鐵路橋梁長(zhǎng)橋橋墩的偏心安全性研究

摘 要:在我國(guó)鐵路橋梁的設(shè)計(jì)工作中，列車的荷載往往按照中-活載取值，而在對(duì)長(zhǎng)橋橋墩的縱向偏心進(jìn)行檢查和計(jì)算時(shí)，大多將單孔輕載作為加載圖示。本文主要以鐵路橋梁中的簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)橋?yàn)槔瑥淖畈焕虞d工況和軌面制動(dòng)力的動(dòng)力特性兩方面對(duì)長(zhǎng)橋橋墩的偏心安全性進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)長(zhǎng)橋橋墩的受力特點(diǎn)做了總結(jié)。

關(guān)鍵詞:橋墩偏心安全性 鐵路橋梁 加載工況

中圖分類號(hào):U441.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)02(c)-0132-01

當(dāng)列車行駛到橋梁上并因?yàn)槟撤N原因而不得不進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，就會(huì)向位于橋梁上的軌道施加一個(gè)與列車運(yùn)行方向相同的水平縱向力，該水平縱向力的一部分會(huì)通過(guò)軌道傳遞給橋梁以外的路基，而其余的部分則會(huì)向下傳遞給橋梁的墩臺(tái)，這部分傳遞給橋梁墩臺(tái)的力被稱為有效制動(dòng)力，它與軌面制動(dòng)力的比值就是有效系數(shù)，是橋梁墩臺(tái)設(shè)計(jì)工作中的重要參考內(nèi)容之一。根據(jù)現(xiàn)行的鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有效制動(dòng)力應(yīng)不超過(guò)施加于橋跨上的豎向靜活載的1/10，但是該標(biāo)準(zhǔn)卻沒(méi)有對(duì)有效系數(shù)和軌面制動(dòng)力的計(jì)算給出明確的規(guī)定。本文主要從最不利加載工況和軌面制動(dòng)力的動(dòng)力特性兩方面入手，對(duì)鐵路橋梁長(zhǎng)橋橋墩的偏心安全性進(jìn)行研究。

1軌面制動(dòng)力的動(dòng)力特征

科研人員對(duì)于軌面制動(dòng)力的研究和分析報(bào)告指出，列車尤其是那些載重型貨車在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，列車的軌面制動(dòng)力會(huì)由60%增加到100%，動(dòng)力特征非常明顯。但是如果線路和橋梁的自身?xiàng)l件發(fā)生變化，那么其有效系數(shù)就會(huì)隨之出現(xiàn)較大的波動(dòng)，所以在計(jì)算過(guò)程中如果單純的將豎向靜活載的1/10作為橋梁的有效制動(dòng)力的話，就無(wú)法了解到橋梁墩臺(tái)所承受的實(shí)際制動(dòng)力。所以，應(yīng)建立起列車制動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，并編制出相應(yīng)的仿真程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，以便得出軌面制動(dòng)力在列車制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)變化曲線。有關(guān)研究報(bào)告和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出，當(dāng)列車的長(zhǎng)度比橋梁的總長(zhǎng)還要長(zhǎng)20～40m，并且在制動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)列車的第一輪位能夠超過(guò)臺(tái)尾5～10m，那么橋梁所承受的制動(dòng)力就能達(dá)到最大值。因此，為了方便對(duì)最大值進(jìn)行計(jì)算，本文約定，文中所研究的列車長(zhǎng)度≥橋梁長(zhǎng)度，并且在制動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)，列車的第一輪位停止于前方臺(tái)尾處，完全進(jìn)入臺(tái)尾的車體在任意時(shí)刻均為i-1個(gè)。就目前鐵路橋梁施工的實(shí)際情況來(lái)看，簡(jiǎn)支梁鐵路長(zhǎng)橋的單孔跨度一般都要小于40m，而我國(guó)列車車廂的長(zhǎng)度則在22～25m之間，所以每一個(gè)孔梁上最多能同時(shí)作用的車體數(shù)為3個(gè)。由于相鄰車體的行駛速度幾乎相同，因此當(dāng)其中一個(gè)車體的制動(dòng)力達(dá)到最大值時(shí)，與其相鄰的兩節(jié)車體的制動(dòng)力也幾乎達(dá)到了最大值。盡管在制動(dòng)過(guò)程中，某孔梁上的過(guò)往的車輛會(huì)不斷發(fā)生變化，但是其變化規(guī)律卻是一致的，所以在計(jì)算出單節(jié)車廂所產(chǎn)生的制動(dòng)力時(shí)程BF(t)后，將其乘以孔梁上通過(guò)的車廂總數(shù)就能得到該孔梁上列車軌面制動(dòng)力的時(shí)程。

