張海榮
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)
同江黑龍江鐵路特大橋是國內(nèi)第一座跨越中、俄界河(黑龍江)的鐵路大橋,橋上采用單線套軌技術(shù),需要同時(shí)滿足“中-活載”和俄羅斯CK活載通行要求。
我國現(xiàn)行的鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002·1—2005)和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002·2—2005)仍采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。俄羅斯采用前蘇聯(lián)國家建設(shè)委員會(huì)1984年頒發(fā)的《公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(2.05.03—84),該規(guī)范按極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從理論體系、活載標(biāo)準(zhǔn)、材料技術(shù)條件到構(gòu)造要求,兩國規(guī)范都存在較大差異。因此,有必要對中、俄鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行比較、研究,確定橋梁合理的設(shè)計(jì)參數(shù),使得同江黑龍江鐵路特大橋設(shè)計(jì)建造既滿足中國規(guī)范的要求,又滿足俄羅斯規(guī)范的要求。
由于俄羅斯規(guī)范給出的活載軸重比“中-活載”大很多,活載標(biāo)準(zhǔn)的差異性影響是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵性問題。
(1)“中-活載”圖示如圖1所示。
圖1 “中-活載”活載圖示(單位:m)
(2)俄羅斯規(guī)范規(guī)定,鐵路列車的標(biāo)準(zhǔn)豎向活載CK,應(yīng)采用線路能采納的最大等代荷載,這種荷載取為24.5K kN以下的各種集中貨物和強(qiáng)度為9.81K kN/m的線路均布荷載。對于永久性結(jié)構(gòu)K為14,這樣最大軸重約為343 kN,均布荷載約為137.3 kN/m。俄羅斯規(guī)范中未給出統(tǒng)一的活載圖示,而是給出了按影響線進(jìn)行加載的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)豎向活載CK的換算均布活載表格。
(1)采用“中-活載”計(jì)算
強(qiáng)度計(jì)算時(shí):1+μ=1+28/(40+L)
疲勞檢算時(shí):1+μf=1+18/(40+L)
式中,L為除承受局部活載桿件(如縱橫梁、主桁豎桿及其相應(yīng)的連接等)為影響線加載長度外,其余均為橋梁跨度。
(2)采用俄羅斯CK荷載計(jì)算
強(qiáng)度計(jì)算時(shí):1+μ=1+18/(30+λ),但不得小于1.15;
疲勞檢算時(shí):1+μf=1+2/3μ;
在按俄羅斯規(guī)范進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)必須采用ε乘以CK荷載,系數(shù)ε≤1。
式中,λ應(yīng)按以下規(guī)定采用:
①主桁的主要桿件以及縱梁和橫梁,當(dāng)其參與主桁受力時(shí),影響線長度等于跨長;當(dāng)影響線的加載長度大于跨長時(shí),則為加載長度;
②在局部加載計(jì)算時(shí)(即考慮局部荷載作用的這部分影響線加載時(shí)):縱梁為其跨長;橫梁為縱梁在連接節(jié)間內(nèi)的長度之和;吊桿、立柱和只受局部荷載的其他構(gòu)件,應(yīng)為影響線的加載長度;
③當(dāng)影響線考慮同時(shí)有主要荷載和局部荷載加載時(shí),按每種荷載分別取值。
從換算均布活載可以看出,俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK比“中-活載”重,直接比較,俄羅斯CK換算均布活載是“中-活載”作用的1.37~1.69倍,詳見圖2、圖3。
圖2 端部換算均布活載K0
圖3 1/2處換算均布活載K1/2
按照我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)進(jìn)行鋼梁設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)另外考慮預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)影響,而俄羅斯規(guī)范中的鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載已經(jīng)考慮了其發(fā)展。
研究表明,前蘇聯(lián)的機(jī)車和編組有2個(gè)特點(diǎn),(1)貨車延米重比機(jī)車延米重大,貝-阿鐵路采用的T型油罐車延米重為94.5 kN/m;(2)機(jī)車軸重大,貨車軸重小,BⅡ型機(jī)車軸重最大,為267.8 kN。但從目前了解的俄方實(shí)際運(yùn)營的機(jī)車車輛軸重看,與中方相差不大。所以,按俄羅斯規(guī)范采用標(biāo)準(zhǔn)活載CK進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),已經(jīng)預(yù)留了相當(dāng)大的活載發(fā)展系數(shù)。
按本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)的牽引質(zhì)量為5 000 t,由于目前國內(nèi)以貨運(yùn)為主的線路多采用C80貨車,軸重為250 kN,而且機(jī)車車輛還在向300 kN大軸重方向發(fā)展,按目前“中-活載”圖式進(jìn)行設(shè)計(jì)的橋梁預(yù)留的發(fā)展儲(chǔ)備往往偏低。
為預(yù)留“中-活載”的發(fā)展空間,同時(shí)兼顧俄羅斯活載影響,必須研究適應(yīng)本項(xiàng)目的“中-活載”預(yù)留發(fā)展系數(shù),以達(dá)到合理控制鋼梁技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目的。
對于鋼橋,處理方法是將鋼材的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力比照實(shí)際容許應(yīng)力適當(dāng)降低,使桿件截面中留有一定的應(yīng)力儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)容許應(yīng)力降低多少較為合理,要考慮如下因素:(1)鋼橋的合理使用年限;(2)活載的增長速度;(3)附加投資的有效利用。中國規(guī)范中規(guī)定,鋼材設(shè)計(jì)容許應(yīng)力[σ]較實(shí)際容許應(yīng)力(即檢定容許應(yīng)力[σ]')降低20%,并在設(shè)計(jì)中定義了2個(gè)系數(shù):預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)n和活載發(fā)展均衡系數(shù)η。
預(yù)留活載發(fā)展系數(shù):n=0.2a+1.2
其中,Np為桿件設(shè)計(jì)恒載內(nèi)力;Nk為桿件設(shè)計(jì)活載內(nèi)力;μ為列車活載豎向動(dòng)力系數(shù)。
當(dāng)a為正值時(shí),活載發(fā)展系數(shù)n要大于[σ]'/[σ]的比值。通常,跨度越大,a越大,n也越大。
