鐵路小半徑大跨度曲線連續梁關鍵技術研究

摘要 伴隨著我國鐵路建設的快速發展，曲線連續梁橋越來越多地應用于鐵路建設中。鐵路工程由于速度快、荷載重、跨度大，因此需要對鐵路曲線連續梁進行專門研究，尤其是小半徑大跨度曲線連續梁的關鍵技術研究。文章以洋呂鐵路位于線路曲線半徑為600 m的（65+114+114+65）m連續梁工程為例，對鐵路小半徑大跨度曲線連續梁關鍵技術進行了研究，利用有限元空間模型對主梁進行縱、橫向受力進行了計算分析，對結構的強度、剛度等多種設計指標進行了檢算，并根據計算結果指導優化設計。同時對結構進行了車橋耦合振動計算，對鐵路小半徑大跨度曲線連續梁和列車的動力響應進行了分析與評價。

關鍵詞 小半徑曲線；大跨度連續梁；有限元法；關鍵技術；車橋耦合

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0046-03

0 引言

伴隨著經濟建設的發展，我國鐵路曲線形橋屢見不鮮，有關曲線梁橋的研究、設計、建造、監控水平也取得了長足的發展。和直線連續梁橋相比，曲線連續梁橋具有線條流暢明快、外形優美、能夠很好地適應地形特點、改善行車條件、縮短線路的里程從而降低工程造價等優點。同時隨之而來的是曲線連續梁橋的不足：存在彎扭耦合嚴重[1]、內外側支座受力不均、內外側梁體受力不均、剪力滯效應明顯、墩臺受力趨于復雜等[2]。鐵路工程由于速度快、荷載重、跨度大，因此需要對鐵路曲線連續梁進行專門研究，尤其是小半徑大跨度曲線連續梁的關鍵技術研究。

1 工程概況

洋呂鐵路是我國《中長期鐵路網規劃》中普速鐵路網“三門峽經禹州至江蘇沿海港口鐵路”的重要組成部分。項目建成后將串聯起沿海的主要港口，實現市域鐵路成網成環，打通鐵路進港的“最后一公里”。線路支線段以（65+114+114+65）m連續梁跨越G328一級公路、老海堤道路、高壓燃氣管、規劃南一主干河等諸多控制因素，同時此段線路平面曲線半徑為600 m，并靠近另外一個半徑為600 m的反向曲線。橋址平面圖如圖1所示。

2 主橋總體設計

2.1 主橋總體布置

（65+114+114+65）m單線預應力混凝土連續梁為單箱單室變截面箱梁，主梁全長為359.5 m。邊支點和跨中段梁高為4.4 m，中支點處梁高為8.9 m，梁底縱橋向按圓曲線變化。箱梁頂總寬為8.0 m，箱梁底寬為6.0 m，在中支點局部范圍內加寬到7.8 m，在邊支點局部范圍內加寬到7.0 m。

2.2 主要技術標準

（1）線路情況：單線客貨共線，有砟鐵路。

（2）設計速度：80 km/h。

（3）橋面布置：橋梁頂面總寬8.0 m。曲線無聲屏障。

（4）地震烈度：7度，Ag=0.05 g。

（5）軌底至梁頂高度：0.65 m。

（6）設計正常使用年限：主體結構設計使用周期為100年。

3 主梁計算結果

3.1 主梁縱向計算結構分析

3.1.1 強度檢算

（1）主梁混凝土檢算。運營階段內力計算結果見表1所示，主梁各項指標均滿足規范要求。

施工階段混凝土最大壓應力在上緣為12.79 MPa，拉應力出現在下緣為?0.46 MPa，拉壓應力均滿足規范要求。

（2）預應力鋼筋檢算。預應力筋計算結果見表2所示，鋼束應力及應力幅結果均能滿足規范要求。

3.1.2 剛度檢算

（1）豎向撓度。ZKH靜活載各工況組合下的主梁豎向變形計算結果見表3所示，均滿足規范要求[3]。

（2）梁端轉角。ZKH靜活載作用下，主梁梁端轉角為+0.759‰rad、?0.902‰rad，滿足《鐵路橋涵設計規范》表5.2.6-1中有砟軌道橋梁梁端轉角的限值要求（小于3.0‰rad）[4]。

（3）工后徐變。大跨度混凝土主梁工后的徐變變形會造成軌道不平順，從而影響列車行駛的安全性和乘坐舒適度[5]。主梁二期恒載上橋時間按終張拉后60 d進行計算，邊跨、主跨理論計算的殘余徐變變形（向上為正、向下為負）分別為+0.96 mm和?16.79 mm。根據現場具體情況，并結合恒載、活載影響、預應力張拉、溫度、混凝土收縮徐變等影響因素，主梁按恒載+0.5靜活載撓度考慮設置預拱度。

