鐵路橋梁上線路設置短夾直線反向曲線的研究解決思路

杜通道

(中國鐵路總公司工程管理中心,北京 100038)

鐵路橋梁上線路設置短夾直線反向曲線的研究解決思路

杜通道

(中國鐵路總公司工程管理中心,北京 100038)

針對《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)中規定“橋上應避免采用反向曲線”與《鐵路線路設計規范》(GB50090.1—2006)中“明橋面橋不應設在反向曲線上”不一致的情況,通過分析總結多條線在鐵路橋梁上線路設置短夾直線反向曲線存在的具體問題與解決辦法,提出其他鐵路項目在具體設計中處理此類問題可借鑒的解決思路:鐵路設計一般情況下應遵循“橋上應避免采用反向曲線”的選線理念;困難條件下,應采取較好的線路條件,反向曲線的夾直線長度最少應滿足1列運營列車長度;特殊困難條件下,橋梁上反向曲線夾直線長度不滿足1列運營列車長度時,應通過線路平縱斷面優化、橋改路等多方案經濟技術比較輔以相關研究(如仿真檢算)進行充分研究論證,以確定最終方案。

鐵路線路;鐵路橋梁;夾直線;反向曲線

《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005) (以下簡稱“《橋規》”)3.4.5規定:“橋上應避免采用反向曲線”。其條文解釋如下:同一座橋梁如設在反向曲線上,列車過橋時,由一曲線進入另一曲線,擺動劇烈,運行不夠安全,對橋梁受力也不利。同時由于線路養護撥道不易正確就位,梁上產生偏心,尤其是明橋面超高更難調整,故對于各類型橋面的橋上應避開反向曲線。如不得已而設在反向曲線上時,應采用道砟橋面,還應設計較長的夾直線,其夾直線長度宜大于運行列車長度,并要進行充分的論證[1]。而在《鐵路線路設計規范》(GB50090.1—2006)(以下簡稱“《線規》”)3.1.10規定:“…明橋面橋不應設在反向曲線上[2]…”。

兩規范所要求的范圍明顯不一致,《橋規》中要求的是所有橋梁均應避免反向曲線,而《線規》中僅明確在明橋面橋上應避免反向曲線,這就造成在勘察設計尤其是選線設計中,線路和橋梁專業對線路平面要求掌握不一,有時甚至形成工程設計的永久缺陷。

目前,對橋梁上設置反向曲線問題,鐵路總公司以《＜鐵路橋涵基本設計規范＞局部修訂條文》(鐵總建設[2013]92號文)對《橋規》相應條文進行了修改,明確了:“橋上線路除應符合《線規》的有關規定外,尚應符合:橋上線路必須設置反向曲線時,其夾直線長度應大于一個運行列車長度;困難條件下,橋上反向曲線不滿足上述條款時,必須進行充分技術經濟論證并采取必要的技術措施,確保行車安全[3]。”

本文主要結合不同項目對橋上設置短夾直線反向曲線問題的處理情況予以總結,提出處理此類問題的方法和思路,為設計及下一步規范的修編提供參考。

1 客貨混運鐵路

1.1 西南某樞紐西環線

1.1.1 基本概況

該線設計行車速度100 km/h,其土橋特大橋位于反向曲線上,曲線半徑800 m,夾直線長51.51 m,不滿足1列列車長度760 m的要求。該橋采用2101簡支T梁,屬常規結構,且墩高均在3.0～4.0 m范圍[4]。

1.1.2 仿真檢算

(1)軌道譜的選擇

圖1、圖2分別為我國三大干線(京滬、京廣、京哈)適用于160 km/h以下速度的軌道譜與美國AAR標準5級軌道譜(適用于144 km/h以下速度)及6級軌道譜(適用于176 km/h以下速度)從方向不平順及高低不平順兩個方面的對比分析。

由圖1可見,我國三大干線軌道譜的方向不平順總體大于美國5級譜和6級譜數值,表明線路方向幾何狀態較差。由圖2可見,我國三大干線軌道譜的高低不平順總體上介于美國5級譜和6級譜之間[5]。

