CN106958187A - 一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法，以有效解决大跨度上承式铁路混凝土拱桥横向位移控制的难题，使该类桥梁的结构设计更为简单、合理，有效降低桥梁工程投资。主桥结构体系由主拱圈、拱上墩柱和主桥梁部构成，将所述主桥梁部视为拱上墩柱对其横向无约束的等效简支梁，将所述主拱圈视为拱上墩柱的弹性支撑，主拱圈及拱上墩柱视为只给等效简支梁传递水平荷载。拱上墩柱在主拱圈上均匀布置，其传递的水平力等效为水平均布荷载，主桥梁部的横向位移曲线采用水平均布荷载作用下等效简支梁的横向挠度曲线来拟合，主桥梁部跨中水平挠度Δ按下式控制：即可有效满足高速铁路线路横向平顺性的要求，式中，L为主桥梁部长度。

Description

一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程，特别涉及一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法，在保证桥梁在高速列车运行的安全性和舒适性前提下，可有效降低桥梁工程投资。

背景技术

高速公路、高速铁路、航空运输是我国快速交通网的三大组成部分，当前三种运输方式都在迅速地建设发展中。高速铁路的设计速度均在200km/h以上，多数为250～350km/h。

当列车通过桥梁时，运行速度不同，产生的影响也不同。当行车速度达到200Km/h以上时，由于动力学问题产生的影响将控制桥梁设计，直接影响行车的安全性和旅客乘坐的舒适性。因此，在高速铁路桥梁设计中，如何保证桥梁达到与设计速度目标值相应的安全性和舒适性，是桥梁设计必须考虑的核心问题。

高速铁路是一个综合性系统工程，保证桥梁在高速条件下的安全性和舒适性，需要考虑各种相关因素，例如必须严格控制桥梁结构的变形，保持轨道持续稳定和高平顺性。高速铁路桥梁在各种荷载工况下的变形，将直接导致桥上轨道结构的变形，从而影响高速列车运行的安全与乘坐的舒适。因此必须对桥梁墩台的水平刚度、基础的沉降变形、梁体挠度、梁端转角、预应力混凝土梁的后期残余徐变变形等，作严格的限定与控制，才能使线路轨道的平顺性保持在允许范围内。

在高山峡谷地区修建高速铁路，上承式大跨度拱桥常常是经济合理的跨越桥型。在此类桥梁设计中，桥梁在温度、风力及车辆荷载作用下桥梁不可避免的会发生横向位移，设计如何控制桥面的横向变形，对保证列车高速平稳通行至关重要。

我国现行《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)对于桥梁横向位移的限值只适用于跨度小于96m的混凝土结构，而常规大跨度铁路桥梁一般采用主跨200m以下的连续梁、连续刚构和系杆拱等桥型，该类铁路桥梁设计中桥梁的横向刚度一般采用结构的一阶横向自振周期来控制(主桥的一阶自振周期不大于1.7s)。从工程实际的应用来看，对常规梁桥来说，采用该指标进行控制效果较好。但对于跨度超过300m的桥梁，尤其是近年来屡次在西南山区高速铁路中出现的跨度在400m以上的超大跨度上承式拱桥而言，该指标的适用性就有待商榷了。对此类大跨度复杂桥梁若还采用传统的控制标准，将大桥的一阶横向自振周期控制在1.7S以内，则会造成工程量的极大浪费，甚至影响该桥型的选用。

因此在高速铁路300m及以上大跨度上承式拱桥设计中，横向位移如何控制就成为了一项关键性的技术问题。急需找到一种简单有效的大跨度上承式拱桥横向位移的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法，以有效解决大跨度上承式铁路混凝土拱桥横向位移控制的难题，使该类桥梁的结构设计更为简单、合理，有效降低桥梁工程投资。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法，主桥结构体系由主拱圈、拱上墩柱和主桥梁部构成，其特征是：将所述主桥梁部视为拱上墩柱对其横向无约束的等效简支梁，将所述主拱圈视为拱上墩柱的弹性支撑，主拱圈及拱上墩柱视为只给等效简支梁传递水平荷载；拱上墩柱在主拱圈上均匀布置，其传递的水平力等效为水平均布荷载，主桥梁部的横向位移曲线采用水平均布荷载作用下等效简支梁的横向挠度曲线来拟合，主桥梁部跨中水平挠度Δ按下式控制：

