简支梁长桥桥墩的偏心安全性研究
摘要:我国铁路桥梁设计中,列车荷载按中-活载取值.对简支梁直线桥桥墩的纵向偏心检算时,常将单孔轻载作为加载图示.从轨面制动力的动力特性、最不利加载工况两方面入手,对铁路简支梁长桥桥墩的偏心安全性进行了计算和讨论,分析了制动力作用下长桥桥墩受力特点.
引言
列车在桥上实施制动时,将对桥上轨面产生与列车运行方向相同的水平纵向力———轨面制动力.轨面制动力的一部分经轨道传至桥外路基,其余部分传给桥梁墩台.由桥梁墩台承受的制动力称为有效制动力,它成为影响桥梁墩台设计的重要因素.有效制动力与轨面制动力的比值称为有效系数.
现行铁路桥规[1]在计算有效制动力时,采用0.1倍桥跨上的竖向静活载;而对轨面制动力和有效系数没有明确的规定.本文从轨面制动力的动力特性、制动力作用下最不利加载工况两方面入手,对铁路简支梁长桥桥墩的偏心安全性进行计算和讨论.
1 轨面制动力的动力特性
国内近年对制动力的研究结果表明,我国重载货运列车紧急制动时,列车轨面制动力由最大值的60%跃升至100%,具有明显的动力特征;而因桥梁、线路条件不同,有效系数也在很大范围内变化[2],简单地用10%的竖向静活载作为桥梁的有效制动力,许多场合下不能真实地反映桥梁墩台承受制动力的实际状态.文献[3-4]建立了制动列车动态模型,编制动态仿真程序,以影响列车制动性能的实验统计参数为依据,得出列车轨面制动力时程曲线的计算方法,进行了仿真程序的验证,在此基础上根据我国主型机车车辆的各项实测参数,通过动态计算得出了不同长度编组列车的轨
面制动力随机时程曲线.下面对列车轨面制动力的动态研究方法作一分析.
列车制动过程中,车体单元受力如图1所示.图1中:Ni、Ni-1是车钩力;BFi为单元制动力;Wi为单元阻力;mi为考虑了轮轴转动惯量的单元换算质量.对于整个列车,列出如下方程组:
2 加载图示讨论
铁路桥梁设计一般将“单孔轻载+制动力+纵向风力”作为检算直线桥墩身截面纵向偏心的控制荷载组合;将“双孔重载+制动力+离心力+纵向风力”作为检算曲线桥斜向偏心的控制荷载组合;而“双孔重载+制动力+纵向风力”是检算直线桥墩身纵向压应力及受压稳定性的控制荷载组合.上述几种活载布置图式及最不利荷载组合,虽然在当前铁路桥梁设计中广为采用,但并不完全切合实际.原因如下:
(1)一般情况下,机车产生的制动力大于车辆产生的制动力,但前部机车产生的制动力将有相当一部分通过钢轨传至前方线-桥结构,或通过轨道分散传递给两端路基.而在列车加载中部范围的桥跨结构,由于一孔梁和其前后相邻孔梁上的轨面制动力处于相互传递状态,因此当简支梁桥的桥梁总长大于一定值时,加载长度中部的桥墩在承受列车制动力时逐渐表现出独立性.文献[4]中认为桥梁大于200m时,长桥中部某个桥墩受到的有效制动力等于该孔梁上车辆产生的轨面制动力.由于在水平制动力的相互传递作用下,中间桥墩可以承受几乎100%的其相应桥跨上水平荷载,此时有效制动力接近轨面制动力.
因此对桥墩起控制作用的是列车加载长度中部车辆产生的制动力,而不是前部机车制动力.某一桥墩承受最大制动力,是在该墩临近的多孔梁上都满布活载时才有可能.如仅在该墩直接支承的一孔或两孔梁上布置活载,就不能产生最大制动力值.单孔轻载或双孔重载并不是制动力作用下最不利的加载方式.
