线图。
[0131] 图69为有无辅助墩对跨中横向加速度的影响曲线图。
[0132] 图70为有无辅助墩对跨中竖向加速度的影响曲线图。
[0133] 图71为桥梁基频随道砟板影响变化图。
[0134] 图72为动车横向加速度随道砟板影响变化图。
[0135] 图73为拖车横向加速度随道砟板影响变化图。
[0136] 图74为动车竖向加速度随道砟板影响变化图。
[0137] 图75为拖车竖向加速度随道砟板影响变化图。
[0138] 图76为动车轮重健减载率随道砟板影响变化图。
[0139] 图77为拖车轮重减载率随道砟板影响变化图。
[0140] 图78为跨中横向位移随道砟板影响变化图。
[0141] 图79为跨中竖向位移随道砟板影响变化图。
[0142] 图80为跨中扭转角随道砟板影响变化图。
[0143] 图81为梁端竖向折角随道砟板影响变化图。
[0M4]图82为梁端横向折角随道砟板影响变化图。
[0145] 图83为跨中横向加速度随道砟板影响变化图。
[0146] 图84为跨中竖向加速度随道砟板影响变化图。
具体实施方式
[0147] 下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解 为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本 发明的范围。
[0148] 实施例1
[0149] 混实施例应用于铁路大跨度斜拉桥的刚度控制过程中。
[0Ί50]车辆的快速运行会诱发桥梁结构产生空间振动,结构动力特性是进行结构动力响 应分析的前提,通过结构动力特性分析,可了解结构的频率分布及振型特点,为车辆-桥梁 系统耦合振动分析提供资料。
[0151] 铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法,建立动力分析模型,使用有限元建模,包括桥 梁和车辆模型,采用车辆-桥梁耦合振动模型,以轮轨接触面为界将车辆-桥梁系统分解为 独立的车辆及桥梁子系统,从而在分析时,从车辆响应和桥梁响应进行分析,车辆模型为 CRH2列车,列车编组为2X (动车+拖车+动车+动车+动车+动车+拖车+动车),共16节,动车和 拖车交叉布置。
[0152] 桥梁模型选用主桥跨度为(81 + 135+432+135+81) = 864m的铁路大跨度斜拉桥,主 梁采用平弦等高度连续钢桁梁,主塔为变截面花瓶形混凝土桥塔,塔高分别为180m和185m, 塔柱采用箱型截面,边跨均设有辅助墩,下层桥面均为正交异性钢桥面板,拉索采用平行高 强度钢丝索,主梁采用双片桁式结构。主桁桁高14m,主桁桁式采用外形简洁的N形桁,桁宽 18m,节间距采用13.5m,上、下弦杆采用箱形截面。
[0153] 拉索采用扇形双索面布置形式,全桥设置112根斜拉索,沿主梁顺桥向索距为 13·5m,塔上索距为2·5〜4·0m,分PES7-211、PES7-223、PES7-253、PES7-283、PES7-301等5种 型号。
[0154] 建模时,桥塔各构件均采用空间梁单元,对于变截面的塔柱,采用单元中央截面的 几何特性,索塔采用C50混凝土,其弹性模量取值为3.55 X 104MPa,泊松比采用0.2,材料密 度为2600kg/m3;主梁桁架各杆件采用空间梁单元,其材料为钢材,弹性模量取2. IOX 10510^,泊松比采用0.3,材料密度为7850\(1+25%)=9812.51^/1113,桥面系和横梁的材料 密度为7850X (1+8%) =8478kg/m3;斜拉索采用杆单元进行模拟,弹性模量取2.05X 105MPa,泊松比采用0.3,材料密度为8650kg/m3。
[0155] 采用有限元分析方法进行分析,分析软件采用国际通用的有限元分析软件ANSYS 以及自主研究开发的桥梁科研分析软件BANSYS (Bridge Analysis System),分组独立地对 前述所建模型的动力特性进行了计算分析。
[0156] 在轨道不平顺及外在激励(如风荷载、地震荷载等)作用下,高速车辆通过桥梁时, 车辆和桥梁都会发生振动,过大的振动会影响行车安全性及乘坐舒适度。因此,需对车辆和 桥梁的振动程度加以限制,通过相应的指标来评判车辆和桥梁的振动性能。
[0157] 评价车辆走行性的指标主要是车辆安全性及车辆的平稳性,车辆安全性主要涉及 车辆脱轨及倾覆等危及行车安全的问题,采用车辆动力响应和桥梁动力响应指标来评价列 车脱轨安全度,车辆运行平稳性是衡量车辆运行性能的一项重要技术指标。对于客车,平稳 性指标反映了乘坐舒适度;对于拖车,平稳性指标可用于评价车辆振动对货物的损坏程度, 车辆运行平稳性还可用车体的平均最大加速度指标来评定。
[0158] 车辆-桥梁系统是一个耦合体系,桥梁的过大振动不仅使结构疲劳强度降低、线路 形状发生改变,而且还会影响桥上车辆的行车安全性和平稳性。车辆-桥梁系统中,车辆和 桥梁是两个相对独立的子系统,两者振动特性差异较大。因此,除对车辆的振动特性进行评 定外,亦需相应的指标来评判桥梁的振动水平。桥梁结构在列车荷载的作用下将产生竖向 和横向的位移,从而引起支座端部产生转角,使相邻范围内的线路形成不平顺曲线,动车及 车辆通过该部位时,必然受到激振,影响列车行车的安全性与舒适性。因此,必须要求桥梁 具有一定刚度,才能保证列车行车安全与旅客乘车舒适性的要求。
[0159] 车-桥系统评价指标体系包括车辆动力评价标准、轨道动力评价标准和桥梁主梁 刚度评价标准,具体评价指标如表1。
[0160]车辆动力响应方面的指标包括脱轨系数、轮重减载率的最大值、轮轴横向力、车辆 加速度的最大值等,桥梁动力响应指标包括桥梁主跨跨中位移的最大值、扭转角的最大值、 梁端折角的最大值和主跨跨中桥梁加速度的最大值等方面的指标。
[0161] 而且随着列车运行速度的提高,轮轨之间的相互作用随之增加,过大的轮轨作用 力(垂向、横向)会使钢轨、扣件、轨枕(轨道板)等部件产生损伤、破坏,而且可能会导致轨道 不平顺的急剧增大,影响线路养护维修工作,严重时还将危及行车安全。因此,也需要对轮 轨间动力作用加以限制,通过改变车辆行驶速度得出桥梁结构参数变化时得到的桥梁动力 特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到斜拉桥结构参数对斜拉桥 刚度的影响情况。
[0162] 铁路大跨度斜拉桥的刚度包括竖向刚度、横向刚度和扭曲刚度,桥梁竖向刚度对 应桥梁竖向变形,桥梁横向刚度对应横向变形,扭曲刚度对应扭转变形。
