中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁對歐洲鐵路荷載的適應(yīng)性分析

王 博

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

近幾年中國參與的國外鐵路工程項目較多，其中不少項目位于土耳其境內(nèi)，為了開拓土耳其鐵路工程項目市場，研究中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁在歐洲標(biāo)準(zhǔn)的車輛荷載下的適應(yīng)性就顯得尤為重要。本文介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載作用下國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)T梁的強(qiáng)度以及自振頻率等，希望為有同類設(shè)計要求的項目提供參考和借鑒。

2 歐洲鐵路橋梁荷載介紹

2.1 荷載分類

歐洲鐵路橋梁采用極限狀態(tài)法設(shè)計，荷載分類如下:

永久作用(G)，如:結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備和路面鋪裝以及由于收縮和不均勻沉降產(chǎn)生的作用;

可變作用(Q)，如:作用在梁面的交通荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等;

偶然作用(A)，爆炸或車輛撞擊等。

2.2 橋梁上的列車荷載

［EN 1991—2］規(guī)定的列車荷載如下。

豎向荷載:Load 71、SW(SW/0和SW/2)、“空載”和HSLM荷載;

活載土壓力;

動態(tài)響應(yīng);

離心力;

擺動力;

牽引力和制動力;

列車通過時產(chǎn)生的空氣動力作用。

2.3 豎向荷載的特征值

軌道交通作用通過荷載模型來確定，鐵路荷載分為5種荷載模型，具體如下:

荷載模型71(SW/0荷載模型用于連續(xù)梁橋)代表在鐵路主干線上的常規(guī)荷載;

荷載模型SW/2代表重載;

荷載模型HSLM代表速度超過200 km/h的客車荷載;

荷載模型“空載”代表空載列車的影響;

Load71由常規(guī)軌道交通產(chǎn)生的豎向荷載的靜力效應(yīng)，軸載分布和特征值如圖1所示。

圖1 荷載模型71豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)圖式(單位:m)

在比正常軌道交通重或輕的軌道交通線上，圖1中的特征值應(yīng)乘以系數(shù)α。乘以系數(shù)α后的荷載稱為“分類豎向荷載”。α的取值如下:0.75，0.83，0.91，1.00，1.10 ，1.21，1.33，1.46。

以下所列荷載也應(yīng)乘以相同的系數(shù)α:

活載土壓力效應(yīng);

離心力;

擺動力(僅當(dāng)α≥1時乘以α);

牽引力和制動力;

結(jié)構(gòu)和軌道對于可變作用的組合效應(yīng);

脫軌荷載;

連續(xù)梁橋的荷載模型SW/0。

撓度計算時，應(yīng)使用分類豎向荷載和乘以α的其他作用(計算乘客舒適度時 α 取為1)［1～2］。

3 通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體受力狀態(tài)分析

根據(jù)歐洲規(guī)范，車輛荷載的動力系數(shù)按下式計算［3］

式中 Lφ——梁的計算跨度，m。

作用于梁體上的動力系數(shù)為1.125。

本次計算重要性系數(shù)取值依次為0.8、1.0、1.2以及1.4，按照不同的重要性系數(shù)進(jìn)行加載，判斷出32 m簡支T梁能滿足哪種“分類豎向荷載”。

3.1 32 m簡支T梁(直線)橋面布置(圖2)

圖2 160 km/h雙線T梁橋面布置(直線)(單位:mm)

3.2 設(shè)計荷載

(1)活載采用Load71荷載模型，荷載圖示參見圖1。

(2)一期恒載，結(jié)構(gòu)容重采用26 kN/m3;

(3)二期恒載包括線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現(xiàn)澆橋面板以及橫隔板濕接縫的重力。二期恒載采用值如下:邊梁43.87 kN/m;中梁31.33 kN/m。

3.3 材料及設(shè)備

3.2.1 混凝土

(1)梁體混凝土強(qiáng)度等級為C55。

(2)封錨混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土，強(qiáng)度等級同梁體。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa。

3.2.3 錨具

縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束錨具均采用夾片式錨具，其技術(shù)條件應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)應(yīng)力筋用錨具的要求，錨墊板采用配套錨墊板，張拉千斤頂采用配套千斤頂。