圖1 軌道方向不平順功率譜

圖2 軌道高低不平順功率譜

仿真針對軌道平順性較好和較差的兩種情況,根據本項目擬開行的客貨列車,以CRH1型動車組、C62型貨物列車和25G型普速客車分別采用美國6級譜和5級譜進行了模擬,以開展列車通過反向曲線時的安全性和平穩性分析。為減少篇幅,以下僅附CRH1型動車組模擬全部結果,其余車型僅附某項技術指標要求受控的模擬結果。

(2)軌道平順性較好狀況(美國6級譜)的模擬結果

①CRH1型動車組(圖3～圖9)

圖3 脫軌系數

圖4 輪重減載率

圖5 輪軸橫向力

從圖3～圖9分析,受輪重減載率的限制, CRH1型動車組可以100 km/h的速度安全、舒適地通過土橋特大橋上反向曲線。

②C62型貨物列車模擬結果同CRH1型動車組的模擬結論。

③25G型普速客車(圖10～圖12)

根據輪重減載率模擬結果,應限速至80 km/h。

(3)軌道平順性較差狀況(美國5級譜)模擬結果

①CRH1型動車組(圖13～圖19)

從圖13～圖19中可以看出,當列車速度為80 km/h時,最大脫軌系數、最大輪重減載率、最大輪軸橫向力均接近或略超規范限值,故CRH1型動車組應限速為80 km/h。

②載重的C62型貨物列車(圖20～圖22)

從圖中看出,載重的C62型貨車受最大輪重減載率限制,應限速至80 km/h。

③25G型普速客車(圖23～圖25)

圖6 橫向加速度

圖7 垂向加速度

圖8 橫向平穩性指標

圖9 垂向平穩性指標

圖10 脫軌系數

圖11 輪重減載率

圖12 輪軸橫向力

圖13 脫軌系數

圖14 輪重減載率

圖15 輪軸橫向力

圖16 橫向加速度

圖17 垂向加速度

圖18 橫向平穩性指標

圖19 垂向平穩性指標

圖20 脫軌系數

圖21 輪重減載率

圖22 輪軸橫向力

圖23 輪重減載率

圖24 輪軸橫向力

25G型普速客車當列車速度為70 km/h時,最大輪重減載、最大輪軸橫向力、最大的車體橫向振動加速度半峰值均達到或略超規范要求的限值,故應限速至70 km/h。

(4)仿真結論

經仿真模擬檢算,在軌道平順度保持較好的條件下,CRH1型動車組、C62型貨物列車和25G型普速客車分別可以以不超過100、100、80 km/h的速度通過土橋特大橋上的反向曲線;在軌道平順度保持較差的條件下,CRH1型動車組和C62型貨物列車可以以不超過80 km/h的速度通過土橋特大橋上的反向曲線, 25G型普速客車可以以低于70 km/h的速度通過土橋特大橋上的反向曲線[5]。

1.1.3 方案研究

該段線路位于市區,是按照預留的位置進行設計。經研究,改變曲線半徑、調整線位、改變工程措施均不能滿足地方要求或代價很大。

1.1.4 解決方案

在運營中通過加強運營養護維修,使軌道狀態時刻保持良好狀態;并通過運營試驗,合理確定各種車輛的最終運營速度,以確保運營安全。

1.2 西北某鐵路

1.2.1 基本概況

該線設計行車速度120 km/h,其肅北2號特大橋位于曲線半徑800 m的反向曲線上且12.2‰(折減后)足坡地段,夾直線長度僅104.99 m[6],不滿足1列列車長度的要求。

1.2.2 仿真檢算

圖25 車體橫向加速度

根據本項目客貨列車開行方案,分別選用韶山7E、提速客車、和諧D2C、提速貨車,以我國既有提速鐵路的軌道幾何不平順作為輪軌系統輸入的基礎,分析當速度為80、100、120 km/h 3個等級時的安全性和舒適性指標。機車動力學性能評定指標及其標準主要依據:《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》(TB/T2360—93)、《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》(GB5599—85)、客運專線動力學性能應符合鐵道部采購文件技術規范(2005.9.8)的附件2的中國標準、UIC518標準,個別指標參照了國內外其他相關文獻資料[7]。