[0163] 竖向刚度包括竖向挠跨比的限值、高跨比的限值和竖向振动基频,横向刚度包括 横向挠跨比的限值、宽跨比的限值和横向振动基频。
[0164] 表1车-桥系统评价指标体系
Figure CN106951668AD00151
[0166] 桥梁竖向变形及竖向刚度,桥梁竖向刚度过小可能导致以下的问题:①桥面坡度 过大导致桥上线路坡度超限;②列车过桥时振动过大而使司机、乘客感到不舒适甚至造成 列车脱轨;③因桥梁与桥台间或桥梁与桥梁间形成过大的折角而危及行车安全;④因桥梁 刚度过小而引起过大次应力;⑤因动应力过大而引起过大冲击及疲劳。必须对桥梁竖向刚 度做比较严格的要求。
[0167] 桥梁竖向挠跨比不仅与桥梁本身的刚度有关,而且也和桥梁上的荷载密切相关。 由于综合考虑了桥梁刚度及荷载,因此竖向挠跨比作为评价竖向刚度的尺度之一为各类规 范广泛采用。各类规范对竖向挠跨比的规定在桥梁设计中发挥了重要作用,并得到了长期 的实践检验。但是,对于大跨度桥梁,特别是大跨度铁路斜拉桥则不尽合理。这是因为这些 规定大都是建立在对于中小跨度桥梁的动力分析与试验基础上,故对大跨度桥梁竖向挠跨 比不该用规范中对一般桥梁的规定来约束,而是应该有适当的放宽。
[0168] 桥梁高跨比,竖向刚度与主梁高跨比有一定的关系,但主梁高跨比与梁高都相同 的斜拉桥由于拉索的稀密、强弱及倾斜角度有所不同,其竖向刚度也不同。亦即主梁高跨比 只能影响斜拉桥竖向刚度的一部分而不是全部,但作为桥梁竖向刚度的重要影响因素,在 铁路大跨度斜拉桥建造中予以充分考虑。
[0169] 除了桥梁的挠度以外,相邻墩台间的相对位移将导致桥上线路产生折角,影响桥 梁竖向变形和竖向刚度的折角为梁端竖向折角,关于梁端折角的规定多数仅适用于高速铁 路,对于中低速铁路,我国规范对梁端折角无相应的规定。对梁端折角进行限制的目的是保 证列车走行的安全性和轨道结构的稳定性,由于城市轨道交通桥梁设计运行速度较低,梁 端折角的控制标准较中速或高速铁路标准应有所放松,综合考虑列车走行的安全性和轨道 结构的稳定性,将双侧竖向梁端折角限值取为9%。,单侧(桥台与主梁之间)限值近似取为 4.5%〇 〇
[0170] 列车以较高速度通过中小跨度桥梁时,当荷载的激励频率等于或接近于桥梁自振 频率的情况下,车辆-桥梁系统就可能产生谐振。对于桥上有碴轨道,过大的桥面板振动加 速度将使道碴之间失去啮合作用,导致道碴蹦移和破碎粉化、轨枕悬空、线路状态不良,影 响行车安全。对于桥上无碴轨道,车辆-桥梁谐振引起的桥梁跨中往复振动将在无碴轨道上 产生附加负弯矩,严重情况下有可能超过设计弯矩,影响结构的强度和使用寿命。因此,应 对桥梁的振动加速度加以限制,因此必须对桥面竖向加速度进行限制,取桥梁桥面板的垂 向加速度极限值为:
[0171] 有碴轨道桥梁
Figure CN106951668AD00161
[0172] 明桥面桥梁:
Figure CN106951668AD00162
[0173] 将桥面竖向加速度限值取为3.5m/s2作为优选。
[0174] 桥梁横向变形及横向刚度,有些桥梁在列车高速通过时,横向晃动较大,引起司 机、旅客和桥上行人的不舒适和不安全感,影响桥梁的正常使用,因此,必须控制桥梁横向 刚度,虽然桥梁横向刚度所蕴含的机理比较复杂,但最主要的就是要保证横向运行稳定性 和控制动态响应。评价桥梁横向刚度的指标有横向挠跨比、宽跨比、横向自振频率、横向振 幅及梁端折角等。
[0175] 对于桥梁横向挠跨比(或最大振幅)的限值,当列车通过桥梁时,车辆-桥梁系统不 仅产生垂向振动,同时还产生横向振动。与竖向挠跨比相同,对于大跨度桥梁,特别是属于 柔性结构的斜拉桥或悬索桥,横向挠跨比的最大限值不该用对一般桥梁的规定来进行约 束,而是也应有适当的放宽,即容许最大横向挠跨比应有所增大。采取一般桥梁的规定来进 行约束,势必造成材料的巨大浪费。桥梁横向振幅是列车运行荷载作用下,桥梁结构的几何 特性、物理特性以及动力特性的在桥梁横向刚度上的综合反映。为保证行车安全和旅客的 舒适性,有必要对桥梁横向振幅加以限制。
[0176] 主梁宽跨比作为横向刚度的参考之一,主梁宽跨比为单一的几何指标,难以反映 一些因素如桥梁的高低、结构型式的不同、截面型式的差异以及节点支座的约束方程。因此 可以说斜拉桥的主梁宽跨比也不能全部代表桥梁的横向刚度,。
[0177] 梁端横向折角,由于城市轨道交通桥梁设计运行速度较低,梁端折角的控制标准 较中速或高速铁路标准应有所放松,考虑列车走行的安全性和轨道结构的稳定性,双侧水 平梁端折角限值取为6%。,单侧(桥台与主梁之间)限值近似取为3%〇。
[0178] 桥面横向加速度,当桥梁的横向振动加速度达到0.1g〜0.2g时,列车容易脱轨,因 此不应超过此范围,当列车通过时,桥跨结构在荷载平面的横向振动加速度应满足:ahmax <0.14g。将桥面竖向加速度限值取用1.4m/s2作为优选。
[0179] 桥梁扭曲刚度,大跨度桥梁在偏载作用下主梁可能发生较明显的扭转变形,过大 的扭转变形会对桥上行车带来不利影响。大跨度桥梁典型的扭转变形从塔梁结合处到跨中 逐渐增大。对于某一段主梁而言,其扭转总变形包括梁段整体扭转变形和局部扭曲变形。扭 转变形采用3m长梁段的局部扭曲和扭转总变形两个评价指标,该范围为:当v<120km/h时, 取t<4 · 5mm/3m;当 120<X200km/h时,取t<3 · 0mm/3m;当v>200km/h时,取1 · 5mm/3m。 速度v>200km/h时,需要进行附加检算,考虑动力系数的实际运营荷载计算的扭曲变形 1.5mm/3m。由于对于大跨度桥梁而言,梁段局部扭曲一般不会超过规范规定的限值,但偏载 作用下跨中附近主梁的扭转角(整体扭转+局部扭曲)可能较明显,从而导致两轨面高差较 大,这对轨道车辆的行车安全非常不利,主梁的扭转变形应同时采用3m长梁段的局部扭曲 和扭转总变形两个评价指标进行评判。
[0180] 现有技术中,常用的结构刚度分析方法采用直接改变桥梁几何参数和改变设计挠 跨比的分析方法,针对目前较多的中小跨度桥梁刚度控制,截面的横向刚度一般都比保证 行车安全性与舒适性所要求的刚度大得多。在确定桥梁刚度对于车辆-桥梁动力响应的影 响时,无论是采用直接改变桥梁几何参数或者改变设计挠跨比的方法,其基本思路都是制 定一组横向或竖向刚度不同、其他参数相同的桥梁结构,计算在不同车速下车辆-桥梁动力 响应,绘制车辆安全性及舒适性等相关参数(如Sperling指数、车辆横向和竖向加速度、轮 重减载率等)曲线,观察刚度变化对这些参数的影响。在可行的条件下可进一步分析,根据 所研究车辆评价指标制定结构刚度相关参数的限值。