3.2 主梁橫向計算結構分析

橫向分析時的活載，采用ZKH載特種荷載軸重，單個軸重250 kN，橫向分布寬度取“軌底軌枕寬+頂板厚”。取3個典型的不同厚度腹板的截面進行檢算，縱橋向取1 m梁長，采用Midas Civil有限元軟件進行計算，截面內力及檢算結果見表4所示[6]。經檢算，橫向框架截面應力強度及裂縫寬度均滿足規范要求。

3.3 支反力

在各種工況荷載組合情況下，各墩頂支座曲線內側支反力均大于曲線外側，詳見表5所示。其中邊墩支反力相差約540 kN，差值幅為15.9%；主墩支反力相差13 607～15 629 kN，差值幅為56.7%。

4 車橋耦合振動分析

4.1 橋梁模型

分析模型采用Midas Civil有限元軟件建立，車橋耦合振動計算取其前150階模態，其中第150階頻率為50.661 3 Hz。計算時各階模態阻尼比均取0.02。

4.2 計算工況

為分析橋梁振動、軌道隨機不平順、車輛運行狀況等因素對主橋行車性能的影響，共采用K6轉向架貨車重車編組、空車編組及準高速客車編組三個工況參與計算[7]。

4.3 橋梁動力響應分析與評價

（1）車橋耦合作用下，西港池特大橋主梁跨中最大豎向位移為31.19 mm（限值85.5 mm）；橋梁豎向加速度最大值為0.21 m/s2（限值3.5 m/s2）；橫向加速度的最大值0.37 m/s2（限值1.4 m/s2）；梁端轉角最大值為0.48‰rad（限值3‰rad）。上述橋梁響應均滿足規范限值或參考標準要求。

（2）主梁最大扭轉角為0.43‰rad，扭轉引起的內外軌高差約0.6 mm，可滿足橋梁和軌道結構的安全性要求。

（3）在檢算車速范圍內，橋梁運營動力系數約1.03，小于1.042的設計值。

4.4 列車動力響應分析與評價

列車的動力響應應從行駛安全性及乘坐舒適性（車體平穩性）兩方面進行評價。輪重減載率、脫軌系數、輪軌橫向力等指標反映行駛安全性；車體加速度、Sperling指標等則反映乘坐舒適性[8]。

（1）在車速100 km/h內，機車豎向加速度最大為0.67 m/s2，橫向加速度最大為0.56 m/s2，豎向平穩性指標最大為1.68，橫向平穩性指標最大為1.52，輪重減載率最大為0.19，脫軌系數最大為0.20，輪軌橫向力最大為37.98 kN，其安全性與舒適性指標均滿足規范要求，平穩性為優秀。

（2）在車速100 km/h內，客車豎向加速度最大為0.73 m/s2，橫向加速度最大為0.71 m/s2，豎向平穩性指標最大為1.83，橫向平穩性指標最大為1.89，輪重減載率最大為0.11，脫軌系數最大為0.13，輪軌橫向力最大為18.04 kN，其安全性與舒適性指標均滿足規范要求，平穩性為優秀。

（3）在車速80 km/h內，K6轉向架貨車豎向加速度最大為4.60 m/s2，橫向加速度最大為3.56 m/s2，豎向平穩性指標最大為3.44，橫向平穩性指標最大為3.27，輪重減載率最大為0.57，脫軌系數最大為0.25，輪軌橫向力最大為38.75 kN，其安全性滿足規范要求，車體橫向加速度合格，平穩性達到優秀。

5 結論

（1）該工程采用有限元軟件對鐵路小半徑大跨度曲線連續梁的關鍵技術進行了計算與分析，對結構的各項技術指標進行了檢算。從最終計算結果顯示，梁部縱向強度、抗裂及應力運營階段位移、橫向框架截面等應力強度及裂縫寬度均滿足規范要求，滿足鐵路相關技術變形沉降各項要求。

（2）在各種工況荷載組合情況下，各墩頂支座曲線內側支反力大于曲線外側支反力，支座選擇時應考慮曲線對支座噸位的影響。

（3）針對主橋的車橋耦合振動問題，在多種工況下及最不利工況組合下開展了數值仿真計算分析。主梁的各項動力響應指標均小于規范限值或相關參考規定，滿足橋梁和軌道結構的安全性、穩定性要求。車輛響應的舒適性、安全性指標均滿足規范要求，平穩性為優秀。

參考文獻

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[8]翟婉明， 夏禾. 列車-軌道-橋梁動力相互作用理論與工程應用[M]. 北京：科學出版社， 2011.

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：柴永飛（1988—），男，碩士研究生，高級工程師，從事橋梁工程設計及咨詢工作。