分析結果分別見表1和表2。

表1 列車通過時的輪軌動態安全性指標最大值[8]

表1和表2表明:

(1)列車以80～120 km/h速度通過肅北2號特大橋反向曲線時,隨著速度的提高,輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率均相應增加;

(2)SS7E機車以120 km/h、HXD2C機車速度以100 km/h及以上速度通過該反向曲線時,安全性指標不滿足要求,需要限速;

表2 列車通過時的舒適性指標[8]

(3)相同條件下,提速客、貨列車安全性指標明顯優于SS7E和HXD2C機車;

(4)4種列車的舒適性指標結果均滿足要求。

1.2.3 方案研究

為解決本項目不滿足《橋規》和仿真檢算需要限速的問題,經研究,通過線路向南側偏移,適當改變線路平縱斷面設計,使橋梁地段兩反向曲線間最小夾直線長度可滿足1列列車長度要求,且橋梁長度僅增加約100 m,工程投資增加較少,可以解決此類突破規范的問題。

1.2.4 解決方案

最終通過調整線路平面,線路改線延長夾直線長度,基本滿足《橋規》要求。

1.3 西北某貨車直通線

(1)基本概況

該貨車直通線工程[9]設計行車速度120 km/h,其中在跨既有繁忙干線鐵路處進行疏解,疏解線左右線設置的周家莊蘭武鐵路立交特大橋均存在反向曲線,其中左線反向曲線夾直線長度為84 m,右線反向曲線夾直線長度為121 m。在跨既有鐵路處采用100 m連續梁,其他均為T梁,設計考慮采用懸灌施工,施工時雙層集裝箱凈空為7.96 m[10]。

(2)解決方案

經審核,設計采用了轉體施工,施工完成后滿足雙層集裝箱凈空要求。優化后,降低縱斷面高程2～2.5 m,按照路橋高度8 m分界,左線橋改路267 m,右線橋改路93 m,避免了在橋梁上設置反向曲線,節省了工程投資,滿足了規范要求。

2 客運專線鐵路

2.1 華中某客運專線

(1)基本概況

該客運專線設計速度350 km/h,橋梁設計為箱梁,軌道采用Ⅲ型板無砟軌道。該客運專線某處特大橋存在1處反向曲線,曲線半徑為11 000 m和10 000 m,夾直線長度282 m,不滿足1列列車長度要求。

(2)仿真檢算結論

高速列車在車速160～350 km/h(運營速度)及375～420 km/h(檢算速度)通過橋梁時的安全性和乘坐舒適性均滿足要求[11]。

(3)處理結果

改動線路平面、縱斷面及工程措施難度很大,經仿真,設計滿足要求,故維持原線路平、縱斷面設計。

2.2 華北某客運專線

(1)基本概況

該客運專線設計速度250 km/h,橋梁采用箱梁,軌道采用有砟軌道。該客運專線某特大橋DK423～DK427+500段為反向曲線橋梁,曲線半徑3 200 m,夾直線長度200 m,不滿足1列列車長度要求。

(2)仿真檢算

當CRH3動車組以250 km/h速度通過時,安全性、舒適性指標均滿足要求,平穩性指標屬優級。當CRH2動車組以180～250 km/h速度通過時,安全性、舒適性指標均滿足要求,平穩性指標屬優級[12]。

(3)處理結果

受某煤礦控制,線路平面、縱斷面、工程措施調整難度巨大,故維持原線路平、縱斷面設計。

3 思考

(1)橋梁上存在反向曲線尚不能完全避免

隨著鐵路建設進一步開展,由于節地等環保要求愈來愈高,尤其是客運專線鐵路,減少路基、以橋代路逐漸成為工程措施選取的重要因素,長大橋梁會越來越多,為和地方政府及各種控制點要求很好地結合,鐵路選線中長大橋梁上不可避免地設置反向曲線。

(2)規范的要求應統一

在規范體系的建立上,應避免各規范之間對同一件事情要求不一致的情況,從根本上避免出現設計人員理解不一致、執行不到位的現象。關于橋梁上設置反向曲線的規定,應適時結合《橋規》、《線規》的修訂予以統一。