[0181] 本实施例中,通过传统的计算分析方法得到只适用于中小跨度桥梁的刚度范围, 再从桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应三方面对斜拉桥结构刚度参数的敏感性 进行分析,对大跨度斜拉桥的结构刚度参数进行逐项分析,通过车-桥系统评价指标体系为 指标进行评判,从而得到适用于铁路大跨度斜拉桥的刚度限值范围和设计参数取值范围, 使铁路大跨度斜拉桥的刚度数值在范围内,从而实现铁路大跨度斜拉桥的刚度控制。
[0182] 在分析斜拉桥结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应 三个方面的影响规律时,包括分析桁宽、桁高、桥面系刚度、斜拉索刚度、辅助墩和道砟板等 六个结构刚度参数对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应的影响。还包括改变二 期恒载,采用动力分析分析方法,得到在改变二期恒载前后两种工况下的车辆动力响应和 桥梁动力响应的情况,并进行对比,得出二期恒载的影响情况。
[0183] 表2和表3分别列出了 CRH2列车车速为200km/h时二期恒载增加8t/m和不增加两种 工况下车辆和桥梁响应对比。由表2和表3可见,二期恒载增加8t/m后,车辆的响应基本一 样,桥梁响应略有区别,但区别不大。从而可见,二期恒载增加8t/m后对车一桥的响应影响 不大。
[0184] 表2动车及拖车的响应(CRH2,200km/h,主桥)
[0185]
Figure CN106951668AD00181
[0186] 表3桥梁响应(CRH2,200km/h,主桥)
[0187]
Figure CN106951668AD00191
[0188] 大跨度斜拉桥作为超静定柔性结构,整体受力复杂,结构每一个参数的变化都有 可能引起桥梁受力及位移显著变化。对于大跨度纯铁路斜拉桥,可参考的工程实践很少,很 有必要对铁路斜拉桥各结构设计参数进行分析,以了解各参数在桥梁结构体系中的作用和 对结构受力行为的影响。下面采用变化结构刚度的方法来研究其对车辆-桥梁系统的影响。 由于现有方法分析大跨度斜拉桥刚度对于车辆-桥梁系统存在不足之处,本实施例采用的 方案为:首先考虑影响结构刚度主要因素,然后分别探讨各因素单独变化时对于结构刚度 的影响(具体是通过桥梁动力特性体现),并进一步分析其对于车辆-桥梁系统响应的影响。
[0189] 前述介绍的模型为分析对象,主要考虑结构参数有桁宽、桁高、桥面系、拉索、辅助 墩和道砟板等。通过以上参数的变化讨论桥梁各参数对桥梁动力特性、车辆-桥梁系统动力 响应的影响,为刚度限制范围的确定提供参考。
[0190] 结构动力特性分析,大跨度斜拉桥由于其跨度大以及结构的柔性,在动力行为方 面有其特殊性,故考虑不同参数影响下结构动力特性的变化,为斜拉桥动力行为提供参考。
[0191] 通常使用解析法对动力特性进行参数研究,其优点是很容易通过参数方程的形 式,得到参数变化时结构动力行为变化情况,但由于分析方法的限制,所考虑的参数仅局限 于加劲梁刚度、垂跨比、塔的刚度等。目前,可通过有限元的方法较简便地选择各种可能的 参数,求解后可得到各种情况下的动力特性,从而总结出各种参数变化对结构动力特性影 响的规律。
[0192] 本实施例根据上面提到的各结构参数展开动力特性对比研究,得到各参数变化对 结构动力特性影响的敏感性,了解各参数对结构动力特性影响规律,桥梁动力特性为桥梁 基频,包括横弯基频、竖弯基频和扭转基频。
[0193] 在分析桁宽对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根 据斜拉桥的跨度得出桁宽基准值,并择取桁宽基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进 速度条件下分别得出桁宽在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方 面的变化情况,从而得到桁宽变化对斜拉桥刚度的影响情况。
[0194] 车辆动力响应方面的指标包括车辆加速度的最大值和轮重减载率的最大值,桥梁 动力响应方面的指标包括桥梁主跨跨中位移的最大值、扭转角的最大值、梁端折角的最大 值和主跨跨中桥梁加速度的最大值。
[0195] 桥梁模型中,主桁上下弦杆的横向间距均为18m,分析时应同时改变主桁上下弦杆 的横向间距,变化范围为13.5m〜22.5m,每4.5m—个工况,共计3个工况。由于拉索与上弦杆 端相联,故桁宽变化时也计入了拉索的影响,包括其位置、倾角等的影响。
[0196] 桁宽变化时,桥梁各基频也会随之发生变化,计算上述各工况下的桥梁基频,得到 其随桁宽变化的影响曲线图,如图1所示。
[0197] 由图1可见,桥梁各基频是按横弯、竖弯、扭转的顺序出现的,其中横弯频率较低, 扭转频率较高,说明本桥抗扭刚度较高。随着桁宽的增加,横弯频率和扭转频率都呈增大趋 势,竖弯频率则稍有减小,但不明显。
[0198] 从横弯基频曲线上可以看出,横弯基频随桁宽的增加而增大,对原设计而言,在梁 宽变化约25 %时,横向基频变化可达12 %。因此对于此种桥式及主梁形式来说,若要提高横 向刚度,可考虑通过增大主梁宽来实现。由于受主梁自重影响,竖弯基频随桁宽的增加而逐 渐减小,因此要增大竖向刚度不宜采用增加梁宽的方法。从扭转曲线上可以看出,扭转频率 随桁宽的增加而呈曲线型增长,只是随着桁宽的增加,其增大趋势趋于缓和,当达到18m (即 设计桁宽)后反呈减小趋势,说明一味增加桁宽并不能真正提高抗扭刚度。
[0199] 分析桁宽变化对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,得到不同桁宽时各车速 下动车和拖车横向、竖向加速度及轮重减载率的最大值,得到各项最大值随桁宽变化的影 响曲线图,如图2-7所示。
[0200] 由图2-7可看出,动车及拖车横向加速度及轮重减载率均随车速的增大而增大,而 与桁宽变化关系不大;动车及拖车竖向加速度也随车速的增大而增大。由于随着桁宽的增 加,横梁刚度逐渐减小,从而使得动车及拖车竖向加速度逐渐增大,且在低速时当桁宽大于 13.5m后,增加趋势较为明显,车速大于250km/h后增加趋势缓和。