3.4 設(shè)計安全系數(shù)及應(yīng)力控制指標(biāo)

設(shè)計安全系數(shù)及各階段應(yīng)力指標(biāo)按照鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范控制。

3.5 32 m簡支T梁(直線)空間計算

為確定雙線T梁在活載作用下的空間受力性能，采用Midas進(jìn)行空間分析，確定結(jié)構(gòu)的自振頻率以及荷載橫向分布系數(shù)。雙線簡支T梁Midas模型如圖3所示。

［EN 1991—2:2003］對簡支梁豎向自振頻率規(guī)定如下:

簡支梁豎向自振頻率不應(yīng)低于下列限值［4］

簡支梁豎向自振頻率不應(yīng)高于下列限值

式中 n0——簡支梁豎向自振頻率限值，Hz;

L——簡支梁跨度，m。

根據(jù)上式計算32 m簡支T梁豎向自振頻率不應(yīng)小于3.03 Hz，不應(yīng)大于7.09 Hz。

［EN 1990—2002］對簡支梁橫向自振頻率規(guī)定如下:

結(jié)構(gòu)橫向一階自振頻率不應(yīng)小于1.2 Hz。

圖3 160 km/h雙線T梁Midas模型

3.5.1 梁體自振頻率

豎向自振頻率3.59 Hz，振型見圖4。

圖4 160 km/h雙線T梁豎向自振振型

橫向自振頻率［5］9.22 Hz，振型見圖5。

圖5 160 km/h雙線T梁橫向自振振型

根據(jù)Midas分析結(jié)果，通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體自振頻率滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)及中國鐵路規(guī)范要求。

3.5.2 荷載橫向分布系數(shù)計算

雙線列車活載作用下，梁體彎矩圖見圖6。

圖6 梁體彎矩圖

根據(jù)Midas分析結(jié)果，邊梁及中梁分擔(dān)的荷載比例為24.9%，25.1%，25.1%，24.9%。因此應(yīng)用BSAS進(jìn)行平面計算分析時，中梁和邊梁按照均分活載計算。

3.6 主梁計算

簡支T梁為分片式連接，計算采取分別計算邊梁和中梁的方法確定梁體的各種力學(xué)指標(biāo)是否滿足運營荷載的要求，每片梁分擔(dān)的活載按照Midas分析結(jié)果，中梁和邊梁均分活載。

梁體計算過程中，橫隔板采用集中荷載加載到梁單元上，月平均溫度取±25℃。

用BSAS軟件分別對靜活載引起的撓度［6－8］、運營階段梁體的各項安全性指標(biāo)等進(jìn)行計算，并對結(jié)果進(jìn)行比較分析。

(1)靜活載撓度(表1)

表1 梁體活載撓度

根據(jù)歐洲規(guī)范Load 71荷載作用下最大豎向撓度不應(yīng)超過L/600，尚應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)動力性能方面的要求。

綜上所述，通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體撓度及轉(zhuǎn)角滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)及中國鐵路規(guī)范要求。

(2)梁體強(qiáng)度及應(yīng)力檢算［9-10］(表2)

表2 梁體強(qiáng)度及應(yīng)力檢算

4 結(jié)語

綜合以上邊梁和中梁在運營狀態(tài)下分析結(jié)果，可以得出在重要性系數(shù)值0.8～1.4的車輛荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形、梁體自振頻率同時滿足2種規(guī)范要求，在重要性系數(shù)α＞1.0的車輛荷載作用下梁的強(qiáng)度安全系數(shù)，不滿足我國鐵路規(guī)范要求。因此，通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)，可應(yīng)用于重要性系數(shù)不大于 1.0采用Load71荷載圖示的鐵路線路上。

［1］EN 1991—1—1:Densities，Self weight and imposed loads［S］.

［2］EN 1991—2:Traffic loads on bridges［S］.

［3］EN 1990—Eurocode:Basis of structural design［S］.

［4］EN 1992—2:Bridges［S］.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋梁設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋梁鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］朱爾玉.現(xiàn)代橋梁預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［8］范立礎(chǔ).橋梁工程(上)［M］.北京:人民交通出版社，1983.

［9］廖元裳.鋼筋混凝土橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［10］李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1996.