鉴于货运列车产生的制动力大于客运列车,取我国主型货运车辆(C62系列;荷载集度6.1 t/m)满布桥跨作为加载工况,与单孔轻载加载情况下的桥墩偏心作对比计算分析.本文取简支梁长桥加载长度中部的一孔桥跨结构(图3)来进行分析.
(2)桥跨结构受竖直荷载而产生挠曲变形,桥跨与轨道间的连接作用使钢轨产生附加力,此附加力又反作用于桥跨,在支座处引起挠曲力,它是成对出现而方向相反地作用于桥跨两端支座的纵向水平力.制动力与挠曲力的联合作用就是制挠力,其大小随列车停车位置而变化.当仅在检算墩的一侧桥孔布置活载并向检算墩制动时,制动力与挠曲力的方向相同,可使检算墩出现制挠力的最大值.单孔轻载制动力的方向恰好与挠曲力方向相反,故制挠力的数值将更小于制动力计算值;而双孔重载对检算墩一般不出现制挠力的最大值.
3 偏心安全性检算
本文对桥墩墩底纵向偏心验算比较以下两种加载工况,图4中的加载工况一为铁路单孔轻载,加载工况二为长桥模型多孔满布车辆荷载(C62系列车辆荷载).轨面制动力时程计算时采用实际列车编组:东风4型货运内燃机车1台牵引C62重载敞车若干辆.这是运营中的常用编组,且在紧急制动时产生较大的列车制动力.
在单孔轻载情况下,制动力取竖向静活载的0.1,此时墩顶有活载支反力引起的不平衡力矩;长桥模型中,所研究的桥跨与相邻跨均满布车辆荷载,此时检算墩墩顶没有不平衡力矩.对于加载工况二,将轨面制动力时程曲线的峰值作为静荷载,施加于墩顶.本文对不同跨度、不同墩高情况下在两种加载工况下作了对比分析计算.表1中仅给出部分墩高情况下的圆端形桥墩墩底纵向偏心检算结果.主梁及桥墩参数取自铁路第三勘测设计院《中华人民共和国铁道部标准图.钢筋混凝土梁(叁标桥1023)、道碴桥面混凝土梁圆端形桥墩(叁桥4023)》.
通过计算发现,在加载工况一作用下,对于常用的墩高和跨度情况,墩底截面纵向偏心基本满足桥规要求;在加载工况二作用下,对于大跨度、高墩情况,纵向偏心距有超出容许值的现象,墩底截面处于不利的受力状态.当墩底截面合力偏心较大时,需考虑应力重分布计算,将可能出现更大压应力值,墩身强度安全性受到威胁.值得注意的是,加载工况二的车辆荷载集度为61kN/m,当250kN轴重大型货车投入运营后,主型敞车的荷载集度将提高到74-80kN/m,已接近中—活载等级水平,墩底合力偏心将相应增大,对于常用墩高下的墩底偏心距几乎都将超出限值,桥墩制动力设计值考虑不足的问题会显露出来.
现行铁路桥规主要以容许应力法为基础进行结构设计,材料安全系数的取值单凭经验,不能明确构件的实际承载能力,在一定程度上也掩盖了纵向力设计不足的问题.随着基于概率理论的极限状态设计方法的发展,对于结构可靠度分别采用分项系数考虑荷载、材料性能及结构工作条件等随机影响是一必然发展趋势.表1中24m、32m跨度在多孔满布车辆荷载作用下,墩底纵向偏心超过限值的现象,虽然不能就此认定桥墩处于危险状态,但桥墩的安全储备却大大降低了.
4 结论
本研究以制动列车的动态仿真计算为基础,分析了简支梁长桥桥墩的偏心安全性,提出了制动力作用下最不利加载的图示.
简支梁长桥中部的桥墩,由于前后相邻桥跨轨面制动力的相互传递,桥墩处于承受最大制动力的不利状态.当考虑到轨面制动力荷载的动力特性时,对于大跨、高墩情况,墩底截面偏心存在超出规定限值现象,使得桥墩安全储备降低,反映出桥规对制动力设计值考虑不足的问题.文中对进一步明确纵向力荷载设计值,完善桥规有关制动力的条文规定具有参考意义.
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