[0201] 再分析桁宽变化对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算不同桁宽时各车 速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值,及梁端横向、竖向转角的最大值,及 主跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随桁宽变化的影响曲线图,如图 8-14所示。
[0202] 由图8可看出,桥梁跨中横向位移同时受到桁宽变化和车速的影响,整体上来看, 跨中横向位移随车速的增大而增大,随桁宽的增加而减小。车速一定时,桁宽较小时跨中横 向位移最大。随着桁宽的增加,各车速下跨中横向位移增大趋势逐渐减小,并在桁宽达到一 定程度后趋于一致。当车速达到350km/h时,跨中横向位移最大为2. 1mm,烧跨比为1/ 206000。由图9可见,跨中竖向位移随着车速的增大而增大,随着桁宽的增加而增大,且增长 规律相似。当车速达到350km/h时,跨中竖向位移最大为68mm,挠跨比为1/6353。由图10可 见,随着桁宽的增大,横梁刚度逐渐减小,跨中扭转角显著减小,而与车速关系不大。由图11 和图12可见,梁端竖向折角随桁宽的增加呈增大趋势,但呈无规律性变化。梁端横向折角随 车速的增大而略有增大,但随着桁宽的增加而递减。由图13和图14可见,跨中横向、竖向加 速度均随着桁宽的增加而有所增大,当车速高时这种趋势更为明显。跨中横竖向位移与跨 中横竖向加速度的变化趋势是统一的。
[0203] 在分析桁高对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根 据斜拉桥的跨度得出桁高基准值,并择取桁高基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进 速度条件下分别得出桁高在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方 面的变化情况,从而得到桁高变化对斜拉桥刚度的影响情况
[0204] 桥梁模型中,主桁设计高度为14m,在分析时同时增减两片主桁高度,变化范围为 7m〜21m,每3.5m—个工况,共计5个工况。
[0205] 桁高变化时,桥梁各基频也会随之发生变化,计算上述各工况下的桥梁各基频,得 到其随桁高变化的影响曲线图,如图15所示。
[0206] 由图15可见,桥梁基频仍以横弯、竖弯、扭转顺序出现,横弯频率较低,扭转频率较 高。整体来看,横弯与竖弯频率的变化趋势随桁宽变化时正好相反,即横弯频率随桁高增加 而减小,竖弯频率随桁高增加而增大,而扭转频率亦然,在桁高增加初期,扭转频率增大趋 势较缓,后期增大趋势则较为明显。
[0207] 从横弯曲线上可以看出,横弯频率随桁高的增加呈线性减小趋势。从竖弯曲线上 可以看出,竖弯频率随桁高的增加而线性增加,由于增加桁高即增大了主桁各杆件的竖向 抗弯刚度,再加上自重的影响,故增加趋势较缓。从扭转曲线上可以看出,扭转频率的变化 趋势与桁高变化时相似,说明一味增加桁高也不能真正提高抗扭刚度。
[0208] 分析桁高变化对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,计算不同桁高时各车速 下动车和拖车的横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随桁高变化的影响曲线图,如 图16-21所示。
[0209] 由图16-21可看出,动车和拖车的各项加速度及轮重减载率最大值都随车速的增 大而增大,但随着车速的增加,增大趋势趋缓。随着桁高的增加,动车及拖车的横向加速度 和轮重减载率几乎无变化,说明其对桁高变化并不敏感。由竖向加速度曲线可看出,动车及 拖车的竖向加速度随桁高的增加而减小,且桁高较小时,竖向加速度对车速较为敏感,但当 桁高增加到一定程度时,敏感性则有明显降低。
[0210] 为分析桁高变化对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算不同桁高时各车 速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值,及梁端横向、竖向转角的最大值,及 主跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随桁高变化的影响曲线图,如图 22-28所示。
[0211] 由图22和图23可看出,主桥跨中横向、竖向位移虽然整体随车速的增大而增加,但 其受车速的影响并不大。反倒是随着桁高的增加,跨中横向、竖向位移都有明显递减的趋 势,尤其是跨中竖向位移,桁高越大时其值趋于稳定。当车速达到350km/h时,跨中横向位移 最大为2.85mm,横向挠跨比为1/151578,跨中竖向位移最大为95mm,竖向挠跨比为1/4547。 由图24可见,跨中扭转角随着桁高的增加而显著减小,与车速关系不大,且桁高越大,减小 趋势趋于缓和。由图25和图26可见,梁端竖向折角折角随桁高的增加呈减小趋势,梁端横向 折角折角随车速的增大而略有增大,但随着桁宽的增加而递减。由图27和28可见,跨中横 向、竖向加速度皆随着桁宽的增加而有所减小,且当桁高较小时减小趋势较为明显,桁高渐 大后趋于平缓。
[0212] 在分析桥面系刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下 内容:根据斜拉桥的跨度得出桥面系相对刚度基准值,并择取桥面系相对刚度基准值相邻 的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出桥面系相对刚度在多个数值下的桥梁 动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到桥面系相对刚度变化 对斜拉桥刚度的影响情况。
[0213] 桥面系包括纵梁、横梁、钢桥面板等,其受力行为较为复杂,在此,主要分析横梁的 敏感性影响。通过改变横梁的弹性模量来改变横梁刚度,以此为工况来探讨其对桥梁动力 特性、车辆-桥梁系统响应的影响。分析时,将弹性模量从原设计的50%增至150%,每增加 25%为一个工况,共计5个工况。分析中其他参数保持不变。
[0214] 分析在上述各工况下的桥梁基频,得到其随桥面系变化的曲线图,如图29所示。
[0215] 由图29可见,桥梁基频仍以横弯、竖弯、扭转的顺序出现,各基频值均无明显增大, 说明增强横梁的刚度对桥梁各方向的刚度提升不大。