即可有效满足高速铁路线路横向平顺性的要求，式中，L为主桥梁部长度。

本发明的有益效果是，针对大跨度上承式拱桥横向位移控制，创造性的提出了“等效简支梁法”，填补了我国《高速铁路设计规范》的空白，解决了大跨度上承式铁路混凝土拱桥横向位移控制的难题，使得该类桥梁的结构设计更为简单、合理；能够有效的减小主桥各构件(主拱、拱上墩柱、主桥梁部)的结构尺寸，更加准确的反映出大桥在各横向荷载作用下的受力情况，能显著地降低桥梁造价。

附图说明

本说明书包括如下六幅附图：

图1是典型的上承式拱桥的立面图；

图2是梁端折角的示意图；

图3是拱桥引桥梁缝处梁端转动趋势示意图；

图4是本发明一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法中等效简支梁的示意图；

图5是本发明一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法的示意图；

图6是实施例的示意图。

图中示出构件和对应的标记：拱座10，主拱圈11，拱上墩柱12，主桥梁部13，左侧引桥梁体21，右侧引桥梁体22，左侧梁缝A1，右侧梁缝A2，等效简支梁T，主桥梁部长度L。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出的是一座典型的上承式拱桥，主桥结构体系由主拱圈11、拱上墩柱12和主桥梁部13组成，主桥梁部13与左侧引桥梁体21之间设置左侧梁缝A1，与右侧引桥梁体22之间设置右侧梁缝A2。主桥上部的梁部荷载(包括列车荷载)通过拱上的拱上墩柱12传递至主拱圈11，荷载通过主拱圈11主要以压力的形式传递至两岸的拱座10，并最终传递至两岸的岩石地基。对高速铁路桥梁来讲，桥梁的横向变形主要源自列车的离心力、摇摆力，以及风力和温度的作用。桥梁的横向变形大小与桥梁的横向刚度有关，但并不只与刚度有关，例如横向位移中占比较大的温度变形就与桥梁横向刚度无关，所以单纯从结构刚度入手研究，无法得到合理的横向变形控制方法。

高速铁路列车之所以能够保证高速平稳运行，除了在车辆上采用了大量的减振技术外，保持轨道持续稳定和高平顺性是关键。参照图2，虽然我国现行《高速铁路规范》已不适用于大跨度拱桥，但可以从影响轨道横向平顺性的梁端折角的控制作为切入点，来研究大跨度拱桥横向变形的控制方法。

图1示出的上承式拱桥梁部一共分成三个部分，中间是主桥梁部13，两侧分别是左侧引桥梁体21(小里程引桥梁部)和右侧引桥梁体22(大里程引桥梁部)，它们之间一共有两道梁缝(左侧梁缝A1、右侧梁缝A2)。对于大跨度拱桥，根据结构计算列车横向摇摆力对桥梁产生的横向位移非常有限，设计基本可以忽略不计，因此引起桥面发生横向位移主要因素为列车离心力、风力及温度的作用。对高速铁路桥梁来讲，一座桥梁上一般只可能有一个平曲线，因此离心力作用下只会使桥梁整体偏向一侧(或左侧或右侧)。桥梁在横向风力作用下的桥面横向变形，很显然也只会是桥梁整体偏向一侧。温度作用引起的桥梁横向变形，是由阳光偏晒使桥梁结构产生横向温差所引起，由于阳光偏晒具有一致性，所以温度作用下的桥梁横向变形也只会整体偏向桥梁一侧。基于以上分析，在列车离心力、风力及温度作用下，拱桥桥面只可能向拱桥一侧偏移，以小里程梁缝为例，梁端转动趋势图3所示。

图3中，简支梁转动净值为θ₁，主桥梁转动净值为θ₂，梁端折角为θ＝θ₂-θ₁，按照规范要求θ＝θ₂-θ₁≤0.001。由于在列车离心力、风力及温度作用下，拱桥桥面只可能向一侧偏移，所以θ₁必然大于等于0，因此只要θ₂≤0.001，该梁缝处的梁端折角即满足要求。换言之，主桥梁部横向位移曲线对应的梁端转角θ₂只要小于0.001，梁缝处的梁缝折角即满足要求，也就满足了高速铁路线路横向平顺性的要求。

参照图4和图5，对于大跨度拱桥，主桥结构体系系由主拱圈11、拱上墩柱12和主桥梁部13构成，主桥梁部13的横向位移与主拱圈11和墩柱12的横向刚度关系密切，主桥梁部13横向变形与主拱圈11具有明显的联动效应。根据主桥部分受力及横向变形的特点，可将主桥梁部13视为拱上墩柱12对其横向无约束的等效简支梁T，将主拱圈11视为拱上墩柱12的弹性支撑，主拱圈11及拱上墩柱12视为视为只给等效简支梁T传递水平荷载，由于拱上墩柱12在主拱圈11上均匀布置，因此等效为水平均布荷载。经过反复研究比较和实际工程的验证，主桥梁部13的横向位移曲线可采用以上假设的水平均布荷载作用下“等效简支梁T”横向挠度曲线来拟合，且是偏安全的。