活載發(fā)展均衡系數(shù)η的作用,是使所有桿件的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)ni均衡,均等于nmax,因此稱為活載發(fā)展均衡系數(shù)。其計(jì)算公式為
當(dāng)考慮了活載發(fā)展系數(shù)和活載發(fā)展均衡系數(shù)后,實(shí)際桿件截面按下式計(jì)算意義更為明確
式中,A為設(shè)計(jì)桿件有效截面積。
為清楚起見,以鋼桁梁的弦桿為例,進(jìn)行說明。把俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK作為設(shè)計(jì)要求的預(yù)留活載目標(biāo),則中國規(guī)范的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù) nmax=,但這樣做,因?yàn)闆]有考慮兩國規(guī)范設(shè)計(jì)理論的差異,所以,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全度并不相同。
當(dāng)分別按兩國規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),有
式中,[σ]為按中國規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)鋼材的容許應(yīng)力,[σ]=Ryn/1.7;Ryn為鋼材的屈服強(qiáng)度;m為按俄羅斯規(guī)范計(jì)算時(shí)的工作條件系數(shù),m=0.9;γf為活載分項(xiàng)系數(shù),對于144 m 鋼桁梁弦桿,γf=1.121;Ry=Ryn/γm,γm為俄羅斯規(guī)范的材料抗力系數(shù),γm=1.125。
假設(shè)按上述兩式計(jì)算得到有效截面相同,A中=A俄,變換后,則有
用同樣的方法考察縱、橫梁設(shè)計(jì)。
其中:
變換后,有
對于144 m鋼桁梁的縱梁,γf=1.26;為考慮截面內(nèi)塑性變形的有限增長系數(shù),根據(jù)計(jì)算確定;其他參數(shù)取值同上。
同江橋主橋中方通航孔采用了跨度144 m的下承式簡支鋼桁梁,主桁形式如圖4所示。
圖4 跨度144 m下承式簡支鋼桁梁主桁概圖(單位:mm)
對于該桁梁的上、下弦桿和縱、橫梁的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行分析,分別按照橋梁檢定規(guī)范和上面推導(dǎo)出的公式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí),給出了滿足俄羅斯CK活載發(fā)展系數(shù)時(shí)的建議預(yù)留活載調(diào)整系數(shù)。
計(jì)算結(jié)果如表1~表3所示。
表1 上弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)
表2 下弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)
表3 縱、橫梁預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)
從表1和表2的計(jì)算結(jié)果可以看出,按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的主桁弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)可以達(dá)到1.447,并不低于公式(1)的計(jì)算值;而從表3的計(jì)算結(jié)果看,考慮活載發(fā)展均衡系數(shù)時(shí),縱梁與中間橫梁的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)僅為1.270,不僅低于主桁桿件的1.447,而且遠(yuǎn)低于按公式(2)的計(jì)算值1.567。一方面,說明縱橫梁設(shè)計(jì)的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)應(yīng)隨跨度調(diào)整;另一方面,也說明局部加載時(shí),俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK的軸重較中國規(guī)范預(yù)留活載影響偏大。
(1)按中國現(xiàn)行容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)規(guī)范對鋼桁梁橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)一般大于1.2,且隨跨度增大而增大,具有一定經(jīng)濟(jì)合理性。
(2)對于跨度144 m的簡支下承式鋼桁梁,分別按中、俄規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí),單從強(qiáng)度控制情況來看,主桁桿件具有大體相當(dāng)?shù)念A(yù)留活載儲(chǔ)備能力。
(3)為了使得按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的鋼桁梁橋,能夠嚴(yán)格滿足俄羅斯規(guī)范技術(shù)要求,應(yīng)對“中-活載”的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行考察,尤其對局部加載控制的桿件,如縱、橫梁等,應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
(4)隨著跨度的增大,采用較大的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù),在常規(guī)跨度梁和當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下是經(jīng)濟(jì)合理的方案;但隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,設(shè)計(jì)使用壽命期的延長,不同跨度鋼橋采用不同的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù),將難于很好地適應(yīng)大跨度橋梁建設(shè)和未來機(jī)車車輛的發(fā)展。建議綜合考慮我國橋梁建設(shè)情況和機(jī)車車輛發(fā)展情況進(jìn)行深入研究,對我國規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)活載圖示和預(yù)留活載發(fā)展規(guī)定進(jìn)一步完善。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國際間的交流與合作越來越多,鐵路作為節(jié)能環(huán)保的交通方式,也得到世界各國的關(guān)注,國際鐵路項(xiàng)目逐漸增多,不同的列車活載和規(guī)范體系是經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文從中、俄列車活載對144 m簡支下承式鋼桁梁設(shè)計(jì)的影響出發(fā),得出了強(qiáng)度控制時(shí),主桁桿件兩國預(yù)留活載儲(chǔ)備能力大體相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論;并建議對局部加載控制的桿件,如縱橫梁設(shè)計(jì)的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,對同類橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目有一定參考和借鑒作用。
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