[0216] 分析桥面系变化对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,计算桥面系不同横梁 刚度时各车速下动车和拖车的横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随桥面系变化 的影响曲线图,如图30-35所示。
[0217] 由图30-35可见,动车及拖车横向加速度和轮载减载率皆随车速的增大而增大,而 与桥面系刚度变化关系不大;动车及拖车竖向加速度整体上随车速的增大而增大,当车速 为150km/h时,其值随桥面系刚度的增大而有一定波动。
[0218] 其次分析桥面系变化对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算桥面系不同 横梁刚度时各车速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值,及梁端横向、竖向转 角的最大值,及主跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随桥面系变化的 影响曲线图,如图36-42所示。
[0219] 由图36和图37可看出,桥梁跨中横向、竖向位移整体上随车速的增大而增大,但对 桥面系刚度的变化则不太敏感,说明板桁桥梁并非仅仅靠桥面系各部件承重,更多的是整 片主桁共同协作受力。当车速达到350km/h时,跨中竖向位移最大为66mm,挠跨比为1/6545。 由图38可见,跨中扭转角仍是与车速成正比关系,但随着桥面系刚度的增大,其值有先増后 减的趋势,到桥面系相对刚度达到原设计刚度的75%时达到最大值。由图39和图40可见,梁 端竖向折角变化曲线比较复杂,说明此时桥梁受车速和桥面系刚度的影响都较大;梁端横 向折角对桥面系刚度变化的影响在低于设计刚度时比较敏感,当大于设计刚度后稍趋于平 缓。由图41和42可见,跨中横向加速度随桥面系刚度增加整体稍有减小趋势,而跨中竖向加 速度随桥面系刚度增加未见明显增减。同样,跨中横竖向位移与跨中横竖向加速度变化趋 势是统一的。
[0220] 在分析拉索刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内 容:根据斜拉桥的跨度得出拉索相对刚度基准值,并择取拉索相对刚度基准值相邻的多个 数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出拉索相对刚度在多个数值下的桥梁动力特 性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到拉索相对刚度变化对斜拉桥 刚度的影响情况。
[0221] 拉索的刚度取决于它的面积、弹性模量及长度。在跨径和拉索索距给定的情况下, 长度取决于塔高,其影响反映到塔高的变化上。弹性模量主要受其初始应力的影响,而初始 应力在恒载、拉索的倾角一定的情况下,主要取决于拉索的面积,故拉索面积的变化可以反 映其刚度的变化。在此,仅研究拉索面积变化的影响,其变化范围为原设计的50%〜150%, 每变化25 %计为一个工况,共计5个工况。
[0222] 分析在上述各工况下的桥梁基频,得到其随拉索面积变化曲线图,如图43所示。
[0223] 由图43可见,桥梁基频仍以横弯、竖弯、扭转的顺序出现。随着拉索面积的增大,竖 弯频率和扭转频率都有所增加,其中竖弯频率增大较为明显,说明加大拉索面积可提高桥 梁竖弯刚度。从横弯曲线上可以看出,拉索面积的变化对横弯频率几乎无影响,这是由于拉 索与主桁面平行,拉索面积的变化仅对桥梁竖向及纵向有影响,横向影响甚小。
[0224] 首先分析拉索相对刚度变化对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,计算不同 拉索相对刚度时各车速下动车和拖车的横向、竖向加速度和轮重减载率的最大值,得到各 项最大值随拉索变化的影响曲线图,如图44-49所示。
[0225] 由图44-49可看出,动车及拖车横向加速度、轮重减载率随车速的增大而增大,而 与拉索相对刚度关系不大;动车及拖车竖向加速度整体上随车速的增大而增大,随拉索相 对刚度的增大而减小,由图中可看出,当车速为200km/h时加速度最小。
[0226] 其次分析拉索相对刚度变化对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算不同 拉索相对刚度时各车速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值,及梁端横向、竖 向转角的最大值,及主跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值随拉索变化 的影响曲线图,如图50-56所示。
[0227]由图50和图51可看出,桥梁跨中横向位移整体随拉索相对刚度的增大而增大,跨 中竖向位移整体随拉索相对刚度的增大而明显减小,说明增大拉索刚度有利于抑制竖向位 移,提高竖向刚度。刚度愈大时跨中竖向位移对车速愈不敏感,这是因为随拉索面积增大, 其应力下降,由于受非线性影响,拉索有效刚度明显折减,故不能单纯依靠增加拉索面积来 提高斜拉桥的竖向刚度。由图52可见,跨中扭转角随着拉索相对刚度的增大而呈明显较小 趋势,说明提高拉索刚度对抑制桁梁扭转有显著作用。由图53可见,梁端竖向折角随拉索相 对刚度的增大而增大,增大趋势不明显。由图54可见,当车速为150km/h时,梁端横向折角随 拉索相对刚度的增大而渐减,且减小趋势在刚度增加后期更为明显;当车速为350km/h时, 梁端横向折角随拉索相对刚度的增大而渐增,且增大趋势在刚度增加后期更为明显;当车 速为150km/h〜350km/h之间时,其受拉索相对刚度变化的影响不明显,说明拉索刚度对于 车速有相当的敏感性。由图55和图56可见,跨中横向加速度对拉索相对刚对较不敏感,而跨 中竖向加速度随拉索相对刚度的增加而逐渐减小,且当车速较高时,减小趋势更为明显。
[0228] 在分析辅助墩对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容: 根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置辅助墩的初步结论,并分别得出斜拉桥的辅助墩在受 力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情 况,从而得到设置辅助墩对斜拉桥刚度的影响情况。