如此，横向位移曲线上各位置的挠度ω、梁端转角值θ分别见下列公式：

拱桥的跨中位置x＝L/2，则跨中挠度Δ为：

式中：q为等效简支梁横向均布荷载；x为等效简支梁位移计算点至梁端的距离；L为等效简支梁计算跨度，即主桥梁部长度；E为等效简支梁材料弹性模量；I为等效简支梁横向抗弯刚度；

结合前面转角分析结果，等效简支梁T在左侧梁缝A1、右侧梁缝A2两端转角：θ≤0.001，从而得到跨中挠度：

对于大跨度拱桥，只需按上式对拱顶(横向位移最大)处的横向水平位移进行控制，梁缝处的梁端转角即可满足规范要求，也就满足了高速铁路线路横向平顺性的要求。

由此，本发明将所述主桥梁部13视为“等效简支梁T”，将主拱圈11、墩柱12视为只给简支梁T传递水平均布荷载，依据均布荷载作用下简支梁的挠度及转角公式，并引入“等效简支梁”T在引桥梁缝处的转角θ≤0.001的变形条件，可推导得到主桥梁跨中水平挠度Δ：

即可满足高速铁路线路横向平顺性的要求，式中，L为主桥梁部长度，即主桥梁部13由左侧梁缝A1至右侧梁缝A2的长度。

实施例：

申请人沪昆客专北盘江特大桥设计时，采用了该方法进行桥梁横向位移控制。参照图6，北盘江桥全长721.25m，主桥为跨度445m上承式钢筋混凝土拱桥，为世界最大跨度的钢筋混凝土拱桥。引桥及拱上结构孔跨布置为1×32m简支箱梁+(2×65m+8×42m+2×65m)预应力混凝土刚构-连续组合梁+2×37m预应力混凝土连续梁。

该桥各种工况下拱顶桥面处横向位移值为：

横向摇摆力：1.3mm

横向风力：50.1mm

温度变化(拱圈和拱上墩柱横向均单侧升温10°)：51.4mm

合计：102.8mm。

可见，北盘江桥拱顶桥面处横向最大位移满足本控制方法的要求。

北盘江桥于2016年8月开始联调联试试运营，2016年12月正式运营通车通车，初期运营速度300km/h，期间列车最高行车速度达到330km/h，运行时列车各项动力及舒适性参数均满足要求，列车运行平稳，说明设计采用的本发明桥梁横向变形控制方法切实可行。并且采用本发明“等效简支梁法”，全桥横向一阶自振周期为3.54s,远大于传统的1.7s。本桥采用本发明“等效简支梁法”控制较原一阶横向自振周期控制法，主拱圈拱脚截面宽度由36m减小至28m，拱顶截面宽度由22m减小至18m，主拱板厚及拱上结构尺寸均相应减小，经测算，工程造价降低约30％左右，节省投资约1.85亿元。

因此，采用本发明横向位移控制方法，较原有大跨度桥梁一阶横向自振频率的方法，能够有效的减小主桥各构件(主拱、拱上墩柱、主桥梁部)的结构尺寸，更加准确的反映出大桥在各横向荷载作用下的受力情况，既方便使用又显著的提高了经济性(在示例桥梁中降低造价30％左右，且跨度越大节约的效果越明显)。是一种值得大范围推广的大跨度上承式铁路拱桥横向位移控制方法。

以上所述只是用图解说明本发明一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (1)

1.一种高速铁路大跨度拱桥的横向位移控制方法，主桥结构体系由主拱圈(11)、拱上墩柱(12)和主桥梁部(13)构成，其特征是：将所述主桥梁部(13)视为拱上墩柱(12)对其横向无约束的等效简支梁(T)，将所述主拱圈(11)视为拱上墩柱(12)的弹性支撑，主拱圈(11)及拱上墩柱(12)视为只给等效简支梁(T)传递水平荷载；拱上墩柱(12)在主拱圈(11)上均匀布置，其传递的水平力等效为水平均布荷载，主桥梁部(13)的横向位移曲线采用水平均布荷载作用下等效简支梁(T)的横向挠度曲线来拟合，主桥梁部(13)跨中水平挠度Δ按下式控制：

$\mathrm{\Δ}\≤\frac{L}{3200}$

即可有效满足高速铁路线路横向平顺性的要求，式中，L为主桥梁部长度。