(3)處理此類問題的思路

在線路設計時,首先應有“橋上應避免采用反向曲線”的選線理念,嚴格按照規范要求設計,從根本上滿足橋梁設置的要求。困難條件下,橋梁上確實需設置反向曲線時,應采用較大的曲線半徑,避免采用最小曲線半徑,尤其是避免小半徑、大坡道、不易保持良好狀態的軌道產品等多種不利情況組合,且其夾直線長度應盡量長,最少應滿足1列運營列車長度。特殊困難條件下,橋梁上反向曲線夾直線長度不滿足1列運營列車長度時,應通過線路平縱斷面優化、橋改路等多方案經濟技術比較輔以相關研究(如仿真檢算)進行充分論證,初步提出線路運營速度及注意事項;橋梁可采取加強橋梁的縱橫向剛度措施如夾直線地段的橋梁按照相鄰的曲線橋梁進行設計,軌道設計應選用免維修或少維修的軌道類型等其他措施;在運營階段,要采取加強養護維修措施,使軌道狀態時刻保持良好來確保運營安全。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] 中華人民共和國建設部.GB50090.1—2006鐵路線路設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2006.

[3] 中國鐵路總公司.鐵總建設[2013]92號《鐵路橋涵基本設計規范》局部修訂條文[S].北京:中國鐵路總公司,2013.

[4] 中鐵二院工程集團有限責任公司.成蒲鐵路施工圖設計文件[Z].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司,2012.

[5] 中鐵二院工程集團有限責任公司.列車通過成蒲線土橋特大橋上反向曲線的行車安全性仿真報告[R].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司,2012.

[6] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.敦格鐵路施工圖設計文件[Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2012.

[7] 翟婉明.貨物列車動力學性能評定標準的研究與建議方案(一～三)[J].鐵道車輛,2002,40(1-3).

[8] 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.客貨列車動態通過敦格鐵路肅北2號特大橋反向曲線時的安全性與舒適性研究報告[R].成都:西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,2012.

[9] 武正坤.新建蘭州至中川機場鐵路線路方案研究[J].鐵道標準設計,2013(7):22-25.

[10]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州樞紐中川機場線施工圖設計文件[Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2012.

[11]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.鄭徐客運專線施工圖審核檢查意見落實情況文件[Z].武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2012.

[12]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.石濟客運專線施工圖文件及仿真檢算的附件[Z].天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司,2012.

Study on How to Arrange the Reverse Curves with Short Intermediate Straight Line on Railway Bridge

DU Tong-dao
(Engineering Project Administration Center of China Railway Corporation,Beijing 100038,China)

There is conflict between the two design codes,Basic Code for Design of Railway Bridge and Culvert(TB10002.1—2005),Code for Design of Railway Route(GB50090.1—2006),because the former stipulates that“all the bridges shall not be located in the area with reverse curves”and the latter only stipulates that“the open-deck bridge shall not be located in the area with reverse curves”.To solve that conflict,after analysis and summarization on lots of specific situations and solution measures in railway engineering practices about arranging reverse curves with intermediate straight line on railway bridges,this study put forward valuable solution schemes on how to solve the problems in the designs for similar railway projects in future.The conclusions drawn from this study are as follows:(a)In general, railway design shall be in accordance with the principle of“all the bridges shall not be located in the area with reverse curves”.(b)In difficult situation,good railway route condition should be ensured,and the length of the intermediate straight line between the reverse curves should at least meet the length requirement of one operating train.(c)In specially difficult condition when the length of intermediate straight line between reverse curves cannot meet the length requirement of one operating train,the final scheme should be determined based on technical economy comparison among multiple schemes,such as route plane and profile optimization,replacing bridge with subgrade and so on,accompanied by relevant researches(e.g.simulation calculation)and argumentations.

railway route;railway bridge;intermediate straight line;reverse curves

U239.5;U212.33

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.001

1004-2954(2014)08-0001-05

2014-03-14;

2014-05-04

杜通道(1971—),男,高級工程師,1993年畢業于蘭州鐵道學院鐵道工程專業,工學學士,E-mail:Dtd609@qq.com。