[0229] 大跨度斜拉桥在边跨设置辅助墩,通常主要有两个作用:(1)可增强边跨主梁对拉 索的锚固作用,约束塔身的水平变形,从而减小主梁挠度,使得斜拉桥的整体刚度得到提 高;(2)可缩短悬臂施工时主梁的悬臂长度,从而改善结构的受力状态,提高施工安全性和 结构的抗风性能。
[0230] 本实施例的桥梁模型中,在靠近边墩处各设计了一个辅助墩,通过对比分析有辅 助墩和无辅助墩两种工况下车辆和桥梁的响应,以探明辅助墩的影响。
[0231] 分析在两种工况下的桥梁基频,绘制有无辅助墩对桥梁基频的影响曲线图,如图 57所示。其中,横坐标值1代表有辅助墩,2代表无辅助墩。
[0232] 由图57可见,桥梁基频仍以横弯、竖弯、扭转的顺序出现。取消辅助墩后,桥梁竖弯 基频显著减小,由0.4234减至0.3339,减小了约21%,这说明设置辅助墩有利于提高桥梁竖 弯刚度,增加行车安全性和舒适性;扭转基频也随之有所减小,但不明显;横弯基频则几乎 无影响。
[0233] 首先分析有无辅助墩对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,计算两种工况时 各车速下动车和拖车的横向、竖向加速度及脱轨系数的最大值,得到各项最大值在两工况 下随车速变化的影响曲线,如图58-63所示。
[0234] 由图58-63可看出,在两种工况下,动车及拖车横向加速度和轮重减载率随车速的 增大而增大,且未见明显变化,这说明辅助墩对横向加速度不太敏感。动车及拖车竖向加速 度则在两种工况下有较大的变化,取消辅助墩后,竖向加速度都有较明显的增大,且当车速 越大时,这种趋势越明显。
[0235] 为分析有无辅助墩对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算两种工况时各 车速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值、梁端横向、竖向转角的最大值、主 跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,得到各项最大值在两工况下随车速变化的影响曲 线,如图64-70所示。
[0236] 由图64-70可看出,有无辅助墩对桥梁跨中横向位移和横向加速度的影响不敏感, 对跨中扭转角虽有影响,但影响不大,对跨中竖向位移影响较大。取消辅助墩后,跨中位移 约由60mm增至75mm左右。梁端竖向折角约由0.3%。增至0.7%。左右,横向转角约由0.006%〇增 至0.0145%。左右,说明梁端竖向和横向转角对辅助墩最为敏感。综上所述,在边跨设置辅助 墩可减小行车产生的梁端折角和跨中竖向位移,从而显著提高桥梁的整体刚度。
[0237] 在分析道砟板对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容: 根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置道砟板的初步结论,并分别得出斜拉桥的道砟板在受 力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情 况,从而得到设置道砟板对斜拉桥刚度的影响情况。
[0238] 当考虑道砟板与桥面系共同受力时,将混凝土的道砟板和桥面系换算为钢截面来 计算,按照截面换算前后单元面积承受的合力大小不变,且其应变相等的原则换算。
[0239] 分析道砟板是否参与受力两种工况下的桥梁基频,图71给出了道砟板是否参与受 力对桥梁基频的影响曲线图(横坐标值1表示道昨板不参与受力,2表示道昨板参与受力)。
[0240] 由图71可见,桥梁基频仍以横弯、竖弯、扭转的顺序出现,道砟板参与受力后对桥 梁横弯基频、竖弯基频及扭转基频影响较小。
[0241] 为分析道砟板是否参与受力对车辆-桥梁系统中车辆动力响应的影响,计算两种 工况时各车速下动车和拖车的横向、竖向加速度,得到其最大值随车速变化的影响曲线图, 如图72-77所示。图中表明,道砟板是否参与受力两种工况下动车及拖车横向、竖向加速度 和轮重减载率都相当接近。
[0242] 为分析道砟板是否参与受力对车辆-桥梁系统中桥梁动力响应的影响,计算两种 工况各车速下桥梁主跨跨中横向、竖向位移和扭转角的最大值、梁端横向、竖向转角的最大 值、主跨跨中桥梁横向、竖向加速度的最大值,各项最大值在两工况下随车速变化的影响曲 线图,如图78-84所示。
[0243] 由图78-84可看出,两种工况下,车辆-桥梁系统中桥梁响应的各项最大值都比较 接近,道砟板是否参与受力对车辆-桥梁耦合振动特性影响较小。
[0244] 在对每一个(包括桁高、桁宽、桥面系相对刚度、拉索相对刚度、辅助墩和道砟板) 斜拉桥结构刚度参数的敏感性进行分析时,应同时考虑线路技术条件和轨道几何形位方面 的影响,线路技术条件包括平曲线半径和竖曲线半径,轨道几何形位包括轨道高低偏差、轨 道水平偏差和轨道扭曲偏差,本实施中,经过有限元分析,线路技术调经和轨道几何形位均 满足要求。
[0245] 通过上述分析可以得出以下几点结论:
[0246] 1、二期恒载增加8t/m后,车辆的响应变化较小,桥梁响应略有区别,但区别不大。 由此可见,二期恒载增加8t/m后对车桥的响应影响不大;
[0247] 2、轮重减载率与车速关系紧密,车速增大时,轮重减载率也相应地增大,且车速较 低时增加较快。桥梁结构的刚度对于轮重减载率影响不大;
[0248] 3、随着桁宽从13.5m增加到22.5m,桥梁横向刚度增加,但对车辆-桥梁系统中车辆 走行性的影响较有限;
[0249] 4、桁高增加,桥梁竖向基频相应提高,同时车桥的竖向响应随之下降;
[0250] 5、桥面系对于桥梁结构整体刚度的贡献不大,对车辆响应影响有限;
[0251] 6、拉索面积的增加可提高桥梁竖向刚度,减小车桥系统的竖向响应;
[0252] 7、辅助墩的设置可提高斜拉桥的竖向刚度,降低车辆竖向加速度、桥梁的跨中竖 向挠度和梁端竖向折角等;
[0253] 8、道砟板参与受力时,车辆的各项走行性指标变化较小,桥梁响应有所降低,但降 低的程度较有限;
[0254] 9、温度、风力等荷载引起的变形对车辆竖向加速度有一定影响,对其它响应影响 较小。
[0255] 如上述分析所述,面向走行性的车辆-桥梁评价指标体系主要包括车辆、轨道以及 桥梁共三个方面,其中关于刚度的限值都是针对中小跨度桥梁的,对于大跨度斜拉桥的竖 向、横向刚度限值基本上没有作出明确规定。加之大跨度铁路斜拉桥本身具有柔性,使其刚 度问题较普通桥梁可能显得更为突出。