2對(duì)加載圖示的討論

在鐵路橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)橋墩界面縱向偏心、橋墩縱向壓應(yīng)力以及受壓穩(wěn)定性、墩總壓壓應(yīng)力及其受壓穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)的荷載組合分別為“縱向風(fēng)力+制動(dòng)力+單孔輕載”、“縱向風(fēng)力+制動(dòng)力+雙孔重載+離心力”以及“縱向風(fēng)力+制動(dòng)力+雙孔重載”。這幾種荷載組合在我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)工作中得到了非常廣泛的應(yīng)用，但是即便如此，也不能說(shuō)明它們能夠真正反映出橋墩的實(shí)際受力情況，理由主要包括以下幾方面內(nèi)容:(1)在制動(dòng)過(guò)程中，列車前半部分所產(chǎn)生的制動(dòng)力的一部分會(huì)通過(guò)軌道傳遞給位于列車前方的線橋結(jié)構(gòu)，其余部分則會(huì)分散到橋梁兩端的路基上，但由于軌面制動(dòng)力在孔梁間處于相互傳遞的狀態(tài)，因此當(dāng)橋梁長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，位于加載長(zhǎng)度中部的橋墩會(huì)逐漸呈現(xiàn)出獨(dú)立受力性。所以某一橋墩想要承受最大的制動(dòng)力，它附近的孔梁上必須要布滿活載，如果僅在其直接支撐的孔梁上布置活載，是無(wú)法得到最大制動(dòng)力值的。(2)在列車豎直方向荷載的作用下，橋跨結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的撓曲變形，鋼軌也會(huì)因?yàn)檐壍琅c橋跨間的連接作用而產(chǎn)生加力，這種加力會(huì)作用于橋跨，并在支座附近引起撓曲力—— 一種成對(duì)出現(xiàn)的、方向相反的、作用于橋跨兩端支座的縱向水平力。撓曲力與制動(dòng)力的聯(lián)合作用就產(chǎn)生了制撓力，其數(shù)值會(huì)隨著列車停車位置的不同而發(fā)生變化。如果僅對(duì)橋墩一側(cè)的橋孔布置活載進(jìn)行檢算并進(jìn)行制動(dòng)，那么撓曲力就會(huì)與制動(dòng)力同向，并且所檢算的橋墩也會(huì)出現(xiàn)制撓力的最大值。單孔輕載的制動(dòng)力與撓曲力方向相反，所以由此得出的制撓力將小于制動(dòng)力;采用雙孔重載對(duì)橋墩進(jìn)行檢算時(shí)，一般會(huì)不出現(xiàn)制撓力的最大值。

3對(duì)橋墩偏心安全性的檢驗(yàn)和計(jì)算

本文對(duì)長(zhǎng)橋橋墩墩底的縱向偏心驗(yàn)算主要通過(guò)比較圖1中的兩種加載工況來(lái)完成的，其中，加載工況1為單孔輕載，加載工況2為多孔滿布車輛荷載。在對(duì)軌面制動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用的是運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的常用編組。在工況一中，制動(dòng)力取值為豎向靜活載的1/10，這時(shí)，橋墩頂部就存在著由活載引起的平衡力矩。在工況2中，靜荷載的取值為軌面制動(dòng)力時(shí)程曲線的峰值。通過(guò)有關(guān)計(jì)算我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在工況一的條件下，墩底截面的縱向偏心基本能夠滿足橋梁要求;而在工況2的作用下，橋墩的縱向偏心距則會(huì)出現(xiàn)超出容許值的現(xiàn)象，使橋墩底部截面處于非常不利的受力狀態(tài)。因此當(dāng)墩底截面合力偏心較大時(shí)，應(yīng)該重新進(jìn)行應(yīng)力的分布計(jì)算，否則就容易導(dǎo)致更大的壓應(yīng)力值的出現(xiàn)，進(jìn)而威脅墩身的安全性。

4結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)橋的中部橋墩由于受到相鄰橋跨制動(dòng)力傳遞的影響，會(huì)在列車制動(dòng)過(guò)程中處于制動(dòng)力最大化的不利狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮軌面制動(dòng)力荷載的動(dòng)力特性，避免線形規(guī)范中對(duì)制動(dòng)力設(shè)計(jì)值考慮不足的問(wèn)題，從而進(jìn)一步提高橋梁設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

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