[0256] 目前尚无已建成主跨大于400m的钢桁梁纯铁路双线斜拉桥的实桥,而大跨度铁路 斜拉桥的刚度设计是一大难点,刚度不足将影响车辆走行性。通过结构刚度参数敏感性分 析,在考虑车辆走行性要求的基础上提出了大跨度钢桁梁纯铁路斜拉桥刚度设计指标及参 考取值范围。
[0257] 在斜拉桥竖向刚度中,大跨度钢桁斜拉桥(L彡300m)的高跨比在1/23.1〜1/44.5 范围内,竖向挠跨比在1/396〜1/650范围内,当竖向挠跨比小于1/600以后,再增大桥梁竖 向刚度对减少车辆竖向振动响应已没有多大贡献,对于纯铁路桥,竖向挠跨比取1 /300〜1 / 1000,在实践中,最小限值取为1/500,较好的范围值为1/500〜1/800,考虑荷载差异,多线 铁路桥或公铁两用桥取值应适当偏高,纯铁路双线或单线桥可适当偏低。设计车速较低时 取值可偏高,车速较高时取值应适当降低。由桁高敏感性分析知,桁高变化会对斜拉桥刚度 及车辆-桥梁系统响应产生一定的影响,但其影响是有限的。故在保证净空以及抗风稳定性 要求的前提下,将主梁高跨比定为1/20-1/50,在实际建造铁路大跨度桥梁的过程中,高跨 比较好的取值范围为1 /25〜1 /40。此外,本研究表明,若要提高斜拉桥竖向刚度,应重点考 虑设置辅助墩(一般设置在索区距塔中线1/2〜2/3范围内较合理)、提高拉索相对刚度(增 大面积、拉索水平角)、桥塔高度及纵桥向刚度等方面综合考虑。
[0258] 大跨度钢桁梁斜拉桥宽跨比在1/15〜1/35之间,实践中,取1/20-1/30更为理想和 优越,横向挠跨比在1/1000左右,也可以将大跨度铁路钢斜拉桥的横向挠跨比可放宽到1 / 1200左右,在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下,梁体的水平挠跨比不应大 于梁体计算跨度的1/4000,实际上,只有在可行车风速以下时,列车摇摆力、离心力等才可 能与风力组合,此时产生的横向挠度也才会对行车造成影响。当风速大于可行车风速时,桥 上已经封闭通行,由于桥上无车,故横向挠度自然也不会对车辆走行性构成影响,此时桥梁 横向挠度可适当放宽。综合上述分析,宽跨比可按1/15〜1/35来确定主梁梁宽,以1/20〜1/ 30范围内更好,在可行车风速下,考虑横向挠度对车辆走行性影响,可将横向挠跨比限值确 定为小于1/3000,实际应用时,取为1/4000更好,在设计风速下横向挠跨比可放宽到1/800-1/3000,实际应用时,将范围确定在1/1000〜1/2000更佳。斜拉桥横向刚度同竖向刚度类似 不仅与主梁本身有关,而且受拉索、主塔的影响很大。在调整横向刚度时可从主梁、拉索及 主塔等多方面综合考虑后确定。
[0259] 在考虑车辆走行性要求的基础上,提出了大跨度钢桁梁纯铁路斜拉桥主梁尺寸拟 定以及刚度设计参考指标,各项刚度限制范围如上述。大跨度钢桁斜拉桥主梁刚度限值范 围对于今后同类型的大跨度斜拉桥在拟定主梁刚度方面具有现实的参考意义。需要注意的 是,主梁拟定后,还必须通过车辆-桥梁、风-车辆-桥梁等方面的专题分析,经多方面的综合 分析后确定最终主梁刚度,以满足车辆走行性、安全性等方面的要求。
[0260] 实施例2
[0261] 铁路大跨度斜拉桥,根据实施例1的铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法得到的铁 路大跨度斜拉桥,该铁路大跨度斜拉桥的刚度参数包括挠跨比、主梁高跨比、主梁宽跨比和 振动基频。
[0262] 挠跨比包括竖向挠跨比和横向挠跨比,所述横向挠跨比包括可行车风速时的横向 挠跨比和设计风速时的横向挠跨比,且挠跨比的参数值满足以下范围:
[0263] 竖向挠跨比:1/300-1/1000;
[0264] 可行车风速时的横向挠跨比:小于1/3000;
[0265] 设计风速时的横向挠跨比:1/800-1/3000;
[0266] 所述振动基频包括竖向振动基频和横向振动基频,振动基频的参数值满足以下范 围:
[0267] 竖向振动基频:0.25-0.5Hz;
[0268] 横向振动基频:0.15-0.45Hz;
[0269] 所述主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围:
[0270] 主梁高跨比:1/20-1/50;
[0271] 主梁宽跨比:1/15-1/35。
[0272] 通过上述刚度参数控制范围,从而快速、准确确定设计出的铁路大跨度斜拉桥是 否满足使用性能要求。在实际应用中时,为确保铁路大跨度斜拉桥的刚度满足要求,可适当 缩小刚度限值范围,斜拉桥的竖向挠跨比、可行车风速时的横向挠跨比、设计风速时的横向 挠跨比、竖向振动基频、横向振动基频、主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围 时,其应用效果更好:
[0273] 竖向挠跨比:1/500-1/800;
[0274] 可行车风速时的横向挠跨比:1/4000;
[0275] 设计风速时的横向挠跨比:1/1000-1/2000;
[0276] 竖向振动基频:0 · 3-0 · 45Hz;
[0277] 横向振动基频:0.2-0.4Hz;
[0278] 主梁高跨比:1/25-1/40;
[0279] 主梁宽跨比:1/20-1/30。

Claims (19)

1. 一种铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法,其特征在于,包括以下步骤: a、 建立动力分析模型,包括桥梁和车辆模型; b、 采用动力分析方法,分析斜拉桥结构刚度参数分别对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应三个方面的影响规律; c、 以车-桥系统评价指标体系为指标进行评判,得出铁路大跨度斜拉桥的刚度限值范围和设计参数取值范围。
2. 根据权利要求1所述的刚度控制方法,其特征在于,在步骤b中,所述斜拉桥结构刚度参数包括桁宽、桁高、桥面系刚度、斜拉索刚度、辅助墩和道砟板。
3. 根据权利要求2所述的刚度控制方法,其特征在于,在步骤c中,所述车-桥系统评价指标体系包括车辆动力评价标准、轨道动力评价标准和桥梁主梁刚度评价标准。
4. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,所述步骤b中,还包括:改变二期恒载,采用动力分析分析方法,得到在改变前后两种工况下的车辆动力响应和桥梁动力响应的情况,并进行对比,得出二期恒载的影响情况。
5. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,所述步骤b中,还包括:引入外界环境所产生的荷载所引起的变形,采用动力分析分析方法,得到在引入前后两种条件下的车辆动力响应和桥梁动力响应的情况,并进行对比,得出外界环境所产生的荷载的影响情况。
6. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析桁宽对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出桁宽基准值,并择取桁宽基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出桁宽在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到桁宽变化对斜拉桥刚度的影响情况。
7. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析桁高对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出桁高基准值,并择取桁高基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出桁高在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到桁高变化对斜拉桥刚度的影响情况。
8. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析桥面系刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出桥面系相对刚度基准值,并择取桥面系相对刚度基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出桥面系相对刚度在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到桥面系相对刚度变化对斜拉桥刚度的影响情况。
9. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析拉索刚度对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出拉索相对刚度基准值,并择取拉索相对刚度基准值相邻的多个数值,在不同的车辆前进速度条件下分别得出拉索相对刚度在多个数值下的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到拉索相对刚度变化对斜拉桥刚度的影响情况。
10. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析辅助墩对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置辅 助墩的初步结论,并分别得出斜拉桥的辅助墩在受力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到设置辅助墩对斜拉桥刚度的影响情况。
11. 根据权利要求3所述的刚度控制方法,其特征在于,在分析道砟板对桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应时,包括以下内容:根据斜拉桥的跨度得出是否需要设置道砟板的初步结论,并分别得出斜拉桥的道砟板在受力与不受力两种情况下对应的桥梁动力特性、车辆动力响应和桥梁动力响应方面的变化情况,从而得到设置道砟板对斜拉桥刚度的影响情况。
12. 根据权利要求4-11之一所述的刚度控制方法,其特征在于,所述桥梁动力特性为桥梁基频,包括横弯基频、竖弯基频和扭转基频。
13. 根据权利要求4-11所述的刚度控制方法,其特征在于,所述车辆模型包括多节动车和与动车连接的多节拖车,所述车辆动力响应方面的指标包括车辆加速度的最大值和轮重减载率的最大值。
14. 根据权利要求4-11所述的刚度控制方法,其特征在于,所述桥梁动力响应方面的指标包括桥梁主跨跨中位移的最大值、扭转角的最大值、梁端折角的最大值和主跨跨中桥梁加速度的最大值。
15. 根据权利要求4-11所述的刚度控制方法,其特征在于,铁路大跨度斜拉桥的刚度包括竖向刚度、横向刚度和扭曲刚度。
16. 根据权利要求12所述的刚度控制方法,其特征在于,所述竖向刚度包括竖向挠跨比的限值、高跨比的限值和竖向振动基频。
17. 根据权利要求12所述的刚度控制方法,其特征在于,所述横向刚度包括横向挠跨比的限值、宽跨比的限值和横向振动基频。
18. —种铁路大跨度斜拉桥,其特征在于,根据权利要求1-17之一所述的铁路大跨度斜拉桥的刚度控制方法得到的铁路大跨度斜拉桥,该铁路大跨度斜拉桥的刚度参数包括挠跨比、主梁高跨比、主梁宽跨比和振动基频; 烧跨比包括竖向烧跨比和横向烧跨比,所述横向烧跨比包括可行车风速时的横向烧跨比和设计风速时的横向挠跨比,且挠跨比的参数值满足以下范围: 竖向挠跨比:1/300-1/1000; 可行车风速时的横向挠跨比:小于1/3000; 设计风速时的横向挠跨比:1/800-1/3000; 所述振动基频包括竖向振动基频和横向振动基频,振动基频的参数值满足以下范围: 竖向振动基频:0.25-0.5 Hz; 横向振动基频:0.15-0.45 Hz; 所述主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围: 主梁高跨比:1/20-1/50; 主梁宽跨比:1/15-1/35。
19. 根据权利要求18所述的铁路大跨度斜拉桥,其特征在于,斜拉桥的竖向挠跨比、可行车风速时的横向烧跨比、设计风速时的横向烧跨比、竖向振动基频、横向振动基频、主梁高跨比和主梁宽跨比的参数值满足以下范围: 竖向挠跨比:1/500-1/800; 可行车风速时的横向挠跨比:1/4000; 设计风速时的横向挠跨比:1/1000-1/2000;竖向振动基频:0.3-0.45 Hz; 横向振动基频:0.2-0.4 Hz; 主梁高跨比:1/25-1/40; 主梁宽跨比:1/20-1/30。
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